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【转载】物理学真的步入禅境了吗?  

2014-02-19 05:59:19|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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去年接近年末的一天,我逛街时信步走进文殊院,在宸经宝楼门旁,意外地看到墙上展示着一篇论文,题目是《物理学步入禅境:缘起性空》,作者是科学院院士、中国科技大学前校长朱清时先生,不知已经在那里展示多久了。这篇论文大约作于2006年,但直到那天我才第一次读到。读了之后,很感兴趣,回到家从网上搜得,又读了几遍。

朱清时先生批判了经典物理学的谬误:“把物质归结为物体,进而把物质看成实体,这同质量在牛顿力学中的特殊地位和作用有关。牛顿之所以把质量定义为‘物质多少’的量度,就是因为在任何机械运动过程中,乃至在化学反应中,质量始终如一。质量被理所当然地看成是物质本身所绝对固有的,被看成物质不灭或实体不变原理的具体表现。

朱清时先生阐述了这样一个看法:物质并非绝对实体,因而宇宙也不能简单地看成是由“实实在在”的独立于人类意识而存在的实体化的物质构成的。他的主要依据是爱因斯坦的相对论,他说:“二十世纪爱因斯坦发明的相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误”,“当物体运动接近光速时,不断地对物体施加能量,可物体速度的增加越来越难,那施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量。爱因斯坦在说明物体的质量与能量之间的相互转化关系时,提出了著名的质能方程(E=mc2):能量等于质量乘以光速的平方。不久后科学家们发现了核裂变和链式反应,把部分质量变成巨大能量释放出来。现在知道原子弹的人,都相信质量可以转化成能量”,“既然物质与能量是可以相互转化的,能量并非‘实体’,物质也就不能再被看作是实体。”

这篇论文在很大程度上有科普的性质,因此我这个好奇的门外汉还能读懂。质量与能量可以相互转化,能量不是实体,物质也不再是实体,因而不能说宇宙(自然界)是独立于意识的客观实在—这就是这篇论文给我的一种认识。但是,我认为,具有质量的、可见的实体与不可见、只能感受到的能量,是物质的两种存在形式或曰物质所具有的“双重属性”,恰如光具有不连续的微粒性和连续的波动性的双重属性一样。“光量子理论”也是爱因斯坦(在普朗克的量子假设基础上)提出来的,并且为密立根花了十年工夫做实验所证明。既然光可以同时具有两种看似矛盾的属性,为什么独立于人类意识的客观存在的物质,就不可以时而以看得见的实体出现,时而以看不见的能量出现呢?为什么要以此否认世界是客观实在的呢?

朱清时先生接着谈到了物质的微观结构。人们普遍认为,物质世界是由微粒组成的,千百年来,人们一直在寻找构成宇宙万物的“基本粒子”。从分子到原子再到更小的质子、中子等等,迄今为人们所发现的基本粒子至少有三百多种。可是,在观察这些基本粒子时,不断出现新的物理现象需要得到解释。为了解释这些现象,人们提出各种假设,并通过实验加以证明:证实或证伪。在这一过程中,更多的基本粒子被发现,有人预言,世界还包含着比我们知道的多得多的粒子,这似乎是一个无穷无尽的过程。朱清时先生说:“在二十世纪的后期,物理学的一个前沿领域—弦论的发展又使我们对物质的看法更进了一步。”物理学家期待着能把各种假说协调起来,成为一个统一的完整的科学理论,从朱清时先生后面的讲述中,让人感觉似乎他相信弦论就是这样一个将各种理论统一起来的终极理论。因为,他认为佛经早在许多世纪前就阐述了弦论所讲的意思,在这篇论文的结尾,他写出那样一句让我感动不已的话:“读到这里,你可能感到:‘科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!’”

