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1700944849 我花了很多年去理解那个问题的数学细节。直到我读了英国数学家马吉德(Shahn Majid,量子群的创立者之一)的早期论文,才透彻地理解了。他的工作与波兰数学家小组用的数学有着密切的联系。马吉德从几个想象的概念开始,讲我们应该如何在单一的数学结构下表达相对论和量子论的基本发现。由此他发展了量子群(这是对称性思想的革命性扩展),然后在我们所谓的非对易代数的基础上修正了相对论。他的发现是清楚表述DSR所需要的数学核心,但至少对我来说,在第一次读他复杂的论文时,并没看出这一点。
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1700944851 无论如何,若昂和我都忽略了数学,而只是一味地谈物理。2001年9月,我移居加拿大,加入新建的圆周理论物理研究所,我们的进展被迫停下来了。一个月后,若昂来到研究所,成为它的第二个访问学者。他到达的那天下午,理论终于尘埃落定了。我们在滑铁卢小区的一个叫“会饮”的咖啡馆里,坐在舒适的躺椅上工作。他还没倒过时差,而我刚从9·11事件后的纽约度周末回来,疲惫不堪。若昂讲话时,我都睡着了,醒来时发现他也在打瞌睡。我还记得他在我失去意识时说的一些话,在便笺纸上写写画画,然后又睡着了。他开始讲话时,我又醒了,又有了几分钟大家都清醒的时间。那个下午就在我们的交谈、计算和瞌睡中过去了。我不知道咖啡馆的服务员会怎么看我们。但我们在某个时刻突然想到了一个几个月都没想到的关键因子,它与位置和动量的交换有关。当我们精疲力竭时,已经发现了DSR的第二种形式,比乔万尼发展的形式简单得多。它就是专业人士现在所知的DSRII。
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1700944853 这大概就是若昂向往的东西。在我们的形式中,能量越高的光子跑得越快。于是,在极早期的宇宙,当温度很高时,光速也很高,总的说来都高于今天的光速。当我们回到更远的过去,温度接近普朗克能量,光速成为无穷大。需要更长的时间,人们才发现这引出一种与广义相对论原理也和谐一致的可变光速理论,但我们终于还是发现它了。我们借平钦(Thomas Pynchon)小说的名字,称这个理论为引力虹。98
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1700944855 “双狭义相对论”是个很笨拙的名字,但固定下来了。它的思想很优美,已经有很多人研究和讨论过。我们不知道它是否描述了自然,但我们对它有足够的认识,知道它是有可能的。
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1700944857 人们最初对DSR的反应不是欢欣鼓舞。有人说它自相矛盾,有人说它只不过是爱因斯坦狭义相对论的一种复杂写法,还有人则两方面都批判。
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1700944859 为了回答第二个批评,我们证明了那个理论做出了不同于狭义相对论的预言。参与这些讨论的关键角色是一个来自华沙的重金属音乐发烧友,名叫耶日(Jerzy Kowalski-Glikman)。(也许只有欧洲人能真正充当这两种角色。)我相信他第一个真正理解了乔万尼在说什么。我肯定是先明白了他的短小精悍的论文,才读懂了乔万尼的论文——连篇累牍,印得密密麻麻,尽是旁白和细节。耶日发现了双狭义相对论的几个重要结果,也是他清理了我们的工作与他的波兰同事们先前的数学工作之间的关系。
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1700944861 一天下午,我们几个人在多伦多我女朋友的家里展开了一场讨论,我才豁然明白了DSR,知道了它的不同方法是如何相互联系的。乔万尼、耶日、若昂和我紧紧地围坐在狭窄餐厅的小桌旁,试图深入我们分歧和误会的根底。耶日平静地主张,一样东西要有意义,就必须满足一个和谐的数学结构,对他来说,那就是他和他的波兰同事们研究过的非对易几何。若昂说,与物理学有关的任何事物都可以离开虚幻的数学来认识。乔万尼指出,如果不关心哪些数学表达对应于可以测量的东西,我们对这些理论当然可以随便乱说。有个时候——我忘了那是什么话引起的——乔万尼抓起锋利的面包刀吼道,“如果你说的是对的,我就割断我的喉咙。就现在!”
