评《通向量子引力的三条途径》

豪尔赫·普林  撰

2002年

左   芬    译

 

20世纪见证了物理学中两次观念性的革命；它们进而导致了至今最成功的物理理论：广义相对论和量子力学。紧接着它们的诞生，奥斯卡·克莱因就提议量子力学应该被应用到广义相对论中，而关于这一主题的技术性论文则由马特维·布罗斯特、利昂·罗森菲尔德、沃尔夫冈·泡利、马库斯·菲耳兹、维尔纳·海森堡以及其他人写出。这些早期的调查已经表明在这一尝试中有些东西会变得极其失常。

 

即便是彼得·伯格曼，P·A·M·狄拉克，理查德·费曼以及布莱斯·德威特在1950年代和60年代将量子场论的现代工具应用到这一问题中，这些难处也并没有消失。自那以后，许多人都将其视为基础物理学中最突出的概念性问题之一。一些人感觉解决它将需要另一次大型革命，类似于创建相对论和量子力学本身的那些革命。但那一革命还没有发生呢！因此毫不出人意料地，这一领域的研究正在经历一种概念性的混乱，并由几个研究小组尝试对于这一难题的不同方案。李·斯莫林的《通向量子引力的三条途径》试图“从前线”提供这一状况的图景。

 

斯莫林将这一领域的研究方案分为三种。一种是弦理论。从事弦论研究的物理学家团体扎根于粒子物理，并将量子化引力的问题理解为寻求一种不同于广义相对论的引力理论，使它与量子力学的规则更好地相符，进而统一所有相互作用。弦理论通常存在于高于四的维度中，而导出四维中的结果是其面临的挑战之一。

 

作为一种方案，弦论已经获得了许多成功的结果，并被许多面向公众的书介绍过。从事弦论研究的物理学家数目众多，使其在量子引力方面成为了“多数派观点”。

 

量子引力的第二种方案被广泛地称为“量子几何”。研究这一方案的人们倾向于相信，所谓在广义相对论的量子化中存在不可解决的难题并没能说明得令人信服。相反，他们相信人们在此过程中并没有足够细致。毕竟，量子几何的理论明显具有许多独有的特征，因为它是关于时空本身的，而非生存在时空中的场的——这使得它的量子化非常难以捉摸。

 

量子几何策略的基石之一是利用精细的数学工具来理解理论的量子态空间。这一方案在阿贝·阿什提卡发现阿尔伯特·爱因斯坦理论类似于杨-米尔斯理论的一种重新表述时被首次采纳。这使得粒子物理的技术在适当推广后得以用来首次定义出量子引力的不存在发散的，数学上自洽的理论。从事量子几何研究的人们想要理解四维时空中的爱因斯坦的传统广义相对论（而非弦——或是其他什么——理论）的量子化，并认为力的统一是一个分开的问题，可以容后考虑。

 

采取这一思路的研究者数目远远小于弦论的人数，并且他们通常来自钻研经典广义相对论而非粒子物理的研究小组。

 

第三条途径由各种来自单个探索者或微型小组的近乎个人努力形成，并基于更加激进的观点。这些观点有时候意味着同时修改广义相对论和量子力学，甚至是它们的数学基础。尽管追随者寥寥无几，这些努力的发起者常常是一些备受赞誉的人物，并且他们先前的物理学贡献都是极富洞察力的。

 

斯莫林的书的独特之处在于，就我所知，从没有面向公众的书或者文章介绍过第二种和第三种方案。与此同时，斯莫林也加入了一点反省——对他本人在所有这些内容中所扮演的角色的讨论。这是很有趣的，因为尽管他是量子几何方案的主要贡献者，他一直在寻求与其他方案的关联。这本书在从历史的视角描述量子几何的发展过程时，以亲身体验的各种奇闻异事点缀其中。结果呈现出的是这一领域发展过程的一幅近距离图景。

 

这本书读起来生动活泼。它面向广泛的知识分子群体。一本像这样囊括了少数派观点的书必然会遭受批评。有些同行说它不够深入。我不敢苟同。这本书是一份报告，它不必有意推进一种新观点。斯莫林在开头就承认书的覆盖范围是主观的。有点可惜这本书没能包含近期的一些论断，它们指出量子引力的实验效应或许是可观测的。如果能获得需要解释的现象，这一领域必将从本质上发生改变。

 

对乐于跟上这一活跃的智力前沿的人们，我强烈推荐这本书。

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