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物理学的困惑 第十章 万物之理
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在两次弦的革命中，观察几乎不起任何作用。随着众多弦理论的成长，多数弦理论家仍然一如既往地相信他们原来的幻想：有一个能带来唯一实验预言的唯一理论，但没有如愿的结果；而少数理论家则一直担心唯一的理论永远不会出现。同时，乐观者坚持认为我们必须相信理论，跟着理论走下去。一个统一理论需要做的事情，弦论似乎已经做得够多了，仿佛其余的东西到时候会自己冒出来。
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然而在最近几年里，弦理论家的思想方法完全颠倒了。长久以来抱有的对唯一理论的希望破灭了，他们多数人现在相信弦理论应该看作一派广袤的理论景观，不同的理论描绘着一个多重世界的不同景象。
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他们的期待因为什么而转变呢？是与事实的矛盾。但那并不是我们希望的事实——而是出乎我们多数人意料的事实。
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好的理论应该令我们惊奇；它意味着不论谁创立了它，都算有了进步。但是，当观察令我们惊奇时，理论家就担心了。过去30年里，最令人困惑的观察莫过于1998年的暗能量的发现。我们说能量是暗的，意思是它看起来不同于我们以前知道的任何形式的能量和物质，即它不与任何粒子或波相联系。它就是它。
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我们不知道暗能量是什么；我们知道它只是因为我们能观测它对宇宙膨胀的影响。它就像一个均匀遍布在整个空间的引力源。因为分布均匀，处处相同，所以没有东西向它落下。它唯一的效应是对星系分离的平均速度的影响。1998年，人们对遥远星系的超新星观测表明宇宙膨胀在加速，而其加速方式最好用暗能量的存在来解释。61
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暗能量也许是所谓的宇宙学常数。这个名词指的是具有某种显著特征的能量形式：这种能量的性质（诸如密度）在所有观测者看来都是一样的，而不论他们在时间和空间的什么地方，也不论他们是否在运动。这是很不寻常的。通常情况下，能量伴随着物质，而且存在一个与物质一起运动的特殊观察者。宇宙学常数就不同了。它之所以叫常数，是因为不论你什么时候在什么地方以什么方式观测，它的值都是一样的。又因为不能从空间运动的粒子或波寻求它的起源和解释，所以叫宇宙的——就是说，它是整个宇宙的特征，而不是其中任何具体事物的特征。（我要说明，我们还不能确定暗能量是否真的具有宇宙学常数的形式；虽然我们目前的所有证据都指向它，但在未来的几年，我们将更好地认识它的能量密度在时空中是否真的保持不变。）
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弦理论没有预言暗能量；更坏的是，弦理论很难调和探测的数值。于是，暗能量的发现预示着弦论领域的危机。为看清这一点，我们必须回过头来讲讲宇宙学常数的奇异而悲凉的故事。
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故事要从1916年说起，起因是爱因斯坦拒绝相信他新创的广义相对论的最大胆预言。他原本就倡导了广义相对论的一大理念，即时间和空间的几何是动力学演化的。所以，当人们用他的新理论去摹写宇宙，发现那宇宙也随时间而动力学演化，他是不应该感到惊奇的。人们研究的模型宇宙膨胀也收缩，甚至有起点和终点。
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但爱因斯坦还是被结果惊呆了——也惊慌了。自亚里士多德以来，宇宙总被认为是静态的。它也许是上帝创造的，但如果真是那样，那它就从未改变过。爱因斯坦是200年来最富创造力也最为成功的理论物理学家，可就是这样一个人物，也不能想象宇宙竟然不是永恒不变的。我们不禁要说，假如爱因斯坦真是天才，它大概会更相信他的理论而不是偏见，从而预言宇宙的膨胀。而我们得到的更深刻的教训是，即使最冒险的思想家，要让他们抛弃延续了几千年的信仰，也是多么艰难啊！
