弦論走到了龐加萊猜想
曾富 郁松
摘要:弦論真的走到科學盡頭了嗎?事實是20世紀以來的四大研究:1、龐加萊猜想;2、物質無限可分;3、弦論;4、形式本體論,在21世紀初走到一起了。它標誌著21世紀是一個不平凡的世紀。
關鍵詞:弦論、龐加萊猜想、物質無限可分、形式本體論
英國《觀察家報》06年10月8日文章:弦論走到科學盡頭了嗎?
(作者:羅賓.麥基)
以下是文章摘要
物理學家通過創造量子力學來說明原子、電子等小粒子是如何運動的,而愛因斯坦提出了廣義相對論來解釋銀河系等天體系統的運行,但兩種理論互不相容,量子力學無法解釋大物體,相對論不能說明小粒子,而相比之下,生物學家則有達爾文的物競天擇理論來解釋從鯨到細菌的一個統一的理論,因此愛因斯坦也想找一個
包羅萬象的統一理論,後來許多科學家提出弦論,認為:物質不是由中子、夸克等點狀粒子構成,而是由極細的能量弦振動而成,其電子和中子卻由弦構成,此理論
為許多諾貝爾獎金獲得者所接受,但根據這一理論的推測:可能存在無數個不同的宇宙,其中一些可能與我們所在的宇宙相似,其它的可能截然不同。由於對這一看
不見的同一類宇宙和10維空間的理論提出了太多的無法證實的觀點,則把它斥責為『偽論』。可是也有許多科學家認為:不能因為這一理論不能證實就覺得它是錯
誤的,不久將來歐洲新建的大型強子對撞機或許就能提供有力證據。
小資料 弦論
弦論的一個基本觀點就是自然界的基本單元不是像電子、光子、中微子和夸克等等的粒子。這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈(稱為閉弦),閉弦的不同振動和運動,就給出這些不同的基本粒子,弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。它是將廣義相對論和量子
力學結合到一個數學框架裡,此理論有可能解決如黑洞和宇宙的起源等,可以從根本上改變人們對物質結構、空間和時間的認識。
2006年10月14日《參考消息》科學技術版面登載了一篇題為《弦論遭遇空前危機》的文章。文章摘要說「科學家們將弦論推崇為有發展前途的理論,
但現在,許多人包括一些諾貝爾獎得主開始擔心這項研究已經走進了死胡同,甚至有人將弦論斥為科學界的『皇帝的新裝』」。《參考消息》的報導是節選英國《觀
察家報》2006年10月8日發表的一篇名為《弦論走到科學盡頭了嗎?》的文章。該文報導幾位物理學家稱試圖通過幾個簡單的方程式來描述整個宇宙結構的弦
論,走到了知識的盡頭。
這個信息對持否定弦論者是個極大的鼓舞。弦論真的走到科學盡頭了嗎?弦論遭遇空前危機是歷史的必然嗎?事實是20世紀以來的四大研究:
1、數學上的龐加萊猜想
2、物理上的物質無限可分
3、微觀領域的弦論
4、哲學上的形式本體論
在21世紀初走到一起了。它標誌著21世紀是一個不平凡的世紀。為什麼?
一、弦論中西學與東學的形式本體論
21世紀弦論與龐加萊猜想、物質無限可分、形式本體論走到一起,結成一種會聚技術,不要說業餘科學愛好者,就是對大部分專業分工的科學家也產生了群體「失
語症」。這種說法,跟對弦論持否定者和肯定者都會有爭論。也許「失語」不受約束,更能在在天空上「翱翔」。這能理解。要說一個問題,應使聽眾或對方儘量明
白想表達的每一個細節的定義和概念;肯定者在這種會聚技術所論的概念上雖然已經做了相當的說明,但雙方的理解也確實有分歧:對方希望都以形式主義能把任何
一個概念說清楚,不然說白了,表達的概念都是一種似是而非的東西。
科學是聚合一批人,既要「養家餬口」,也要吃透對方的「精髓」開拓創新。「養家餬口」更多的是「傳統甚至是保守」,實質是「溫故而知新」;吃透「精髓」,
實質是化腐朽為神奇有實績能力。這就在形式主義的傳統之上產生了形式本體論;在形式本體論中分出了人文形式本體論和數理形式本體論。一說起數理形式本體
論,持否定者發現對話很困難,因為他們覺得無論是數理形式本體論所肯定還是否定的地方,似乎實際上都處於變幻的不確定之中,彼此考慮問題的基礎、出發點和
使用的方法存在巨大差異,在一些不確定命題上任何繼續的討論對於雙方都好似無謂的耗費。
1、什麼是數理形式本體論?
我們不想否定形式主義的科學,還想用形式主義來說明什麼是數理形式本體論?
