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彭罗斯的新物理狂想曲 精选

已有 3668 次阅读 2021-4-5 21:55 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦


彭老的“新书”到了——偏何姗姗其来迟?原书5年前出版的,译本被我拖了几年,终于拖到作者获奖了。前几天大概说了彭老与霍老的物理观的不同,从这本书能更清楚地看到他为什么和怎么与众不同。

本书源自200310月在普林斯顿大学的三个演讲,标题也没改:Fashion, Faith, and Fantasy in the New Physics of the Universe3F略染广告味儿,但科学何尝不是3F的“三位一体”呢!我找不出三个有同等形音义效果的中文名词,就借彭老自嘲用过的crazy另起了中译本书名“新物理狂想曲”。有趣的是,若将“狂想曲”还原回英文(Rhapsody),其内涵恰好可以概括本书的内容和精神:An exalted or exaggeratedly enthusiastic expression of sentiment or feeling; an effusion (e.g. a speech, letter, poem) marked by extravagance of idea and expression, but without connected thought or sound argument (牛津词典)。这勉强为译名找了件西式小马褂。彭老在书中总结了他几十年来的物理思考,批判了当下的物理学流行病。多看几本他的书,可以看到有些观点已反复讲过;他之所以重复,是因为大多数“功成名就”(resident distinguished)的专家并不关心他的问题。大约自1970年代以来,他的“思线”一直串着几个亮眼的概念:Weyl曲率、共形、奇点、热力学第二定律,它们现在织成了一幅奇异的宇宙图景CCC(“共形循环宇宙学”)(彭老有时将其中一个C自嘲为Crazy)……CCC形成的路线就是彭老的物理路线,也就是从基础概念到物理图景的路线。(华为任总在一个访谈中说退休后想学数学,研究热力学第二定律,然后研究宇宙的起源,俨然就是彭老走过的路。)

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彭老从时尚的弦论开头,沿着双缝实验-量子叠加-无穷大-弦(世界面)的路线,揪出高维的辫子,引出一堆函数自由度问题,然后跑到相对论的时间维(零锥),推出规范联络和纤维丛来当主角。彭老在数学上一向慷慨,不像霍金怕公式吓跑读者削减销量。但他并不过分追求“数学美”(尽管开篇就说“数学美的驱动”),倒认为美学判断太模糊且诱人走歧路。他“更明白地说,数学纲领其实已经在大自然的运行中发生作用了。这种数学的简单性(或简洁性或随你怎么形容它)是自然行为方式的真实部分,而不是我们的头脑习惯被数学美所感染。”这种“自然数学”观令他不必预设、纠结或追认什么美,而能以数学的头脑去关心物理的运行。

彭老本来对弦论有兴趣,听说多维后就感觉不对了,这大概也是一种数学美的判断。他批弦论不像Smolin Lee在《物理学的困惑》中那样玩儿技术(如弦论的有限性、背景的无关性等),而是盯着它的时空概念。他拿原始的卡鲁扎-克莱因的五维论和外尔的规范理论来比较,说明那第五维可以“融化”在具有纤维丛对称的时空里。而弦论的多维却竟真的化身出来招摇过市并决定粒子和动力学参数——这是不能容忍的从潘多拉盒子里跑出来的“恶自由度”。他发现“从弦论观点生出的许多明显的几何和物理问题,从来就没有恰当地讨论过”(1.9节)。传言诺奖得主David Gross说过,即使拿出弦论有限性的数学证明,他也不会去看。(彭老问过他,他没否认。)在霍金60岁的生日会上,彭老曾报告过额外空间维是不稳定的,当时Leonard Susskind就说他“迷失了方向”。现在,彭老更不喜欢弦论了,因为这个自诩为最终唯一归宿的理论(“万物之理”嘛),竟然冒出无限多的景观沼泽出来,“只得被驱赶着去向人存论证寻求庇护”,“理论到了这一步,真是悲哀。”(3.10节)

彭老拿量子论来说物理学的信仰的影响。他特别关心量子态的叠加、纠缠和测量(“态还原”)。他用Hilbert空间来讲波函数,通过自旋将量子态与Riemann球面的点联系起来(其他作者是不会这么写的)。他还讨论了量子的大小世界以及量子论与相对论的融合。最后他警告大家,不能把信仰寄托在量子形式,而应该从那信仰的势阱里解脱出来。他为量子态赋予了客观实在性(哥本哈根诠释不奢望这一点),从而凸显幺正演化与态还原的矛盾。他认为这两样线性元素在引力起作用时都将沦为一个更大理论的近似。彭老不相信量子引力就是将相对论拥入量子论的怀抱;时下的量子引力拿不出一个能“以大自然本来的方式融合广义相对论与量子力学”的理论。“可以理直气壮地说,量子引力真不是我们应该追寻的东西!”(1.12节)他说物理有两个文化,一个是弦论(及其前辈量子论)代表的文化,是计算的文化;一个是相对论的文化,是原理的文化。他的“偏见”是,对相对论原理多一些信任,而对量子论的基础多一些怀疑。他认为等效原理比线性叠加原理更为基本,因为叠加将量子论带进了宏观的困境。

至于以想象为特色的宇宙学,彭老直接说大爆炸奇点。他50多年前考虑奇点,就从一般对称性着眼,而不像苏联朋友那样具体求解方程。他的结论是,“对物理上合理的经典物质来说,在引力坍缩的局域情形,一旦出现俘获面,奇点就不可避免,与任何对称假定无关。”(3.4节)结论的这个品质,就是诺奖委员会说的“robust”。由于时间对称联系着热力学第二定律,彭老自然提出第二定律与奇点关系的问题,这是他几十年来考虑最多的问题。他认为,大爆炸是一个低熵态,而且其低熵的方式很特别,是因为引力自由度被完全压缩了——“在我看来,这也许是宇宙学最幽深的神秘”,但大多数人并没有意识到这一点。

彭老还从薛定谔方程的虚数想到量子时空几何也该是复数的,又发现爱因斯坦方程真空解背后藏着全纯(复函数的一种“美德”)结构,于是他想全纯的扭量应该是时空的最基本结构,而我们生活的时空只是“扭量全纯实在”的次生结构。简单说,扭量空间是光线的空间,时空的光线是扭量空间中的点,而时空的点在其中变成一个黎曼球。“扭量”是彭老30多年前提出的(他自己说;更早可追溯到50多年前,他第一篇“扭量代数”的论文发表于1967年)。扭量不是专门为了统一量子论与引力论,但它自然具备了那样的“潜质”。有趣的是,扭量的数学影响大,物理响应却不多。“圈量子”专家Rovelli2004年考察了上年度的量子引力论文,扭量只有一篇(近年多起来了)。彭老几十年一贯地相信他的扭量,很少有人怀有他那么潇洒的数学态度。

书后有一小节a personal coda,彭老讲父亲和哥哥的故事和对他的影响。他还辩解说他并非别人心目中的maverick。据牛津词典,Samuel A. Maverick1803–1870)是德克萨斯的牧场主,从不给自家牛羊做记号,害得小羊羔找不到羊妈妈。maverick由此引出“独立”的意思,特别是没有派系的政客的独立。彭老是物理学家中的数学家,没有自己的物理圈儿和派别,但他的思想一点儿也不“异端”,甚至比时下五花八门的弦呀圈儿呀膜呀“正统”得多。只是大家都赶时尚,他才显得特立独行,游移在主流之外(这有点儿像后半生的爱因斯坦)。我们在主流跟风的环境下读一个“非主流”思想者的独白,也是别有风味的。

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彭老在普林斯顿演讲的幻灯片







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