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有个大预言家叫涅尔森,来自玻尔研究所。他构建过弦理论,也有过很多大发现。但多年来他离开了主流,去宣扬他所谓的随机动力学。他相信,关于基本定律我们顶多只能假定它们都是随机的。我们认为本质上正确的每一件事情,如相对论和量子力学原理,在他看来都不过是从基础理论突现出来的偶然事件,而那基础理论远远超越了我们的想象,同样可以假定它的定律都是随机的。他的模型是热力学定律,我们过去认为那些定律是以原理为基础的,但现在我们将其理解为大量随机运动的原子的最可能的行为方式。这也许不对,但涅尔森在他的反统一纲领中已经走得很远了。
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弦理论家中就没有多少人能像前面几位先生那样对科学有过持久的贡献。那么,当那些杰出的物理学家一再警告我们也许在做着错误的假定时,弦理论家——在这个问题上,或许也包括圈理论家——是如何回应的呢?我们才不管他们呢。是的,坦白地说,有时他们刚走出大门,我们就在背后嘲笑他们。虽然你做出了诺贝尔奖水平的物理,甚至已经得了奖,但如果你要质疑大家坚持的像狭义和广义相对论那样的假定,我们也是不会容忍的。我非常吃惊地听劳克林说起,他在系里和资助单位受到了很大的压力,人家要他做他原来的常规科学,而不愿他浪费时间做关于时间、空间和引力的新思想。像他那样卓有成就而且头顶诺贝尔桂冠的人都不能发展自己的深刻思想,还谈什么学术自由呢?
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幸运的是,我们很快就会知道狭义相对论是否正确。我的多数朋友都希望实验观测能证明那些大人先生们都是傻瓜。我希望想打破偶像的人是错的,狭义相对论能经得住考验。但我也老是担心也许错的是我们,而他们才是对的。
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相对论的质疑就谈这些。如果量子论错了,情况又如何呢?这是整个量子引力计划的软肋。如果量子论错了,拿它来结合引力就纯粹是浪费时间。有人考虑过这个问题吗?
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有的,其中一个就是特胡夫特。还在乌得勒支做研究生时,特胡夫特就和一个年长的合作者一起证明了量子的杨-米尔斯理论是合理的,这个发现使整个标准模型成为可能,他的这些成就当然赢得诺贝尔奖。那是他众多关于标准模型的基本发现之一。但最近10年他成了基础问题的最大胆的思想家。他的主要观点是所谓的全息原理。在他的构想里,没有空间。发生在我们常想象为空间的某个区域里的每个事件,都可以表示为发生在包围那个空间的曲面上。而且,描述那个边界世界的理论不是量子论,而是某个他相信能取代量子论的确定性理论。
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就在特胡夫特构想他的原理之前,克兰在量子引力的背景独立方法的前提下提出了类似的思想。他提出,将量子论用于宇宙的正确方法不是将整个宇宙放进量子体系。霍金、哈特尔(James Hartle)等人尝试过那种方法,但遇到了严峻的问题。克兰反过来认为,量子理论不是一个系统的静态描述,而是一种信息的记录——它记录的是宇宙的一个子系统通过相互作用而获得的关于其他子系统的信息。接着他提出,将宇宙一分为二的每一种方式,都联系着一个量子力学的描述。这些量子态不是存在于这个或那个区域,而是存在于它们之间的边界。150
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克兰的大胆建议从此成长为一类量子论方法,叫关系量子论,因为它们所依赖的思想认为量子力学是宇宙子系统之间的关系的描述。罗维里发展了这个思想,他证明它与我们通常的量子理论做法是完全一致的。在量子引力的背景下,它引出了一种新的量子宇宙方法,是由马科普洛和她的合作者提出的。马科普洛强调,描述不同子系统之间的信息交换就等于描述决定一个系统影响另一个系统的因果结构。这样,她发现宇宙可以描述为一台能动态生成逻辑的量子计算机。151宇宙是量子计算机的思想也曾由MIT的劳埃德(Seth Lloyd)提出过,他是量子计算领域的蓝图设计者之一。152马科普洛和劳埃德从各自学科的两方面出发,发起了一场运动,用量子信息理论的思想来重构宇宙的概念,使我们认识了基本粒子是如何从量子时空突现出来的。
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特胡夫特用边界来代表世界的思想,应该令我们想起马尔德希纳的猜想。其实,特胡夫特的思想正是马尔德希纳的灵感来源之一,还有人认为全息原理将成为弦论的一个基本原理。仅凭这一点,特胡夫特就很容易成为弦理论群体的领导者,假如他对这个角色感兴趣的话。但在20世纪80年代,特胡夫特开始走自己的路了。那时正当他的黄金年华,而且在技术上也没有人比他更强。不过,他脱离主流时,还是遭到了他的粒子物理学伙伴们的嘲笑。他似乎并不介意,甚至毫无察觉,但我相信那深深刺痛了他。不管怎么说,他几乎怀疑一切,独闯了一条自己的基础物理学道路。他几十年来形成的核心信念是,量子物理学是错误的。