所謂的數理形式本體論最核心的要旨就是用高等數學的方程、數學計算、數學圖形描述自然和精確檢測自然。而數理形式本體論是能否足夠完全地描述實在的物理世界,並不在形式主義意義上主張的能把任何一個在偶然性和隨機性中顯示出的物理世界的規律性給對方說清楚,在本體論意義上數理形式本體論並不必然宣稱整個世
界都是可用高等數學的方程、數學計算、數學圖形、數學檢測描述的,而是主張從存在到虛無,從非生命到生命,從感覺到意識、思維,都來源於物的一元論;那麼
類似歷史上微積分和微分幾何的運用提供的犀利數學工具,已不限於自然過程。雖然數學家們從17世紀後半葉以來陸續發現一類又一類的微分方程難以用已有的方
法求解,或者只有極少量的微分方程能求得具有解析函數表達式的解,但法國數學家龐加萊將微分方程求解問題與代數方程求解問題進行類比,開闢出的可以從微分
方程本身去探討解的性質---他把微分方程的解看作由微分方程本身所定義(或確定)的曲線族,以這種新認識為出發點,不著眼於先求出方程的解,再研究解的
性質,而是在不求出解的情況下,通過直接考察微分方程的結構、係數等對解的性質做出判斷,也就是著力從微分方程本身去分析和推斷它的解可能具有的種種特
性,如曲線的形狀、結構、特點、趨勢以及是否具有週期性、穩定性等等,這就把「物」的邏輯變成了「數」的邏輯,把「物質」問題轉換成了類似的「鏡像」問
題,把具體一類的自然代換成普遍一類的自然,從而開拓出一個可以讓人們類似使微分方程定性理論逐步走向完善的基本概念和基本方法,吸引許多科學工作者繼續
深入活躍研究的廣闊領域。
如果有個專業科學工作者批評諸如電磁場理論、狹義相對論與廣義相對論、規範場論、弦論、非平衡熱力學、微分幾何、拓撲基礎、集合論基礎、公理化基礎等相當
廣闊的現代自然科學知識都錯了,而又一再聲稱他本人所具有能力、感興趣和需要討論的範圍是相當有限的,既無精力,也沒有能力和興趣討論這個有限論域以外的
其他問題,那麼這個有限論域也只能檢查數學的運用是否正確;而數理形式本體論也就是批評者說的需要遵循的「經驗事實基礎」和「嚴格數學語言表述」的理念。
20世紀上半葉微觀領域的弦論發軔和哲學上的數理形式本體論發軔走到一起,為科學「失語症」埋下了種子。
有報導說,1919年愛因斯坦的同事卡路扎(Theodore
Kaluza)試圖統一麥克斯韋的電磁場方程和愛因斯坦的廣義相對論引力方程,率先發表一篇有五維時空的論文,之後1926年玻爾的同事克林(Oscar
Klein)加以改進,說所謂空間中的一個點,聯繫卡路扎方程中的第5維實際是一個「微小的圈」,從而形成了所謂的卡路扎--克林理論(Kaluza-
Klein
theory),這是個五次元的理論,可說是超弦理論的先聲。在這個理論中,卡路扎、克林兩人將原本愛因斯坦引力方程式中4×4度規矩陣,進一步擴充成5
×5矩陣,至於多出來的空間,剛好可擺上麥克斯韋的電磁場方程式;僅僅多加一個次元,就巧妙的結合引力與光,就連當時的愛因斯坦也不免大為震驚。然而,第
5維空間是如此的小,甚至可能僅僅藏於普朗克尺度之下,即只有10的-33次方釐米。若要探測此尺度,所需的普朗克能量,相當於10的20次方電子伏特。
當時量子理論的誕生引發世界的潮流,使卡路扎--克林理論的五維時空理論終於胎死腹中,但也可以看出數理形式本體論的威力。
2、西學東漸引發的世界潮流
上個世紀新中國五十年代初前後出生的我們這類人,雖然不能超前於卡路扎--克林在1921至1926年提出所謂空間中的一個點,聯繫額外維方程中的第5維
實際是一個「微小的圈」,但在西學胎死腹中後,新中國上個世紀六十年代初前後物理上的物質無限可分的探索,卻給予了我們一個意想不到的機會。因為近代絕大
部分高新深純科學,是在西方一些資本主義國家創立的,這是不可否認的事實。我們承認這個事實,是把它們隸屬於整個人類知識體系的大視角和從探求真理的科學
本義來考慮,科學是沒有國界的,是不分西學與東學的,都是人類共生的大家庭的共同的財富。但由於民族的不同,社會制度的不同,認識和政策又是有差別的。在
大的方面世界上的現代高新深純科學,新中國誕生前的不管,新中國誕生後的,如超弦理論、大爆炸宇宙論等,在中國本土或前或後已有我們這類人在研究,也許在
類似《科學通報》雜誌等編輯部的退稿中,就能找到例證。這不是像有人說的類似層子模型向夸克模型爭功。我們只想說明一個事實,新中國的成立,科技文化、教
育向廣大群眾的傾斜和普及,已具備了創生現代高新深純科學的基礎。
然而我國講解弦論的一些書籍,成了介紹西方一些資本主義國家的科技史,這是我國對弦論持否定者和肯定者們共同的極大感受。這也難怪作者自身的不足——像那
些上個世紀六十年代前後我國出生的人,已成為我國研究弦論的主流物理學家和數學家,但他們沒有我國像上個世紀五十年代初前後出生的人,在他們出生之前,已
開始經歷對類似超弦理論、大爆炸宇宙論等同構的探索,而那時這在中國本土被認為是違背物質無限可分的主流哲學,類似《科學通報》雜誌等編輯部的退稿,也就
在情理之中。但我們的反省不是自虐,還是來看看形式本體論引發的世界潮流。
3、什麼是形式本體論?
