看不见的世界-碰撞的宇宙.膜.弦及其他

nbsp; 序
    科学，特别是自然科学，*重要的目标之一，就是追寻科
学本身的原动力，或日追寻其**推动。同时，科学的这种追
求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种*基本的
推动。
    科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握
新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实
事求是的，同时，科学又是创造的。科学的*基本态度之一就
是疑问，科学的*基本精神之一就是批判。
    的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人
类活动来，其*基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退
的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难地进步，这表
明，自然科学活动中包含着人类的*进步因素。
    正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“**推动”。
    科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重
要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活
和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科
学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生
物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科
学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教
育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。
    正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第
一推动”。
    近百年来，无数仁人志士意识到，强国富民再造中国离不
开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗。中
国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科
学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标
远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教
育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思
想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和
出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步
离不开科学，是毋庸置疑的。
    正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进
步所必不可少的推动。
    然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接
受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值
和地位也更高了，但是毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特
定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所
带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力、科学的精
神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。
    科学的精神之一，是它自身就是自身的“**推动”。也
就是说，科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属
于服务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲
学。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别
的．超越文化的地域的差别的，科学是普适的、独立的，它自
身就是自身的主宰。
    湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神
的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播
科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从
而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启
蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为
《**推动》，当然并非说其中每一册都是**推动，但是可以
肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都
会使你或多或少地更接近**推动，或多或少地发现，自身如
何成为自身的主宰。
    《**推动丛书》编委会

                    前  言
    本书试图与非数学专业读者分享现代理论物理学中*具吸
引力、*激动人心的一些想法。我也非常乐意借此机会向那些
独一无二的天才们表达感激之情。不过，在此我无意写一部有
关这些想法的科学史；对于那些我略掉了其重要贡献的物理学
家们，我表示诚挚的歉意。
    很多人对这本书的诞生提供了重要的帮助，我在这里向他
们表示感谢。Praxis出版社的Clive Horwood和哥白尼书局的
Paul Farrell都是本书的支持者。作为一位不可替代的编辑，
Anna Painter为本书提出了很多无价的建议。John Mason博
士与Lyman Lyons对本书的*早版本提出了建设性的批评意
见。仍然存在于书中的各种谬误——在没有数学辅助的情况下
解释理论物理中*奇妙的思想时难以避免的种种曲解与错
误——都是我一个人的责任。
    我必须要感谢Ron，Ronnie，Peter，Jackie，Emiy以及
Abigail的大力协助。*重要的是，我必须要感谢Heike以及
Jessica的耐心。
    斯蒂芬·韦伯
    2004年4月于米尔顿凯恩斯
第七章
超  弦
    只要把纪律的琴弦拆去，
    听吧!多少刺耳的噪音就会发出来。
    威廉·莎士比亚(William Shakespeare)，
《特洛伊罗斯与克雷西达》(Troilus and Cressida)
    我们先来整理一下我们所学过的知识。根据量子场论和局
域规范对称性的精妙原理，我们建立了标准模型的理论框架，
并成功地解释了迄今为止的全部粒子物理实验。但标准模型是
不完备的：它包含两段看似需要统一起来的理论；而且，标准
模型完全没有考虑引力。**个问题由大统一理论解决，大统
一理论扩充了标准模型的规范群。但大统一理论本身也有一些
问题，不过好在我们可以引入另一种对称性削弱这些问题，这
一对称性就是超对称。将超对称取为局域对称性的时候，引力
自动显现出来。于是我们顺理成章地得到了超引力理论。*
后，我们引入了更高空间维度的思想——物理学家们为了将引
力与电磁场纳入到一个统一的框架下而提出的一种古老思想，
将额外维的思想与超引力组合到一起，我们得到了一个几乎就
成功地将所有的基本粒子与其相互作用纳人到统一理论框架下
的基本理论——十一维的超引力。
    不幸的是，十一维的超引力也有其自身的问题。在它取得
一定成功的同时，人们也发现它只能是一种在一定的能量区域
才起作用的低能有效理论，就和标准模型只在与我们生活的世
界能量比较接近的区域才有效一样。十一维的超引力不可能是
我们所一直追寻的终极理论。从根本上讲，所有的问题似乎都
可以归结到一点，那就是量子场论实际上处理的是类点客体。
用这一套方法讨论夸克与轻子很有效；不过在讨论引力子一～
传递引力的粒子——时就会出问题。物理学家们计算包含引力
子的费曼图时会遭遇无限大，理论中出现无限大是一个明确的
错误标志。物理学家们并不能像在量子电动力学(QED)和
量子色动力学(QCD)中做的那样处理掉量子引力中出现的
无限大。因此与引力有关的量子场论不能给出有意义的结果。
    后来，物理学家们认识到还有另外一种方法可以在量子力
学的框架下将引力与其他的力统一起来。这种方法是目前为止
唯一看似仍然有效的方法，以至于在这种方法发现后，很多物
理学家立即就欣然地接受了这种方法所带来的高昂代价。其代
价在于量子场论中不再存在我们所熟悉的类点客体——夸克、
轻子、规范玻色子等——所有的这些点粒子都由一维的弦代
替。而且，我们必须假设弦存在于高维的时空中，超对称也是
先决条件之一。如果我们拒绝接受弦论、更高的维度、超对称
这些深奥的理论的话，那么我们似乎就没有足够的“空间”将
引力及其他的相互作用纳入到统一的量子理论中。或许未来的
某一天，物理学家们可以凭借远胜于20世纪科学家们的非凡
想象力将引力与其他的相互作用统一起来，而不用弦论或更高
的维度等，但在过去的20年间，弦论和额外维却不失为就是
*好的统一工具。
    [值得一提的是，人们至少还有另外一种将广义相对论和
量子力学统一到一起的研究方法，那就是圈量子引力(有关细
节见补充性文字“圈量子引力”)。这种方法已经取得了一些成
就。不过相比于弦论，圈量子引力似乎野心不足，因为连标准
模型都不是它的研究范围。而弦论是唯一试图统一所有的基本
物理一一引力、量子力学、标准模型——的理论。我们不打算
继续讲解圈量子引力的有关方面。感兴趣的读者可以阅读附录
文献中提到的一些参考书，以了解圈量子引力的有关知识。]
    本章讲述的是弦论的基本思想。我们将从弦论那非凡的历 
史开始本章，*后我们讨论一下弦论为什么仍然没有成为物理
学家期望的终极理论。