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爱因斯坦的理性主义及其对弦论的影响(1)

已有 3150 次阅读 2007-8-3 13:52 |个人分类:理论物理

这个题目比较正式,因为我打算将这个系列连贯成一篇文章以应《科学文化评论》的约稿。

说到爱因斯坦和弦论的关系,人们会立刻想到统一理论。爱因斯坦的半生精力花费在追求统一理论中,他的第一篇统一场论的文章完成于1922年1月份,在时间上早于量子力学的建立,也早于玻色-爱因斯坦统计的发现。第一个试图统一引力和电磁力的理论是外尔作出的,外尔在广义协变性之外引入了共形不变性,从而将电磁势和时空度规联络结合起来,这个理论很快为爱因斯坦本人否定,但外尔成了引进规范不变性的第一人。外尔的理论出现在1918年,在广义相对论建立后不久。卡鲁查受到外尔的启发第一次将4维时空推广到高维,高维时空的对称性在4维时空看来就成了规范不变性。卡鲁查的理论同样早于爱因斯坦本人的第一个理论,发表于1921年。外尔和卡鲁查的理论都失败了,但理论的核心思想一直留存到今天,在弦论中得到了体现。爱因斯坦从1922年起直到去世前一天,都在研究统一场论,一般人已经无法统计他尝试了多少种理论,许多人认为他后半生的不懈努力是一个悲剧。

要说明一下,爱因斯坦在他的第一篇统一场论的文章中没有提出新的统一场论。他和合作者试图在卡鲁查理论的没有源的纯粹场方程中找到没有奇性的点粒子解,这样的解用今天的术语说就是孤子解。爱因斯坦的尝试是想完全统一引力和电磁力,包括电子。所以,爱因斯坦的这个尝试早于弦论中将弦和膜看成孤子解许多年。当然,他和他的合作者失败了,没有找到他们想要的电子解。

将爱因斯坦的不成功的努力看成悲剧显然是非常片面的,这种看法源于一种误解,以为爱因斯坦的后半生完全脱离了物理学的主流,完全为追求简单的数学结构所误导。爱因斯坦本人的出发点是物理的,也许在他的心目中,一个成功的统一场论将会象他的广义相对论一样,在新的理论取代旧的理论的时候,新的理论同时预言了新的物理现象。可以说,广义相对论的出现是为了解决新的相对性原理与牛顿引力理论的矛盾,而光线弯曲这样经典的新物理是很难简单地由两个旧的理论直接看出的。事实证明,即使是新的原理-等效原理,也只能解释光线弯曲的一半,另一半则由空间弯曲给出。类似地,爱因斯坦想,新的统一理论会给出一些出人意料之外的预言。从另一方面看,爱因斯坦的努力也没有脱离物理影响。在1922年,他还完成了多普勒现象在量子论中的体现的论文;1923年,他完成了一生中最后一篇实验物理文章,关于毛细管。

然而爱因斯坦的毕生信念的确是简单而优美的统一,世界上所有的物理现象都根源于一个简单的物理原理,或者一个简单的形式理论。这个信念在一段Gross经常引用的话中发挥到极致:

“自然界是由一些被强制性决定的定律所制定,在这些定律约束下,所有可能出现的常数都被固定了,一旦改变这些常数,整个理论就会被破坏。”

(原文: Nature is constituted so that it is possible to lay down such strong determined laws that within these laws only rationally completely determined constants occur, not constant therefore that could be changed without completely destroying the theory。 如果这段英文不是爱因斯坦自己说的,也应该很近似他的德文原话,因为这段话的意思很难用另一种方式更加优美地表达出来。)

这段话代表了典型的极端还原论者的看法,而Gross是弦论界中的一个极端还原论者。我本人虽然不是一个极端还原论者,但日常研究的过程是受着这样的极端信念推动的,这就规定了我的研究内容,那就是和大部分弦论者的研究内容一样,尽量避免以纯粹唯象作为出发点。可是我到底不是一个极端还原论者,所以近几年的一些工作中,包括全息暗能量,有一些唯象的参数出现。而根据Gross,象弦论这样的理论中应该没有可调常数,没有任意性。这种极端观点可能会对健康地发展弦论带来危害。

对以上信念的全面反动是最近被讨论得最多的弦景观(string landscape)和人择原理,相信弦景观的一派弦论学者以为,没有原理会对一些物理学常数作出任何约束,相反,很多物理学常数,甚至相互作用形式,都是任意的,是类似今天的温度这样受着环境决定的参数。我们这个世界中的物理学常数之所以取今天的值,是偶然的,有些与观测者出现有关。毫无疑问,如果爱因斯坦活在今天,一定会说,如果自然界真是这样的,我宁愿做一个管子工,而不来研究物理。



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