形式本體論一直被作為對抗內容本體論而被排斥著。2001年11月6日,德國洪堡基金會在柏林舉行了頒獎儀式,將高達200萬美元的保羅獎授予美國布法羅
大學的哲學家史密斯(Barry Smith),旨在資助其形式本體論(Formal
ontoloy)的哲學方法和理論在信息科學領域中的應用。據信,這是哲學家迄今為止得到的金額最高的一項研究獎金。史密斯從發表形式本體論的1978年
到2001年得到保羅獎,在23年時間內,是將其哲學方法和理論應用在信息科學領域。英國牛津大學哲學家弗洛裡迪從1996年提出「信息哲學」的概念,到
2002年發表論文《什麼是信息哲學?》和2004年發表論文《信息哲學的若干問題》,在8年時間內確立了新範式的信息哲學,他倆都用了哲學中的「本體論」(ontology)和計算機科學中的「知識本體」(ontology)這個詞Ontology,但史密斯和弗洛裡迪的信息定義差別並不大,實際都偏向我們說的人文形式本體論。
那麼他們到底作出了什麼貢獻?他們的貢獻是破壞了形式主義的物質第一性原則和邏輯自洽性原則的一元論,而引導了向數理形式本體論的物質第一性原則和邏輯自
洽性原則的一元論的回歸。形式主義的一元論,是一種內容本體論,類似我國曆朝歷代文人主張的「文以載道」,即「道」要先於「內容」,「內容」要規範於
「道」,實際是一種「兩極思維」。其次我國的「文以載道」的「道」,古人還說了「天不變,道也不變」,即是有大的階段性的,表明內容本體論仍然含有進化
論,它既有繼承「傳統甚至是保守」的一面,又比太多隨意性命題的本體論的「大智慧」或「小智慧」缺乏真正深刻的思想內涵和整體意義的邏輯嚴密性,具有「養家餬口」的進步性。何新先生說它是一種「絞殺精英的機制」,實際它也含有培養選拔精英的機制---既要用你,又要殺你;殺不了你,又要用你---這樣幾千
年下來培養選拔出的精英,我們的民族不是更具有生存能力和實戰能力嗎?有人說,慌言說了一百遍就成了真理。這僅是一個事實,但謊言畢竟是謊言,也是一個事實。「文以載道」的內容本體論,說到底還是一種形式主義。區分內容和形式的形式主義的一元論,說到底還是一種二元論。
數理形式本體論的物質第一性原則和邏輯自洽性原則的一元論,是數學上龐加萊猜想的一元論---既有物質的三維空間和封閉曲線的相對靜態,又有操作類似的收
縮或擴散場論和信息論的相對動態;是物理上物質無限可分類似「一分為二」的一元論---「一分為二」的「經驗事實和邏輯訴求」是可分和不可分,這是非對易
幾何和非對易數論的一元論,但形式主義的一元論也可以說它就是單一無限可分,如類似單一的實數無限可分或虛數無限可分,「絞殺精英的機制」不能讓其有完整
的選擇,那麼如果是史密斯和弗洛裡迪就會趨利避害,轉向知識本體或人文本體的話語權;這聯繫微觀領域的弦論就類似「琴弦」與「琴聲」的一元論---一段琴
弦振動可以產生多種琴聲,是可視「物」的琴弦可以產生不可視的「非物」的屬於能量性質的琴聲。數理形式本體論的一元論,從物質呈展和經驗事實中產生邏輯,
但它的逆命題邏輯並不等於呈展的物質和事實的經驗,邏輯也並不都來源於物質呈展和經驗事實。
4、本體論與知識本體探源
「本體論」中的初始概念,基本上是採用了亞里士多德在《形而上學》中的範疇系統,只是當時未使用ontology這一術語。亞里士多德認為本體論就是要
研究關於事物的本質的問題,他把存在區分為不同的形式,從而建立了一個範疇系統,包含有:實體、質量、數量、關係、行動、感情、空間、時間。這是古希臘本
體論研究的重要成果。德國哲學家康德對範疇框架的研究,為ontology的研究奠定了堅實的基礎,他認為,事物的本質不僅由事物本身(結構信息)決定,
也受到人們對於事物的感知或理解(交換信息)的影響;為了回答自己提出的「我們的心智究竟是採用什麼樣的結構來捕捉外在世界」而建立了康德範疇框架。它包
括四個大範疇:數量、質量、關係、模態,每個大範疇又下設三個小範疇。有了這個範疇框架,我們的心智才可以給事物進行分類,從而獲得對於外部世界的認識。
但正是由於民族的不同,社會制度的不同,認識和政策又有差別,這個「本體論」框架的應用發展,越來越偏離了「經驗事實、邏輯訴求」確立的物質世界並不因為人類存在或消亡而存在或不存在、人類原則上不能說出比大自然更多的東西、某一個方程或數學公式不可能要求無窮無盡、充滿差異的物質世界去服從的原則。
但這是否就能形成形式主義的物質第一性原則和邏輯自洽性原則的一元論,20世紀以來在對人類的語言文字、數學公式方程等作的結構主義、解構主義、符號邏輯
等眾多研究探索,發展起來的形式本體論給予了補充。特別是在史密斯上世紀七十年代提出「形式本體論」這一新概念之後,1991年美國計算機專家尼徹斯提出
了一種構建智能系統方法的新思想---構建的智能系統由兩個部分組成,一個部分是ontologies,一個部分是「問題求解方法(Problem
Solving