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我们这些已经习惯了宇宙演化思想的人，对于人们接受宇宙可能有起点的观点到底有多难，也只能在心里揣度了。不管怎么说，在相当长的一段时间里，并没有宇宙随时间变化或演进的证据，所以爱因斯坦把宇宙膨胀的预言看成他的理论存在缺陷的信号，并开始想办法让它与永恒宇宙的概念相容。
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他发现，他的引力方程还有一种可能性，即真空的能量密度可能不等于零。而且，这个普适的能量密度对所有观察者来说都是一样的，而不管他们什么时候在什么地方进行观察，也不管他们在如何运动。所以他称它为宇宙学常数。他发现，常数的效应依赖于它的符号。当它是正数时，将引起宇宙膨胀——不仅膨胀，而且加速地膨胀。这不同于普通物质的影响，它们总是使宇宙收缩，因为它们总是相互吸引的。于是，爱因斯坦意识到，他可以利用这种新的膨胀趋势来平衡引力产生的收缩，从而达到一个静态而永恒的宇宙。
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爱因斯坦后来说宇宙学常数是他一生最大的失误。实际上，那是一个双重的失误。首先，它没有什么成效，并没有阻止宇宙的收缩。你可以平衡物质引起的收缩与宇宙学常数引起的膨胀，但那只是暂时的。平衡根本就是不稳定的。稍微扰动一下，宇宙就会开始收缩或膨胀。不过真正的失误在于静态宇宙的思想一开始就是错的。10年后，一个叫哈勃（Edwin Hubble）的天文学家开始寻找宇宙膨胀的证据。自20世纪20年代以来，宇宙学常数就成了人们想摆脱的烫手的山芋。可是，随着时间的流逝，它变得越来越难摆脱了，至少在理论上是那样。我们不能只是规定它为零，然后忽略它。它就像角落里的大象，你可以视而不见，但它确实在那儿。
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人们不久就开始认识到量子理论能对宇宙学常数有所解释。遗憾的是，它和我们想听的话正好相反。量子理论，特别是不确定性原理，似乎需要一个巨大的宇宙学常数。如果某个东西是完全静止的，那么它有确定的位置和动量，而这跟不确定性原理相矛盾，因为原理告诉我们，不可能同时知道粒子的这两样东西。结果，即使温度为零，事物也在不停地运动。任何粒子和任何自由度，即使在温度等于零的时候，也都伴随着一定的剩余能量。这叫真空能量或基态能量。当量子力学用于场（如电磁场）时，场振动的每个模式都有真空能量。但场振动的模式很多，所以量子力学预言的真空能量很大。在爱因斯坦广义相对论的背景下，这隐含着巨大的宇宙学常数。我们知道这是错误的，因为那意味着宇宙膨胀很快，从而不可能形成任何结构。星系的存在为宇宙学常数的大小强加了一些限制，那些极限大约比量子力学预言的小120个数量级。这大概是科学理论最拙劣的一个预言了。
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出现大问题了。理智的人会认为我们还需要崭新的思想，在引力与量子理论的偏离得到解释之前，两者的统一是不会有什么进步的。几个最敏锐的人也有同感。其中一个是德国理论物理学家德雷耶（Olaf Dreyer），他猜想，只有当我们抛弃空间是基本的观念，才可能消解量子理论与广义相对论的不相容。他提出，空间本身是从某种迥然不同的更基本的描述中涌现出来的。几个在凝聚态物理学领域做过重要工作的理论家，如诺贝尔奖得主劳克林（Robert Laughlin）和俄罗斯物理学家沃洛维克（Grigori Volowik），也讨论过这个观点。但我们大多数做基础物理学工作的人都不在乎这个问题，而是继续走我们不同的路线，哪怕到头来一事无成。
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直到不久以前，我们还一直有一点安慰：至少宇宙学常数的观测值为零——就是说，没有宇宙加速膨胀的证据。这令人满意，因为我们可以指望找一个新原理来清除方程中的所有令人不安的东西，并使宇宙学常数严格等于零。假如观测值是某个非零的小数，问题就严峻多了，因为要一个新原理将数值减小但不等于零，是更难想象的事情。于是，几十年来，我们都对各路神灵满怀感激，至少我们没有遭遇那个问题。