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没有谁比特胡夫特更认真和真诚的了。我们量子引力领域的人喜欢他的一点就是,到处能看到他的影子。他参加过我们的很多会,但他从来不在大厅里和其他大人物一起谈政治。他喜欢到每个分会场去,而一般只有年轻学生才会那样。每天他一大早就来到会场,穿着一尘不染的套装(其他人一般都穿牛仔裤和T恤衫),整天坐在前排,倾听每个学生和博士后的报告。他并不常发表评论,甚至偶尔还会打一两分钟瞌睡,但他对每个同行所表现的尊重,令人难忘。轮到他讲话时,他站起来,一点儿也不做作地讲他的思想和结论。他知道他独自走着一条路,如果他抱怨,我也不会惊奇。一个人怎么会放弃他应得的领导权杖呢?就因为他弄不清量子力学的意义吗?想想那到底说明了怎样的个性。
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还有一个彭罗斯。简单地说,对我们理解和运用广义相对论,除了爱因斯坦而外,没有人比彭罗斯的贡献更多了。在我认识的不同领域的人物中,他是四五个最具天才和深刻原创力的思想家之一。他做过大数学和大物理。和特胡夫特一样,他在最近20年的许多工作也是基于他相信量子力学是错误的。他也和特胡夫特一样在构想取代它的东西。
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多年来,彭罗斯一直强调,把引力纳入量子论将使它成为非线性的。这样就解决了测量问题,即量子引力效应导致量子态发生动力学坍缩。彭罗斯的建议在他的著作里有很好的描述,尽管还没有形成一个详尽的理论。不过,他和一些人已经在用它们来预言一些可以完成的实验,其中有的实验正在进行中。
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我们有几个人认真研究了彭罗斯的论证,更有少数的人相信它们是对的。但多数弦理论家——当然都是些引领潮流的弦理论家——似乎根本没听进去。即使像这样的大思想家,当他们质疑基本假定时都遭人白眼,你就可以想象没有首先做出过重大贡献的预言家会有怎样的遭遇。153
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如果当世的几个最优秀的理论物理学家觉得需要质疑相对论和量子论的基本假定,那么一定会有人从一开始就站在他们的立场。确实有些人在研究之初就在考虑量子论一定是错的。他们学会了它,和别人一样能运用它的论证和计算;但他们不相信它。为什么呢?
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这样的人大概有两类:真的和假的。我属于那种从来不相信量子力学的人,但我也是假的。就是说,我在上学的时候就明白了,如果我一心想明白量子力学,那么我就不会有一个好的理论物理学家的前程。所以我决定做主流能理解和欣赏的东西,这样我就能找正常的工作了。
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幸运的是,我找到了一个方法,可以通过做像量子引力那样的主流工作来考察我对基础问题的怀疑。因为我一开始就不相信量子力学,所以很清楚我的努力注定会失败,但我希望能从失败中找到线索,看什么东西可以取代量子理论。如果早几年,我在量子引力的经历恐怕会和我在量子理论的经历一样倒霉。然而,当我读研究生时,有了一个好机会,就是用最近发展起来的研究标准模型的方法来解决量子引力问题。所以,我可以假装做一个常规科学的物理学家,像粒子物理学家一样训练。接着我将我学的东西用于量子引力。因为我是最先尝试这个方法的人之一,用的方法又是引领潮流的人所理解的,于是事业才有可能一帆风顺,当然还说不上如日中天。
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但我绝不能完全压抑自己的本能,探索我的学科基础。我在1982年写过一篇题为“论量子与热涨落之间的关系”的文章,现在看它,简直不敢相信我有那么大的胆量。154我提出了一个新问题:如何将空间、时间和量子协调起来?这个问题开辟了一条全新的解决路线。即使今天我已经写过很多有影响的论文,还认为那篇是我最好的作品。偶尔我会遇到追溯学科基础的同学或在主流外徜徉多年的孤独者,他们会说,“呀,你就是那个斯莫林啊!我从没想到会见到你。我原以为你一定早死了,或者离开物理学了。”现在我终于和圆周研究所的同行们回到了原来的工作,研究量子力学的基础。
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那么真正的怀疑者又如何呢?他们不相信相对论和量子论的基础假定,而且绝不改变自己的倾向。他们是一群特殊的人,每个人都有故事。
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许多喜欢科学的人都知道巴伯(Julian Barbour)是《时间终结》的作者,他在那本书中说时间是错觉。155他是一个与众不同的物理学家,自1968年获科隆大学博士学位以来就没有找一个研究工作。但他在认真思考量子引力的小人群中影响很大,正是他教导我们那意味着需要一个背景独立的理论。