methods簡稱PSMs)」。這類似把相對靜態的封閉曲線和有操作的收縮與擴散的場論統一起來的龐加萊猜想,Ontologies涉及特定知識領域共
有的知識和知識結構,它是靜態的知識,而PSMs涉及在相應知識領域進行推理的知識,它是動態的知識,而PSMs使用ontologies中的靜態知識進
行動態的推理,就可以構建一個智能系統。這樣的智能系統就是一個知識庫,而ontologies就是知識庫的核心,這樣,ontology很自然地就在計
算機科學中引起了學者們的極大關注。
作為哲學的「本體論(ontology)」對於作為計算機科學的「知識本體(ontology)」系統具有指導作用。人類在使用計算機建立數據庫時,今天自然也就可以根據康德的方法給事物建立一些範疇,然後根據這些範疇的含義來管理和使用有關數據。當然計算機科學對於ontology的研究要借鑑哲學中「本體論」的研究成果,把它們研究世界上的各種事物及代表這些事物的範疇的形式特性進行分類,建立規範而加以很大發展並具體化。這時ontology不再
是一種理論,而是事物及其範疇的形式分類系統,是概念體系的規範,這樣的ontology與哲學中的ontology是不同的,它帶有更多的技術內涵和應
用色彩。
所以說,史密斯的「formal ontology」接近哲學的「形式本體論」,而弗洛裡迪的「信息哲學」所闡述的「formal
ontology」則是由領域知識本體或術語知識本體經進一步抽像和提煉,而發展成為「形式知識本體」的。知識本體可以幫助我們對於領域知識進行系統的分
析,把領域知識形式化,使之便於計算機處理。知識本體還可以實現人和人之間以及人和計算機之間知識的共享,實現在一定領域中知識的重複使用。具體地說,如
果我們把每一個知識領域抽像成一個概念體系,再採用一個詞表來表示這個概念體系,在這個詞表中,要明確地描述詞的涵義、詞與詞之間的關係,並在該領域的專
家之間達成共識,使得大家能夠共享這個詞表,那麼,這個詞表就構成了該領域的一個知識本體。
這實際是個「符號與代碼」層展「物質」系統,它既能容納電子計算機的邏輯相容,又能容納哥德爾計算機的邏輯相悖---它把悖論中止在代碼演繹符號的某個層
次上。這樣知識本體作為提取、理解和處理領域知識的工具,就可以被應用於任何具體的學科和專業領域,知識本體經過嚴格的形式化之後,借助與計算機強大的處
理能力,可以對於人類的全部知識進行整理和組織,使之成為一個有序的知識網絡。這樣形式主義一元論害怕的悖論,被高達200萬美元的保羅獎授予的美國布法
羅大學的哲學家史密斯的「形式本體論」解讀了。
5、我國數理形式本體論的貢獻
有人說,近一二十年來,以「改革開放」為標誌的重新審視和批判,應該看作是歷史的一種進步,它表明中國人從閉關自守的束縛中解脫出來,由開始接受西方的科
學思想、努力跟上世界科學潮流的初級階段,逐步發展到數理形式本體論的對西方科學體系進行獨立思考的理性認識階段。所有這一切說明:智慧的中國人,雖然經
歷許多屈辱,但這個民族最終一定會自立於世界民族之林的。當弗洛裡迪於2001年8月在美國卡耐基-梅隆大學主辦的計算機與哲學大會的司馬賀計算與哲學講
座發表《信息哲學的若干問題》演講之後僅僅三年,中國潘建偉教授等就在英國《自然》雜誌發表了「五光子糾纏和開放目的的量子隱形傳態的實驗實現」的論文,
應該說這篇論文不是史密斯和弗洛裡迪類似的形式本體論或知識本體論,而是肯定了某一個方程或數學公式可能要求無窮無盡、充滿差異的量子世界去服從的數理形
式本體論的將量子力學原理應用到量子信息處理研究的一個重大突破。
量子信息理論可以將數理形式本體論的量子力學與經典信息結合起來,一旦用量子態來表示信息,便實現了信息的「量子化」,於是信息的數理形式本體論過程必須
遵循量子物理原理。
2005年初,由潘建偉、王向斌、楊濤、彭承志和馬懷新等人組成的聯合研究小組開始利用誘騙信號方法進行遠距離量子密鑰分發的研究,經過近兩年的聯合攻
關,2006年夏,他們在國際上率先取得並宣佈距離大於100公里的實驗結果。隨後,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室,歐洲慕尼黑大學——維也納大學聯合研究
小組也相繼獨立獲得了採用誘騙信號方法進行量子密鑰分發的實驗結果。上述三個實驗結果已同時發表在2007年1月5日出版的重要物理學國際期刊《物理評論
快報》上。據介紹,由於量子加密術可以提供一種原理上絕對安全的通信手段,遠距離量子保密通信在國防上具有重大應用價值。自上世紀90年代以來,國內外眾
多研究小組開始致力於利用弱激光光源進行量子密鑰分發的實驗研究。我國科學家採用誘騙信號方法在國際上率先實現了以弱激光為光源、絕對安全距離大於100
公里的量子密鑰分發,是數理形式本體論繼五光子糾纏態製備與操縱、自由空間量子糾纏分發以及複合體系量子態隱形傳輸等重要研究成果後,在量子通信實驗領域
取得的又一國際領先的研究成果。
二、弦論走到盡頭了嗎?