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宇宙学常数给所有物理学家提出了一个问题，不过弦论的情况似乎更好一点儿。弦论不能解释为什么宇宙学常数等于零，但它至少解释了它为什么不是正数。我们能从弦论得到的仅有的几个结论之一就是宇宙学常数只能为零或负数。我不知道有哪个弦理论家预言过宇宙学常数不能是正数，但一般都认为那就是弦论的一个结论。其中的道理太专业了，不能在这儿评说。
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其实，负宇宙学常数的弦理论早就研究过了。例如，著名的马尔德希纳猜想就涉及一个具有负宇宙学常数的时空。困难还很多，直到今天也没人具体写出弦理论在负宇宙学常数世界里的细节。但人们相信，没写出具体的东西，只是一个技术问题——而不是原则问题。还没有什么理由说它在原则上就应该是不可能的。
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于是你可以想象，当1998年的超新星观测表明宇宙在膨胀加速，意味着宇宙学常数必须是正数的时候，人们是多么惊奇。这是真正的危机，因为弦理论的预言与观测之间显然出现了矛盾。实际上，有定理表明，具有正宇宙学常数的宇宙——至少在忽略量子效应时——不可能是弦理论的解。
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威藤不是悲观主义者，但他在2001年还是坦率承认“我不知道有什么好办法能从弦理论或M理论得到德西特空间[具有正宇宙学常数的宇宙]。”62
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科学哲学家和科学史家，如拉卡托斯（Imre Lakatos）、费耶阿本德（Paul Feyerabend）和库恩，曾经指出，一个实验反常不足以否定一个理论。如果一个理论深得众多专家的信任，他们会用更极端的方式来挽救它。这对科学来说并非总是坏事，甚至还可能是好事。有时，理论的捍卫者会成功，而他们的成功往往伴随着意外的重大发现。但有时他们也会失败，大量的时间和精力都在科学家们的一步步努力中浪费了。最近几年发生的弦论的故事，应验了拉卡托斯和费耶阿本德的观点，因为它表现的是一大群专家在尽力挽救一个他们珍爱的然而却面对着矛盾数据的理论。
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如果说弦论真的得救了，那么拯救它的是一个完全不同的问题的解：如何使高维稳定？回想一下，在高维理论中，额外维的卷曲产生了很多解。那些能再现我们观察的世界的解是很特殊的，其高维空间几何的某些方面必须冻结起来。否则，一旦几何开始演化，就可能一直继续下去，要么生成奇点，要么迅速膨胀，张开卷曲的维，使我们能看到它们。
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弦理论家称它为模的稳定性问题。“模”是刻画额外维性质的常数的一般名字。这是弦理论必须解决的问题，但长期以来还不清楚应该怎么做。和其他情形一样，悲观者很忧虑，而乐观者相信我们迟早会找到答案的。
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这回是乐观者说对了。进步从90年代开始，加州的几个理论家认识到问题的关键在于用膜来稳定高维。为明白这一点，我们必须认识问题的一个特征，即高维几何在为弦理论提供良好背景的同时可以连续变化。换句话说，你可以改变高维的形状或体积，并通过这种方式经历不同的弦理论空间。这意味着没有什么能阻止额外维的几何随时间演化。为避免这种演化，我们必须找一族弦理论，而不可能连续游移其间。为实现这一点，我们需要寻求那样的弦理论，其每一步变化都是离散的——就是说，你不能连续地从一个理论走到另一个，而只能突然地大踏步跳越。
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波尔琴斯基告诉我们，弦论中确实有离散的东西：膜。回想一下，存在那样的弦背景，其中膜是缠绕在额外维曲面上的。膜以离散的形式出现。你可以有1，2，17或2040197个膜，却不能有1.003个膜。因为膜携带电荷与磁荷，这就生成电磁流的离散单位。
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