一看到“弦论”二字,我顿时兴趣倍增。在两三年以前,我就在书上或报纸上瞥见过这个词,几个月前,我还在《参考消息》的科技版上看到过关于弦论的简短报道。当时我模糊地感到,弦论似乎颠覆了粒子物理学,我很想了解那是怎么回事,然而,对于我这样物理知识贫乏的人来说,那样高深的东西只能远观,不可亵玩,于是知难而退,虽然心有不甘,也只好敬而远之。忽然看见朱清时先生用通俗的语言介绍弦论,真是喜出望外。

宇宙原来不是很小很小的粒子结构的世界,而是无数很小很小的、振动的弦的世界。朱时请先生写道:“弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等,看起来像粒子,实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式。正如小提琴上的弦,弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作宇宙弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。”原来各种基本粒子都是弦的不同振动模式,而不是物质实体!

既然弦论引起学界的广泛关注,说明它可以解释微粒子世界的许多物理现象,按照它的数学模型做出的某些预测可以在后来的实验中得到证实,为什么不相信它是正确的理论呢?一种理论,只有当有些现象它无法解释或与之相矛盾的结果发生时,才会被进一步完善或促使人们创立新的理论来取代它。

朱时请先生进一步说:“简言之,如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海, 那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界,其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐!”至此,物质成了非实体的、类似于精神的、意识的或感受的东西,而宇宙不再是我们过去一直认为的那样是客观实体构成的了。

对此,朱时请先生自己提出一个疑问并试图给予解释,他说:“有人还可能说,无论宇宙弦多小,无论人们能否观察到它们,宇宙弦总归是客观实在,它们是组成物质世界的基本单元,因此物质世界也应该是客观实在。”这恰好也是我的疑问,看朱时请先生怎样回答。可惜,他的回答未能叫我满意。他说:“此话不准确。组成物质世界的基本单元是宇宙弦的各种可能的振动态,而不是宇宙弦自身,就像组成交响乐的单本单元是乐器上发出的每一个音符,而不是乐器自身一样。”这实际上并没有解释,宇宙弦是以何种形式存在的,宇宙弦本身是不是物质。在比喻中,他强调音符不是物质,却没有说产生音符的乐器是不是物质。

在跳过弦本身是不是一种实体的问题后,朱时请先生把弦论与佛经联系起来,他说:“过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子,现在都是宇宙弦上的各种‘音符’。多种多样的物质世界,真的成了‘一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。(《金刚经》)’物理学到此已进入了‘自性本空’的境界!

“有人会想,天啊!物质都不是客观实在了,那么世界上还有什么东西是实在的吗?回答是,有的。事物之间的关系就是实在的。我们根据二十世纪自然科学的进展,可以用关系实在来取代绝对的物质实体, 即主张事物不是孤立的、由固有质构成的实体,而是多种潜在因素缘起、显现的结果。每一存有者都以他物为根据,是一系列潜在因素结合生成的。‘现象、实在和存有被限定在一组本质上不可分离的关系结构中’(引自罗嘉昌:《关系实在论:纲要和研究纲领》)。”对于朱时请先生的这段论述,我不敢苟同。固然事物不是孤立的,事物之间的关系是实在的,但“可以用关系实在来取代绝对的物质实体”,却缺乏说服力,有没有什么“关系实在”可以取代宇宙弦呢?如果弦这个“乐器”被“关系”取代了,谁来吹奏“音符”呢?而且,在这段关于“关系实在”的论述中有一句话:“每一存有者都以他物为根据”,那么这个“他物”是不是物质实体?抑或“他物”是指另一个“关系”?如果物质实体均被“关系实在”取而代之,岂不是说,我们的这个世界只存在“关系”和“关系的相互关系”?