一群科學家在上個世紀80年代提出的弦論,認為物質不是由中子、夸克等點狀粒子構成,而是由極細的能量弦振動而成。有人說遺憾的是,要使這些方程式成立,
4維空間是不夠的,還必須再給宇宙加6個維。這個大談特談看不見同類宇宙和10維空間的理論,提出太多無法證實的觀點。在形式主義不斷培養出來的新一代網
絡暴力者中,批評的邏輯大體有兩點,一是指責它為玄學,不能實際觀察;二是指責它的數學運用有問題,說這個純屬瞎猜出來的理論雖被吹捧,但弦論卻什麼也沒
有提出來。
邏輯類似空氣,地球上凡是有重力的地方都充滿空氣,而擠盡腦汁的各種各樣的邏輯也要在人群中充滿。從這個角度上說,我們並不反對形式主義的物質第一性原
則。但各國的「文以載道」裝備的是「絞殺精英的機制」;深奧之處究竟在哪?也許在物質第一性原則看來,邏輯來源於物質所說的還是沒跳出事物之間存在的聯
繫,才是可相互作用的「手掌」。這是一種「玄學」;「玄學」並不等於「物質」。就類似「貨幣」、「金錢」,並不等於「商品」、「貨物」。統一「貨物」和
「貨幣」的學科稱為「經濟學」,由此有「商品經濟」和「市場經濟」的細分。市場交易雖然「實體」是貨物、商品,但它更為流通的是貨幣、金錢;即使貨幣、金
錢有真有假、有多有少,但也有一個常用的規則:「當面看清,過後不認」。然而有人追過來說:「不行,你給的錢,不是貨物!」用形式主義的話說,你給的是
「玄學」,不是第一性的「物質」。
我們寫這段「題外話」,是因為聯繫弦論,有人說,20世紀的現代物理之所以走入困境,就是因為理論物理學家離開「物質」本身,不知道自己該幹什麼,才跑去
研究數學。還有人很看重《 參考消息
》2006年10月14日發表的《弦論遭遇空前危機》說的:這個原來備受推崇的新潮理論是「偽理論」,建議科學界「不應再理會這個浪費了大量世界頂尖人才學術生命的理論」。這裡的「大量世界頂尖人才」,應該說是「精英」,這裡形式主義科學呼籲出手的是「絞殺精英的機制」——反對研究弦論。吃透洪堡基金會把
高達200萬美元的獎金授予史密斯而不是弗洛裡迪的「精髓」,這就是史密斯的「形式本體論」比弗洛裡迪的「知識本體」、「信息哲學」更具有實戰能力。獲自
然科學諾貝爾獎也才100萬美元的獎金,而且這些科學成果比史密斯的抽像的「形式本體論」更具有實用價值,為什麼史密斯要高達200萬美元,這就是史密斯
抽像的「形式本體論」更具有保護所有自然科學諾貝爾獎科學成果的價值。不是有人說,多次被授予諾貝爾物理學獎的「夸克理論」是假的;2006年被授予諾貝
爾物理學獎的馬瑟和斯穆特,他們團隊的「精確研究」成果---精確測量出宇宙微波背景輻射之波長分佈的黑體譜,發現宇宙微波背景輻射在不同方向上有著極其
微小的溫度差異,而支持的有關宇宙起源的大爆炸理論是假的;以至不是第一性「物質」的諸如牛頓力學、電磁場理論、狹義相對論與廣義相對論、規範場論、非平
衡熱力學、微積分學、微分幾何、拓撲基礎、集合論基礎、公理化基礎等相當廣闊的現代自然科學知識都錯了嗎?現代自然科學的數理形式本體論方法遭到科學共同
體內外的空前襲擊,形式主義科學中的老一輩科學家雖有人覺醒了,但大量的網絡暴力表明新一代的又在形式主義科學中不斷培養出來。我國《參考消息》發表的
《弦論遭遇空前危機》和英國《觀察家報》發表的《弦論走到科學盡頭了嗎?》,就是正面暴光報導這種空前的危機。
類似「商品經濟」,和「市場經濟」的形式雖是相同,但意思仍有差異,即它的貨幣、金錢流通味要比市場經濟的字面稍微欠缺一些---既然稱商品經濟,貨
物、商品的物質及貨物、商品的生產味要相對濃一些。這種形式本體的區別,在我們黨內還聯繫到姓「資」和姓「社」的區別,而進行過長期的複雜的生死鬥爭,市
場經濟一概被認為是姓「資」的,即使改革開放後有所鬆動,也直到上世紀九十年代初才完全肯定了社會主義市場經濟概念的地位。與此聯繫,弗洛裡迪的「知識本
體」類似「商品經濟」;史密斯的「形式本體論」類似「市場經濟」。史密斯的實戰性質,雖由弗洛裡迪用「知識本體」、「信息哲學」給予瞭解讀,「知識本體」
或「本體論」,並不就等價於「形式本體論」---形式本體論有更多的數理形式本體論的意味。
1、對科學命題權的質疑
我們先來說玄學的命題權。弦論顧名思義類似一維的直線,直線橫向運動就成了平面,平麵類似膜,所以一般稱零維的弦是點,一維的弦是線,二維的弦是膜。膜即
流形---是一類可微分的函數空間。把弦論與D膜和反D膜聯繫,也就是要歸類到這種數學的微分流形方法上去。德國數學家、力學家狄利克雷
(1805~1859)對橢球體產生的引力、球在不可壓縮流體中的運動、由太陽系穩定性導出的一般穩定性等數學,及1850年發表有關位勢理論,論及著名