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1700944863 我们盯着他,吓得不敢说话,片刻过后,我们突然放声大笑,他也笑了。从那以后,我们才开始倾听彼此在说什么。
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1700944865 实际上,DSR有不同的形式,也有不同的预言。在某些预言中,存在一个不可逾越的能量,就像最大光速一样。在其他预言中,没有最大能量,但有最大动量。这是很不幸的,因为这削弱了理论的预言能力;但它似乎也无损于理论的和谐,所以我们还得把它留下来。
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1700944867 为了说明DSR的和谐,我们可以证明它在某个可能的宇宙中是正确的。那个可能的宇宙很像我们的宇宙,区别在于它的空间只有二维。20世纪80年代,人们发现量子引力可以精确定义在只有两个空间维的世界。我们称它为2+1量子引力,代表两个空间维和一个时间维。而且,如果没有物质,理论还可以精确求解——就是说,我们可以找到精确的数学表达来回答有关理论所描述的世界的任何问题。
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1700944869 结果发现,DSR在任何具有两个空间维、量子引力和物质的世界里都是正确的。人们确立的DSR的特殊形式是乔万尼原来发现的形式。当耶日和我回顾文献时,发现有几个人已经看到了这个二维世界与DSR有关的一些特征,但那时还没有DSR的概念。我们很兴奋,向圆周研究所的同事弗雷德尔(Laurent Freidel,从法国来的,做量子引力研究)讲了这个情况。他告诉我们,他不但已经知道,而且早就想告诉我们了。我相信那是真的。在讨论中,弗雷德尔比我更有精神,我常常听不懂他讲的东西,于是他讲得更快、更大声。不管怎样,我们还是合写了一篇文章,解释为什么DSR对二维空间的宇宙一定是正确的。99
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1700944871 后来,弗雷德尔与利维因(Etera Livine,来自法国大溪地,圆周研究所的博士后)合作,详细证明了DSR在有物质的2+1维引力理论中是如何成功的。100这些结果很重要,因为DSR有了一个可能世界的模型,也就保证了理论的和谐。
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1700944873 为了使DSR成为可靠的理论,还有一个必须解决的问题。我们说过,在许多形式的理论中,存在某个粒子所能具有的最大能量,通常被认为是普朗克能量。这不是一个实验问题,因为观测到的最大能量是在AGASA宇宙线探测器中的质子能量,大约是那个最大能量的十亿分之一。
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1700944875 不过乍看起来,这个能量限制似乎适用于任何物体:不仅电子或质子,包括狗儿、恒星和足球,都应该小于那个最大能量。这显然与自然矛盾,因为任何具有多于1019个质子的系统都有大于普朗克质量的能量。狗儿大约有1025个质子,恒星更多。这就是所谓的足球问题。
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1700944877 足球问题存在于二维世界,但没有必要去解决它,因为我们不在那个世界做实验。我们只需要知道,在那个世界里,任何物体,不论由多少粒子组成,其所有的能量都小于普朗克能量。
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1700944879 足球问题有一个自然的解决,大概在我们三维空间的世界里成立。若昂和我以前就提出过这个解。我们的观点是,物体所含的每个质子具有等于一个普朗克能量的最大能量。这样,包含大约1025个质子的足球的能量不可能高于1025个普朗克能量。那么也就不存在观测问题了。
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1700944881 我们可以看到这个解是成立的,但我们不知道它为什么一定正确。最近,利维因与圆周所的另一个博士后吉雷利(Florian Girelli,也来自法国)提出一个解释。他们发现了一种奇妙的方法来重构理论,那个解会从中自然冒出来。101既然足球问题解决了,我不知道还有什么能阻碍DSR成为我们世界的正确理论。奥格和GLAST在未来几年的观测大概也能证明它;如果不是,它至少也将被证明是错误的,这说明DS R是一个真正的科学性的理论。
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1700944883 我们现在可以回来看,假如狭义相对论失败了,对不同的量子引力理论有什么意义呢?我们已经看到,失败可能有两方面的意义,那要看实验告诉我们什么。狭义相对论可能在这个尺度上完全失败,意味着运动与静止确实存在着绝对的区别。或者,狭义相对论可以保留下来,但需要深化,如DSR。
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1700944885 弦理论在这两种改变下还成立吗?所有已知的弦理论肯定都将证明是错误的,因为它们强烈依赖于狭义相对论的成立。但会不会有某个形式的弦理论能与那两种失败之一相容呢?有几个弦理论家坚决地对我表示,即使狭义相对论会失败或需要修正,总有一天也可以构造一种能满足任何实验观测的弦理论。他们的意见可能是对的。我们说过,弦理论有许多没有观测到的场。有很多方式改变弦理论的背景,从而出现某个优越的静止状态,也就否定了运动的相对性。以这种方式大概可以构造出一种能符合实验的弦理论。
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1700944887 那么DSR呢?会有与它相容的弦理论吗?我写本书时,若昂和我是仅有的两个思考这个问题的人,我们发现的证据很复杂。我们能构造一个能满足某些一致性检验的弦理论,但我们没能发现对其他检验的明确结果。
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1700944889 因此,尽管所有已知形式的弦理论都与狭义相对论相容,尽管狭义相对论可能有问题,但弦理论家还是可以协调这样的发现。令我疑惑的是,为什么弦理论家认为这有助于他们的事业。对我来说,它更加意味着弦理论不能做出任何预言,因为它只不过是理论的集合,而其中的每一个理论都对应着众多可能背景的一个。在GLAST和奥格观测实验中,关键问题是空间和时间的对称性。在一个背景相关的理论中,这取决于背景的选择。只要理论允许,通过选择恰当的背景,就能得到需要的答案。这和预言是截然不同的事情。
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1700944891 其他量子引力方法又如何呢?有什么方法预言过狭义相对论的失败吗?在背景独立的理论中,情形大为不同,因为时空几何不再决定于背景的选择。那个几何必须作为理论的一个解而出现。量子引力的背景相关方法必须做出真正的关于空间和时间对称性的预言。
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1700944893 我以前讲过,如果世界有两个空间维,我们是知道答案的。那种情形下没有自由选择,计算表明粒子运动遵从DSR。在有着三个空间维的真实世界里,也有同样的结果吗?我的直觉告诉我那是可能的,我们在圈量子引力中的结果为这个思想提供了证据,但还不算是它的证明。我最大的希望是,这个问题在实验观测告诉我们结果之前就可以很快解决。从引力的量子理论中得到一个真正的预言,然后让确凿的观测来证明它是错误的,那该是多么奇妙的事情啊!更好的事情当然是实验证明预言是正确的。不论哪种情形,我们都在做着真正的科学。
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