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巴伯告诉我们,他在读研究生时,在一次登山旅行的路上,他突然想起时间也许是一种错觉。于是他开始考察我们包含在广义相对论里的时间认识的根源。他意识到他疑虑时间本性就做不了传统的学术研究,他也明白如果他要继续研究那个问题,就必须全心投入,而不能受常规物理学的压力的干扰。所以他在距离牛津一个小时的小村庄买了一所旧农舍,还把新婚妻子带来,安心思考时间问题。大约10年后他才向他的同事们报告他的结果。在那期间,他和妻子生了四个小孩,靠他做翻译的钟点工抚育他们。他一周用来翻译的时间不到20个小时,于是有很多时间思考;这一点和学术机构的多数科学家一样,他们除了教书和行政事务外,也只有那么多时间来思考。
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为了与广义相对论的时间意义发生联系,巴伯钻进了那门学科,回溯物理学和哲学的历史。最后他构想出一种新理论,其中的空间和时间只是一个关系系统。他关于这个主题的论文慢慢开始受到关注,最终成为量子引力群体的荣誉一员。他将爱因斯坦的广义相对论重新解释为一个关系理论,这也正是我们领域的人现在所理解的方式。
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这还不是巴伯的全部工作,但已足以说明一个成功预言家的经历与传统的专业科学家有多么大的不同。这样的人不赶潮流——其实他们大概对学科还没有足够的认识,根本不知道它的潮流是什么。这样的人,他们的动力不是别的,就是以前形成的信念,确信别人遗失了某个关键的东西。他们的方法更有学术性,因为他们只有通读了困扰他们的问题的整个历史,才可能想清楚。他们的工作是高度专一的,不过需要很长的时间才能得到一点结果。不管什么结果都无助于他们的职业生涯。巴伯成熟了,比多数职业科学家更多地改变了科学;但当多数物理学家在谋求终身职位的时候,他却没有一样可以炫耀的东西。
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巴伯的经历很像其他的预言家,如达尔文,他也是躲到英国乡间去找间屋子思考困扰他的问题。爱因斯坦花了10年的时间孕育狭义相对论的思想。于是,预言家要发现未经检验的假定,所需要的只是思考的时间和自由。剩下的就看他们自己了。
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另一个例子是芬克尔斯坦(David Finkelstein),乔治技术研究所的荣誉退休教授,一生都在追求自然的逻辑。他做物理的方式与众不同。我们第一次见面时,他告诉我他一生的工作就是追求理解,“上帝是如何构想出这个世界的?”除此而外他什么也不做。我们每次见面时他都有新的认识。这条路线也引出一些副产品。他是第一个认识黑洞事件视界的人。156他第一个发现了固体物理学的所谓拓扑守恒律的重要特征,也第一个研究了一系列不同的数学结构——如量子群。一个预言家在自己追求真理的道路上能有多大的成绩,他的一生树立了一个榜样。虽然芬克尔斯坦有职业,但如果一个人只听从学术圈内的声音而忽略外面的一切,还能像他那样在那个年代获得名牌大学的教授职位吗?做梦去吧。
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还有一个故事,更像是巴伯了。瓦伦提尼(Antony Valentini)从剑桥大学毕业(和巴伯一样),然后在欧洲漫游了几年,最后在意大利的里雅斯特定居下来,师从席艾马(Dennis Sciama)——他在剑桥曾是霍金、彭罗斯、里斯(Martin Rees)、艾利斯(George Ellis)等大相对论专家和宇宙学家的老师。后来,席艾马移居的里雅斯特,在意大利一家新建的研究机构SISSA(国际高等研究院)成立了天体物理学小组。瓦伦提尼是席艾马的最后一个学生,并不做天体物理,而是做量子理论,他强烈感到量子论没有意义。他研究了德布罗意在20世纪20年代最早提出的一个老思想,叫隐变量理论。根据这个理论,量子论的方程背后存在着一个实在。隐变量的思想被压制了很多年——部分是因为冯诺伊曼在1932年发表了一个错误的证明,说那种理论不可能存在。50年代,量子理论家玻姆终于发现了那个错误,复活了德布罗意的理论。瓦伦提尼对隐变量理论做了新的重要修正,是那个理论在几十年来的第一次进步。他关于这个问题的多数论文都被物理学杂志拒绝了,但其内容如今在研究量子力学基础的专家圈子里广为流传。
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席艾马尽可能地鼓励和帮助瓦伦提尼,但不论在意大利还是在英语世界,都没有为专心做基础问题的人留下位置。席艾马劝他,如果不能在杂志上发表他越来越多的结果,可以写一本书出来。瓦伦提尼没找到工作,到了罗马,终于在罗马大学得到一个博士后的位置。离开学校后,他又在罗马呆了6年多,爱上了那座城市和那儿的一个人。他靠做家教谋生,同时发展自己的理论,将结果写成书。157
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