的第一邊界值問題的現稱狄利克雷問題等有貢獻。Dp膜的英文名Dp brane
,是弦論要談到的一類空間,p為維數,D為狄利克雷,D膜是絃線所「固定」的流形或空間,黏附其上的弦坐標滿足垂直膜的狄利克雷邊界條件;這是絃線兩端都
要連接的流形空間。屬於只有單端在流形上的,是切於膜方向的諾伊曼邊界條件約束。
批評弦論為玄學者說,科學事實是由金錢、權力、談判、妥協、約定等一系列因素所組成的複雜社會網絡所構造成的,因此他們能清醒地認識人類的認識能力的有限
性,能隨時提醒人們保持謙遜而開放的心態:對任何一種學說既不輕易否定,也不輕易肯定。因為許多假說將會長期處於既未被認可又未被排斥的狀態,直到出現了
能改變多數學者觀點的事件;形式主義的舊假說即使已被多數學者否定,也未必不會在新的證據下以新的形態復活,反之亦然。但聯繫新假說的弦論,一般認為即使
D膜是代表正物質粒子的空間,反D膜一般對應反粒子,這一般的理解也都是「玄」數學了。如果物質參與幾何,再用為了符合愛因斯坦的廣義相對論所提出的表示
空間彎曲尺度的張量、度規等一套方法,這裡的「彎曲」就更根本不是地球旋轉的曲線運動。
批評者說,由於數學分析作為理論物理的工具,實質上可能偏離實際的物理世界;類似貨幣不是貨物,弦論類似貨幣,弦論要人們相信的「貨幣既不是貨物,貨物又
是貨幣」的思維方式,是要人們如果不以這種「模棱兩可」的態度認識「物質」,就無法進一步理解自然世界。這顯然是一種不可能得到認識世界的方法,而是有很
大程度其思維方向是帶理性化。批評者說,貨幣與貨物雖然都是自然世界的實物體,也是自然信息,它們的關係不是沒有聯繫---交易;只是貨幣又是類似信息,
貨物是類似物質;信息貨幣是交換信息,物質信息是結構信息,但類似姓「資」和姓「社」的區別是不能含糊其詞的。批評者說,說D膜就已經很虛了,再說反D膜
就更虛,即使不想提它的玄學的思維方式,也因為反D膜可能預示著我們根本就無法認識的東西,在方法論上也存在問題。批評者這種理解,就類似要堅持姓「社」
不姓「資」;在他們的這種「文以載道」看來,「模棱兩可」的粒子量子狀態可能都是對客觀世界沒有堅定信念所造成的結果;形式主義的物質第一性如果是「玄
學」,那麼他們深知,「反玄學」可能還保持著數理形式本體論的原始本性的無知,不懂得形式主義的「絞殺精英的機制」的道理。
2、弦模型是數學運用「混亂」的缺失嗎?
由於牛頓與萊布尼茲共同發明了微分學,在牛頓力學中,速度是距離對時間的一次微商,加速度是距離對時間的二次微商,力是動量對時間的一次微商,或者說力是
路程對時間的二次微商與質量的乘積。所有這些定義包括引力定義都可用微分方程描述,所以在宏觀世界裡是牛頓物理學一統天下。至於微觀基本粒子物理學,到目
前為止,也可以說仍然是牛頓物理學一統天下。有人反問:按形式主義的物質第一性原則,微分和積分是物質嗎?「加速度」是物質嗎?「力」是物質嗎?牛頓等西
方人憑藉他們毫無嚴密邏輯支撐的「直覺頓悟」而杜撰出來的許多命題,幾乎都隱含只是淵源於「小智慧」的太多隨意性。為什麼要跟著這樣一些西方人自己也從來
沒有真正弄懂,卻被過分複雜化了的簡單思維走呢?基元概念尚未澄清,任何討論無非是徒勞和耗費精力的。所以形式主義的科學需要把自牛頓開始以來的一系列問
題羅列出來,進行逐一梳理。
有一位持部分梳理者說,聯繫弦模型,如果將宏觀物質的一段絃線無限分割,當分割到一定尺度時,它就可能具有波的性質,或進行波的傳遞,這可能就是德布羅意
波的起因。因為實際觀察發現微觀粒子呈現波動性。再聯繫弦模型,由日常的琴弦發音的普遍規律,自然可以聯想到微觀粒子可能用一條弦來描述。持完全梳理者
說,牛頓力學式的微商實際上相當簡單,且顯然是有限論域的「自由杜撰」。例如弦模型為了和量子力學合拍,不得不假定這條弦的靜質量為零;但由於一切宏觀粒
子都具有質量,弦模型的締造者就借用了靜止質量為零的光子,以光速運動而具有隨頻率而變的質量之法寶,說這條弦經常以其帶以光速運動的端點繞其質心轉動。
這條弦有不變的張力,相當於勢能與距離成正比,因此如果靜止不動就會因收縮而至消失,只有當弦的端點以光速運動時,以致這條弦有伸張的趨勢,才可使離心力
和張力達到平衡,由此計算出弦的總能量平方與它的角動量成比例。這樣就可將弦的總能量定義為對應介子的質量。由此可以清楚地看到,其他的計算是多餘的,這
個結論能非常正確地說明由實驗總結的事實,那就是對於內部自由度相同的介子,它們的質量平方和它的角動量有直線關係。這種關係通常稱為Regge軌跡。從
上面的敘述中,你那能看出什麼新意?