接着朱清时先生进一步用佛学中的“缘”的概念来说明“关系实在”。据他所说,按我的理解,“缘”就是事件产生结果的各种适配条件,缘有好缘,也有恶缘,分别使“因”产生好的结果和坏的结果。这其实就是哲学和逻辑学中所谓的“因果关系”。可是这与物理学中的弦论有什么关联呢?他在论文中提到的弦论,只能用来说明构成物质世界的微粒子是弦的振动模式,否定粒子的实体性质,若要由此引申出“在二十一世纪开始的时候,以弦论为代表的物理学真正步入缘起性空的禅境”,“一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电”的佛学的结论,就显得太牵强了。按他的介绍,基本粒子是宇宙弦的振动模式,是宇宙弦这个“乐器”吹奏的“音符”,可是他又说:“佛学认为物质世界的本质就是缘起性空。藏识海(又名如来海)是宇宙的本体。物质世界的万事万物,都是风缘引起的海上波涛,换言之,物质世界就是风缘吹奏宇宙本体产生的交响乐”,不知不觉地又把宇宙弦变换成了“风缘”,吹起“藏识海(如来海)”上的波涛,弦没有了,很让我这个想了解弦论的人感到失望。

但是,我要感谢朱清时先生这篇论文的是,它促使我跑到书店去买了本关于弦论的书来读。这本书是著名的物理学家斯莫林写的《物理学的困惑》,据出版者湖南科学技术出版社称,这是一本关于科学思想和科学精神的世界名著。斯莫林以清晰、热情和权威的文字记述了弦理论的兴起和衰落,还展望了可能取代它的理论。他在书中指出,作为其他科学的基础的物理学迷失了方向。为什么物理学突然陷入了困境?在他看来,一个主要问题出在弦理论:一个野心勃勃的“万物之理”的蓝图,要想解释自然的所有粒子和力,解释宇宙的起源和演化。弦理论凭它新奇的新粒子和平行宇宙抓住了公众的想象力,也赢得了很多物理学家的心。但这是一个理论陷阱:弦理论没有一点曾被证实,也没有人知道如何去证实它。

我不能完全读懂这本书。但我还是从书中了解到,尽管弦论很“时髦”,但它远非已完善到可以使物理学“真正步入缘起性空”的程度。首先,弦不是像朱清时先生说的那样是“一维弦”。在弦论提出的当初,弦是一维的,可以像橡皮筋那样拉伸,它们获得能量时伸展,失去能量时收缩,也和橡皮筋一样,而且也和橡皮筋一样振动。也许弦论应该被更准确地称为“皮筋论”,但那样的名字有失尊严,所以就叫“弦论(弦理论)”。

随着越来越多的现象要得到解释,并且要与狭义相对论相一致,弦理论家不得不调整、补充对弦的认识。为了说明弦的振动如何产生某种特性奇特的粒子,弦不再是简单的独立的线段,而是可以变形和互相结合:两根弦连在了一起形成一根较长的弦;一根开弦弯曲后两个端点连在一起形成闭弦(即环);两根闭弦结合成一根闭弦;一根闭弦里分裂出另一个闭弦,等等。总之,必须设想出足够多的弦的形态,来满足解释各种现象的需要。当一维弦不能解决问题时,就在假设中增加它的维度,以使之适用于更复杂的情况。一维弦在时间中运动,它就在时空中形成一个二维曲面,我们还可以设想出面包圈那样的二维曲面以及带孔的“面包圈”,不一而足。弦理论作为一种基础理论,为了与狭义相对论和量子论一致,要求世界必须是9维空间,在我们熟知的3维空间里,那样的理论不可能成立;而新的“超弦”更是要居于10维空间。“高维策略”是理论物理学家经常采用的,当数学模型对解释某些事实无能为力时,他们就给数学模型增加一个维。但是这样做的话,在有的过程中,额外的维会张开变得很大,在另一些过程中它们会塌缩成奇点,从而带来不稳定性。

读到这些,我觉得弦论存在的问题还不少,成熟度还不够。可是,在朱清时先生的论文里,弦论好像成了佛学经典理论的一个有力的科学证明,我认为这样做要冒很大的风险。因为任何宗教都坚信自己掌握了终极真理,所以任何用来证明这一点的科学理论的正确性也必须是终极的、无可替代的。否则,不完善科学理论将反过来伤害到宗教。

看过斯莫林关于弦理论的记述,我想,当科学家经历千辛万苦终于爬到山顶时看到的,也许不是已经在此等候多时的佛学大师,而是一座更高的山峰。

 

2014218

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