Brian Greene 訪談錄

《科學》：弦論的未來
——物理學家、《優雅的宇宙》作者布賴恩·格林（Brian Greene）訪談錄

http://www.sciencehuman.com 科學人 網站 2004-07-20

　 過去一談到弦論，人們就感到頭暈腦脹，就算是弦論專家也煩惱不已；而其他物理學家則在一旁嘲笑它不能做出實驗預測；普通人更是對它一無所知。科學家難以同外界說明為什麼弦論如此刺激：為什麼它有可能實現愛因斯坦對大統一理論的夢想，為什麼它有助於我們深入了解“宇宙為何存在”這樣深奧的問題。然而從 1990年代中期開始，理論開始在觀念上統合在一起，而且出現了一些可檢驗但還不夠精確的預測。外界對弦論的關注也隨之升溫。今年7月，伍迪·艾倫在《紐約人》雜志的專欄上以嘲弄弦論為題材——也許這是第一次有人用“卡拉比-丘”空間理論來談論辦公室戀情。

談到弦論的普及，恐怕沒有人能比得上布賴恩·格林。他是哥倫比亞大學的物理學教授，也是弦論研究的一員大將。

他於1999年出版的《優雅的宇宙》（The Elegant Universe）一書在《紐約時報》的暢銷書排行榜上名列第四，並入圍了普利策獎的最終評選。格林是美國公共電視網Nova系列專輯的主持人，而他近期剛剛完成了一本關於空間和時間本質的書。《科學美國人》的編輯George Musser最近和格林邊吃細弦般的意大利面邊聊弦論，以下是這次“餐訪”的紀要。

SA：有時我們的讀者在聽到“弦論”或“宇宙論”時，他們會兩手一攤說：“我永遠也搞不懂它。”

格林：我的確知道，人們在一開始談到弦論或者宇宙論時會感到相當的吃力。我和許多人聊過，但我發現他們對於這些概念的基本興趣是那麼的廣泛和深刻，因此，比起其他更容易的題材，人們願意在這方面多花點心思。

SA： 我注意到在《優雅的宇宙》一書中，你在很多地方是先扼要介紹物理概念，然後才開始詳細論述。

實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力。

格林：我發現這個法子很管用，尤其是對於那些比較難懂的章節。這樣一來讀者就可以選擇了：如果你只需要簡要的說明，這就夠了，你可以跳過底下比較難的部分；如果你不滿足，你可以繼續讀下去。我喜歡用多種方式來說明問題，因為我認為，當你遇到抽像的概念時，你需要更多的方式來了解它們。從科學觀點來看，如果你死守一條路不放，那麼你在研究上的突破能力就會受到影響。我就是這樣理解突破性的：大家都從這個方向看問題，而你卻從後面看過去。不同的思路往往可以發現全新的東西。

SA： 能不能給我們提供一些這種“走後門”的例子？

格林： 嗯，最好的例子也許是維頓（Edward Witten）的突破。維頓只是走上山頂往下看，他看到了其他人看不到的那些關聯，因而把此前人們認為完全不同的五種弦論統一起來。其實那些東西都是現存的，他只不過是換了一個視角，就“砰”地一下把它們全裝進去了。這就是天才。對我而言，這意味著一個基本的發現。從某種意義上說，是宇宙在引導我們走向真理，因為正是這些真理在支配著我們所看到的一切。如果我們受控於我們所看到的東西，那麼我們就被引導到同一個方向。因此，實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力，無論是真的洞察力還是數學上的洞察力，看是否能夠將東西以不同的方式結合起來。

SA： 如果沒有天才，你認為我們會有這些發現嗎？

格林：嗯，這很難說。就弦論而言，我認為會的，因為裡面的謎正在一點一點地變得清晰起來。也許會晚5年或10年，但我認為這些結果還是會出現。不過對於廣義相對論，我就不知道了。廣義相對論實在是一個大飛躍，是重新思考空間、時間和引力的裡程碑。假如沒有愛因斯坦，我還真不知道它會在什麼時候以什麼主式出現。

SA：在弦論研究中，你認為是否存在類似的大飛躍？

格林：我覺得我們還在等待這樣一種大飛躍的出現。弦論是由許多小點子彙集而成的，許多人都做出了貢獻，這樣才慢慢連結成宏大的理論結構。但是，高居這個大廈頂端的究竟是怎麼樣的概念？我們現在還不得而知。一旦有一天我們真的搞清楚了，我相信它將成為閃耀的燈塔，將照亮整個結構，而且還將解答那些尚未解決的關鍵問題。