批評者說,微觀粒子的粒子性幾乎完全服從牛頓力學式的簡單、有限的「自由杜撰」,就連電子運行軌道的計算也不例外:質量、電荷、自旋、動量、能量、速度等
物理量在經典物理學裡都有相應的類比;至於宇稱、同位旋、奇異數、輕子數、重子數等量子數看來似乎是微觀粒子物理學的專有名詞,其實這些量子數確定的計算
都是用牛頓物理學的計算方法求得的。無論微分方程、積分方程、矩陣、群論、數論、突變理論、Z變換、耗散結構、熱力學計算等等,凡是要計算的凡乎都離不開
牛頓等背離形式主義的物質第一性原則的微分和積分;微觀粒子的波動性中波的各種性質的計算,無論散射、衍射或輻射—就是波函數計算,各種算子理論的展開,
波函數的各種全釋計算,那一樣都離不開微積分。
根據這種邏輯,現代基本粒子物理學中的一切不成功之處都是牛頓等背離形式主義的物質第一性的不足之處:牛頓三定律、萬有引力定律和微積分學中,質量、時
間、空間、力只有作用結果,不談起因;牛頓力學中質量是點質量,閉口不談質量所佔的時間和空間,牛頓力學中的力F是作用在點質量上的力,其作用結果是使點
質量M的物體在力的方向上產生加速度a,數學描述為F=Ma。其中a中隱含時間和空間,包括空間對時間的變化率。隱含的時間與質點的壽命無關,至於這個質
量的物體具有什麼形狀,佔有多大空間等,從牛頓物理學中是找不到答案的。物體的線度在所研究的問題中不起作用,起作用的是背離形式主義的物質第一性的相互
作用力之間的線度。
批評者說,弦論強行把牛頓等背離形式主義的物質第一性用到微觀高速運動的物質上,這就更玄虛得超越了極限,特別是點質量的極限,也就是與形式主義的物質第
一性的線度有關的極限。微觀世界裡,物體的線度與相互作用力的距離線度相差無幾,甚至有時物體本身的線度還大於相互作用力的距離線度,這樣一來,物體的結
構、質量、形狀、運動、體積、電荷、壽命,物體與物體之間的距離線度、空間、「虛空」、實在等等都絞合在一塊,無論從數學形式體系,及對其本身物理學的詮
釋及哲學詮釋,牛頓等背離形式主義的物質第一性的力學,都顯得力不從心。然而聰明的牛頓,在牛頓力學裡可避而不談,可弦模型在微觀高速運動的處境中就非談
不可。這種由線度關係引起的不適應,出現的「空洞」或「盲區」,使20世紀的現代物理學家一頭栽進了這種空洞,於是乎物理學的自洽性、協調性、完備性、哲
理性、邏輯性、可測性、不可測性、實在性、虛空性等等,一古腦兒壓了過來,把個原還算好的背離形式主義的物質第一性的牛頓物理學,更搞得物質不物質,空間
不空間,時間不時間,定域不定域,波不波,粒不粒,群不群,運不運,動不動,進不進,退不退,方不方,圓不圓,靜不靜,質不質,量不量,力不力,色不色,
虛不虛,空不空,對不對,錯不錯,有不有,無不無,是不是,非不非,道不道,名不名,變不變,易不易,因不因,果不果,知不知,人不人,鬼不鬼,神不神
的,概念不清;類似弦論的物理學,「混亂」幾乎達到了極限。當這麼多物理學家分成很多團隊,如果一個實驗物理學家團隊做(炒)出了一個「與眾不同」的實驗
結果,得到了一個新數據,其他團隊就一窩蜂似地重複著;當這種實驗結果被證明無誤後,理論物理學團隊就擠了進來。理論物理學團隊夥同實驗物理學團隊,當然
還少不了編外隊的雜牌軍,還少不了哲學團隊,他們絞盡腦汁,費盡心血,搜盡枯腸去尋找對背離形式主義的物質第一性的這個新數據的解釋或詮釋。熱鬧非凡;又
一個「吵」和「抄」的「混亂」極限隨之出現。
3、《觀察家報》與《參考消息》報導的區別
情況是批評者說的那樣嗎?我們不想為玄學辯護,也不想解說為什麼貨幣能買東西?金融流通為什麼能成為一個獨立於貨物的系統?我們只想說,如果把現代自然科
學知識比作貨幣、金融,貨幣雖有真與假、通用與不通用、現時與過期,但貨幣、金融的數理形式本體論的物質第一性的客觀存在,你不能說不用它就不能用。弦論
作為一種「貨幣」,應該對它有基本估計。英國是弦論的主創國之一,英國《觀察家報》的文章題為《弦論走到科學盡頭了嗎?》或可翻譯為《弦論能否為人類解決
宇宙之謎?》,其文章的「精髓」是雙刃劍,即其一是說弦論沒有走到科學的盡頭,或弦論不能全部解決宇宙之謎——這話說了等於沒有說。類似說現在的貨幣英
鎊,到一萬年後不會還用現在的貨幣英鎊,這是自然的事情,所以鼓勵英國科學家還要想到弦論以後的理論;其二是給置疑國以陷阱,給本國以警惕。例如丘成桐先
生說,我國的弦論研究隊伍還趕不上亞洲的韓國、印度和日本;從網上看,我國反對者之多,也證實類似置疑大國。所以我國《參考消息》的編輯部,這種人也許成
比例也多,因此自投英國的陷阱,節選成題為《弦論遭遇空前危機》,標題就幫助英國的陷阱誤導我國群眾,以為弦論真的遭遇了空前的危機;雖然《參考消息》也
節選了「指責遭到弦論研究者的憤怒回擊」的話,但不足以起到英國《觀察家報》原文的平衡作用。
我們不是說弦論不可批評,我們的環量子、曲點、三旋、點內空間等探索,也不完全贊同弦論,但我們的基本估計是,理論物理學20世紀上半葉的相對論、量子力
學,下半葉的大爆炸宇宙論、弦論,它們是在批評的長期競選中凸顯出來的;作為元物理學標準模型的分水鄰地位,類似強國的「貨幣」至少在21世紀上半葉是不
可能改變的。元物理學的標準模型是人類大家庭的共同科學財富,這類大樹不在乎最先栽在哪國,而在於後來的枝蔓能發展到哪國。例如,前蘇聯時代的年輕氣象學
家弗裡德曼在廣義相對論發表後,批評愛因斯坦的方程解得不好,而獨立求出了廣義相對論方程中的一個不同的膨脹解,成為大爆炸宇宙論的先聲;後來大爆炸宇宙論在美國得到發展成為暴脹宇宙論。
又如追隨愛因斯坦的廣義相對論方程式,1919年德國的數學家卡路扎和1926年瑞典的物理學家克林提出的將引力和電磁力統一起來的五維卡路扎-克林模
型,第五維度因緊致化而隱藏不見,這可比擬為一根水龍軟管,軟管由片狀的二維物質製成,在第三維度中捲繞成圓形;但它從遠處看來卻像一根一維的線,時空中
的每個點可以描述成由捲繞起來的五維時空中的螺環所構成,因而看起來像是四維的,其條件是『捲繞』的尺度應遠小於一個原子核,成為弦論的先聲。1968年
在以色列魏斯曼科學研究院的意大利的物理學家維尼奇亞諾,試圖用數學式來表示強作用力的瑞吉軌道時,發現十九世紀的數學家尤拉所完成的尤拉貝他函數,幾乎
符合所有基本粒子強交互作用所需要的特徵,而使弦論正式誕生。一年後,在芝加哥大學的南部和日本大學的後藤為首的物理學家注意到,根據這個方程式,粒子可
視為具有某特定的空間延伸量——也就是可以為一段線段,或一段弦。再到1981年和1984年英國科學家格林和施瓦茲提出超弦理論,把強子尺度的弦發展為
普朗克尺度的弦,把開弦發展為還有閉弦。可見弦論這棵樹最初的路線圖是德國---瑞典---以色列-意大利---美國-日本---英國,也說明創新不一定
要另起爐灶。
4、弦論小資料
為什麼需要超弦?因為儘管標準模型在描述可用現代粒子加速器加以實驗驗證的大多數事實時非常成功,但這個標準模型在回答宇宙的根本性質是什麼時,卻留下了
許多有待解決的問題。然而企圖尋求關於宇宙統一描述的弦論,類似針尖上的科學,正面解說弦模型者的圖像越描越大,類似宏觀圖像,讓稍有正常思維能力的人,
也覺得類似痴人說夢,越說越玄,例如:
A、撲素的弦模型為說明強子結構,在費曼圖中,重子的結構有重子內三個夸克可能由三條弦結合成三角形,或結合成弦形,一端有一個夸克,而另一端有兩
個夸克;或者結合成弦形,每端有一個夸克,中間有另一個夸克。弦的斷裂或連接,表示弦間的相互作用,當弦的張力趨於無窮大時,弦理論即過渡到通常的粒子理
論。其次,把先合而後分,稱為樹級別下的相互作用,如將兩種基本的封閉弦的相互作用膠合成一種作為中間狀態的封閉弦,而這個中間狀態的封閉弦又重新分裂成
兩種封閉弦。另外,弦模型為了和規範場聯上,也用心良苦!弦模型在說明由三個夸克構成的重子結構時,不能把重子的三個夸克用單一弦連繫起來,為了說明重子
的結構還必須賦以弦更複雜的性能,如設想存在兩種不同的弦,其中一種弦攜帶顏色的同位旋(稱為弦I,以實線表示),另一種弦攜帶顏色的超荷(稱為弦II,
以慮線表示)。不同顏色的夸克可以吸收或放出不同的弦,如可以設想:藍色夸克是弦I的負極,而同時是弦II的正極;也就是藍色夸克吸收弦I而放出弦II。
紅色夸克是兩種弦的正極;也就是紅色夸克放出兩種弦。綠色夸克是弦II的負極,也就是綠色夸克吸收兩條弦II。反夸克則與相應的夸克的吸收或放出相反。
B、弦論也不光只是關於弦的理論。弦因服從各類邊界條件,如封閉弦服從週期性邊界條件(封閉弦回歸自己),開放弦可服從兩類邊界條件:一類叫做諾伊曼邊界
條件,另一類則叫狄利克雷邊界條件。在諾伊曼邊界條件下,弦的端點可自由運動,不過這種自由運動的前提是沒有動量流出邊界。在狄利克雷邊界條件下,弦的端
點只允許固定在某種拓撲流形上運動。這種拓撲流形就叫做D-膜或Dp-膜,可以看到開放弦的兩端或一端被固定在2維D-膜或D2-膜上。D-膜的維數範圍
小至-1,大至具有9維空間維度和1維時間維度的10維時空,所以D9-膜具備D-膜的維數上限。在D-膜為D9-膜的情形下,弦的端點被固定在充滿全部
空間的拓撲流形上運動,所以弦的端點實際上可以自由移動到任何地方。這時所謂的狄利克雷邊界條件實際上就變成了諾伊曼邊界條件。當p= -1,
所有的時空坐標全被固定,這種D-膜叫做瞬間子或D-瞬間子。當p=
0,所有的空間坐標全被固定,於是弦的唯一端點必然被固定在空間某一點,這種D0-膜又被稱作D-粒子。類似地,D1-膜又叫D-弦。D-膜實際上是動態
客體,可有漲落,也可到處運動。
C、當兩種理論描述的是同一物理圖景時,稱這兩種理論具有對偶性。弦論的對偶性是五種弦論,可通過各種對偶性相互聯繫著。弦論的第一種對偶性叫做T-對偶
性,這是把緊致空間的半徑為R的理論與緊致空間的半徑為1/R的理論聯繫起來。當在一種理論的物理圖景中有一維度被捲縮成小圓時,在另外一種理論的物理圖
景中則有某一維度位於半徑很大的圓上。弦論的另一種對偶性叫S-對偶性,這是將一種理論的強耦合極限同另一種理論的弱耦合極限聯繫起來的對偶性,比如I型
弦論的
D-弦態在弱耦合時較重(具有較大的質量),而在強耦合時較輕。1995年物理學家兼數學家威藤提出一種新理論叫做「M-理論」,揭示出通過一串對偶性能
把所有弦論聯繫起來,這就是所有的弦論都是同一種根本理論的不同描