相對論是對時間和空間重新思考的裡程碑，我們正在等待另一次這樣的飛躍。

SA：讓我們來談談環量子理論與其他一些理論。你總是說弦論是唯一的量子引力論，你現在還這麼認為嗎？

格林：呃，我認為弦論是目前最有趣的理論。平心而論，近來環量子引力陣營取得了重大的進展。但我還是覺得存在很多非常基本的問題沒有得到解答，或者說答案還不能令我滿意。但它的確是個可能成功的理論，有那麼多極有天賦的人從事這項研究，這是很好的事。我希望，終究我們是在發展同一套理論，只是所采用的角度不同而已，這也是施莫林（Lee Smolin）所鼓吹的。在通往量子力學的路上，我們走我們的，他們走他們的，兩條路完全有可能在某個地方相會。因為事實證明，很多他們所長正是我們所短，而我們所長正是他們所短。弦論的一個弱點是所謂的背景依賴（background-dependent）。我們必須假定一個弦賴以運動的時空。也許人們希望從真正的量子引力論的基本方程中能導出這樣一個時空。他們（環量子引力研究者）的理論中的確有一種“背景獨立”的數學結構，從中可以自然地推導出時空的存在。從另一方面講，我們（弦論研究者）可以在大尺度的結構上，直接和愛因斯坦廣義相對論連接起來。我們可以從方程式看到這一點，而他們要和普通的引力相連接就很困難。這樣很自然地，我們希望把兩邊的長處結合起來。

SA：在這方面有什麼進展嗎？

格林：很緩慢。很少有人同時精通兩邊的理論。兩個體系都太龐大，就算你單在你的理論上花一輩子時間，竭盡你的每一分每一秒，也仍然無法知道這個體系的所有進展。但是現在已經有不少人在沿著這個方向走，思考著這方面的問題，相互間的討論也已經開始。

SA：如果真的存在這種“背景依賴”，那麼要如何才能真正深刻地理解時間和空間呢？

格林：嗯，我們可以逐步解決這個難題。比如說，雖然我們還不能脫離背景依賴，我們還是發現了鏡像對稱性這樣的性質，也說是說兩種時空可以有相同的一套物理定律。我們還發現了時空的拓撲變化：空間以傳統上不可置信的方式演化。我們還發現微觀世界中起決定作用的可能是非對易幾何，在那裡坐標不再是實數，坐標之間的乘積取決於乘操作的順序。這就是說，我們可以獲得許多關於空間的暗示。你會隱約在這時看見一點，那裡又看見一點，還有它們底下到底是怎麼一回事。但是我認為，如果沒有“背景獨立”的數學結構，將很難把這些點點滴滴湊成一個整體。

置身於弦宇宙，時空可能像這樣：另有6維卷曲在所謂的“卡拉比-丘空間”內。

SA：鏡像對稱性真是太深奧了，它居然把時空幾何學和物理定律隔離開來，可過去我們一直認為這二者的聯系就是愛因斯坦說的那樣。

格林：你說的沒錯。但是我們並沒有把二者完全分割開來。鏡像對稱只是告訴你遺漏了事情的另一半。幾何學和物理定律是緊密相連的，但它就像是一副對折開的地圖。我們不應該使用物理定律和幾何學這個說法。真正的應該是物理定律與幾何-幾何，至於你願意使用哪一種幾何是你自己的事情。有時候使用某一種幾何能讓你看到更多深入的東西。這裡我們又一次看到，可以用不同的方式來看同一個物理系統：兩套幾何學對應同一套物理定律。對於某些物理和幾何系統來說，人們已經發現只使用一種幾何學無法回答很多數學上的問題。在引入鏡像對稱之後，我們突然發現，那些深奧無比的問題一下子變得很簡單了。

理論上可以導出許多不同的宇宙，其中我們的宇宙似乎是唯一適合我們生存的。

SA：弦論以及一般的現代物理學，似乎逼近一個非如此不可的邏輯結構；理論如此發展是因為再無他路可走。一方面，這與“人擇”的方向相反；但是另一方面，理論還是有彈性引導你到“人擇”的方向。

格林：這種彈性是否存在還不好說。它可能是我們缺乏全面理解而人為造成的假像。不過以我目前所了解的來推斷，弦論確實可以導出許多不同的宇宙。我們的宇宙可能只是其中之一，而且不見得有多麼特殊。因此，你說得沒錯，這與追求一個絕對的、沒有商量余地的目標是有矛盾的。

置身於弦宇宙，時空可能像這樣：另有6維卷曲在所謂的“卡拉比-丘空間”內。

SA：如果有研究生還在摸索，你如何在方向上引導他們？

格林：嗯，我想大的問題就是我們剛才談到的那些。我們是否能窮究時間和空間的來源？我們能否搞清楚弦論或M理論的基本思想？我們能否證明這個基本思想能導出一個獨特的理論？這個獨特理論的獨特解，也就是我們所知的這個世界？有沒有可能借助天文觀測或加速器實驗來驗證這些思想？ 甚至，我們能不能回過頭來，了解為什麼量子力學必然是我們所知世界不可或缺的一部分？任何可能成功的理論在其深層都得依賴一些東西：比如時間、空間、量子力學等，這其中有哪些是真正關鍵的，有哪些是可以省略掉仍能導出與我們世界相類似的結果？

物理學是否有可能走另一條路，雖然面貌完全不同，但卻能夠解釋所有的實驗？我不知道，但是我覺得這是個很有意思的問題。從數據和數學邏輯出發，有多少我們認為基本的東西是唯一可能的結論？又有多少可以有其他可能性，而我們不過是恰恰發現了其中之一而已？在別的星球上的生物會不會有與我們完全不同的物理定律，而那裡的物理學與我們一樣成功？(人民)