陳文廣

超弦理論

引力是什么？牛頓認(rèn)為它是兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間的吸引，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為它是一種時(shí)空彎曲，量子力學(xué)則認(rèn)為它是由一種被稱(chēng)為引力子的粒子在不同物質(zhì)之間的交換產(chǎn)生的。廣義相對(duì)論是對(duì)的，量子力學(xué)也是對(duì)的，這兩套理論在引力問(wèn)題上的矛盾在告訴我們，引力是什么，我們確實(shí)還沒(méi)有真正弄清楚。

也許引力根本不是我們想的那樣子，有人認(rèn)為引力可能是某種“弦”產(chǎn)生，有人認(rèn)為它是由某種“場(chǎng)”產(chǎn)生，這兩種看法分別來(lái)自于超弦理論和圈量子引力理論。更有趣的是，有人甚至認(rèn)為引力根本就不存在，它不是一種力，而是一種熵增現(xiàn)象，這是怎么一回事呢？

引力是超弦的一種振動(dòng)模式？

蘋(píng)果可以平分成兩份，兩份又可以分成四份，四份又可以分成八份，貌似可以無(wú)限分下去，直到不能再分為止。那么，什么是組成物質(zhì)最小的單位（即基本粒子）呢？1789年，法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫定義了原子一詞，認(rèn)為原子是化學(xué)變化中的最小的單位。19世紀(jì)初期以后人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了比原子還小的中子和質(zhì)子，20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了比質(zhì)子和中子更小的其他強(qiáng)子，20世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)子的組成單位——夸克?？淇诉€可以再分嗎？

“弦”相互作用

已經(jīng)沒(méi)有人能把夸克分開(kāi)了，但很快有科學(xué)家提出：也許，在基本粒子的內(nèi)部，還存在著更細(xì)微的某種未知的東西在決定著這個(gè)世界的現(xiàn)象和規(guī)律，這個(gè)更細(xì)微的東西也許能解開(kāi)廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的矛盾之結(jié)。超弦理論就是在這種思想下提出來(lái)的，該理論認(rèn)為，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克等等這樣的基本粒子，這些看起來(lái)像粒子的東西實(shí)際上都是很小很小的“弦”——在每一個(gè)基本粒子內(nèi)部，都有一根細(xì)細(xì)的線在振動(dòng)，就像小提琴琴弦的振動(dòng)一樣，因此這根細(xì)細(xì)的線就被科學(xué)家形象地稱(chēng)為“弦”。

空間依附場(chǎng)線而存在

撥動(dòng)吉他一根弦，你會(huì)聽(tīng)到一個(gè)音。撥動(dòng)另一根弦，你會(huì)聽(tīng)到另一個(gè)不同的音調(diào)，因?yàn)椴煌南艺駝?dòng)的模式不同。一個(gè)音樂(lè)家通過(guò)一個(gè)吉他的六弦合奏，使這些弦在不同頻率振動(dòng)，便可創(chuàng)造出無(wú)數(shù)美妙的音樂(lè)。像琴弦的不同振動(dòng)模式彈出不同的樂(lè)音那樣，粒子內(nèi)部的弦也有不同的振動(dòng)模式，只不過(guò)這種弦的振動(dòng)不是產(chǎn)生什么音樂(lè)，而是產(chǎn)生一個(gè)個(gè)粒子。不同粒子的性質(zhì)由弦的不同振動(dòng)模式來(lái)決定，各種不同的粒子只不過(guò)是弦的不同振動(dòng)模式而已——電子是以某種方式振動(dòng)的弦，上夸克又是以另一種方式振動(dòng)的弦，如此等等。弦振動(dòng)地越劇烈，粒子的能量（質(zhì)量）就越大;振動(dòng)地越輕柔，粒子的能量（質(zhì)量）就越小。

弦本身很簡(jiǎn)單，只是一根極微小的線，弦可以閉合成圈（閉弦），也可以打開(kāi)，看起來(lái)像頭發(fā)一樣（開(kāi)弦）。弦可以分解成更細(xì)小的弦，也能與別的弦碰撞構(gòu)成更長(zhǎng)的弦。例如，一根開(kāi)弦可以分裂成兩根小的開(kāi)弦，也可以分裂成一根開(kāi)弦和一根閉弦;一根閉弦可以分裂成兩個(gè)小的閉弦;兩根弦碰撞可以產(chǎn)生兩個(gè)新的弦。所以，自然界中所發(fā)生的一切相互作用，都可以用弦的分裂和結(jié)合來(lái)解釋。

在量子理論中，每一個(gè)粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性?，F(xiàn)在我們可以理解，粒子的波動(dòng)性就是由弦的振動(dòng)產(chǎn)生的。物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，弦的振動(dòng)模式與粒子之間的四種相互作用力存在著直接的聯(lián)系——一根弦所產(chǎn)生的引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力完全由它的振動(dòng)模式?jīng)Q定。

弦的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，以至于三維空間已經(jīng)無(wú)法容納它的運(yùn)動(dòng)軌跡，必須有高達(dá)十維的空間才能滿(mǎn)足它的運(yùn)動(dòng)，這是由弦的性質(zhì)決定的。就像人的運(yùn)動(dòng)無(wú)法在二維平面中完成，只能在三維空間中完成一樣。所以超弦理論認(rèn)為，這個(gè)世界的空間其實(shí)是有十個(gè)緯度的，除了我們生活的三維空間，還有七個(gè)我們不知道的空間維度（多出來(lái)的維度稱(chēng)為額外維）。

不同維度下的物體的樣子

而宇宙開(kāi)始于一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)隱藏了宇宙開(kāi)始時(shí)刻的十維空間秘密。后來(lái)，這個(gè)點(diǎn)發(fā)生爆炸，意味著十維空間發(fā)生了崩裂。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)只是不同緯度的物理規(guī)律的表現(xiàn)，從這個(gè)角度看，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是不矛盾的，它們不是完全處于同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行的比較。我們?cè)谏畹娜S空間中看它們，如同管中窺豹一樣看不全面，覺(jué)得它們矛盾也是可以理解的。

圈量子引力理論

不過(guò)，額外維度是很難被人接受的，從感性上說(shuō)，我們生活在一個(gè)已經(jīng)熟悉的三位空間的世界里面，從理性上說(shuō)，至今沒(méi)有探測(cè)到任何其他的空間維度，它只存在于理論中。相比于超弦理論，有一種叫做圈量子引力的理論似乎更加“實(shí)在”，這種理論僅僅基于我們生活的四維時(shí)空（三維空間，一維時(shí)間），不增加任何額外維度。圈量子理論還是從困擾當(dāng)今物理學(xué)界的引力量子化（廣義相對(duì)論中，引力是連續(xù)的，引力量子化就是試圖將引力描述成一份一份的引力子）的角度出發(fā)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大一統(tǒng)。

圈量子引力理論

那么什么是圈量子引力理論呢？圈量子理論的“圈”，其實(shí)是來(lái)自場(chǎng)的性質(zhì)：物質(zhì)產(chǎn)生場(chǎng)，例如電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。場(chǎng)線由物質(zhì)出發(fā)，也結(jié)束于物質(zhì)。如果空間沒(méi)有物質(zhì)的話，場(chǎng)線是會(huì)自我閉合的，自我閉合的場(chǎng)線看起來(lái)就像一個(gè)圈。以電場(chǎng)為例，電場(chǎng)線從正電荷指向負(fù)電荷。觀察電場(chǎng)線的分布我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們往往呈對(duì)稱(chēng)分布。如果把正負(fù)電荷拿開(kāi)，兩條對(duì)稱(chēng)的電場(chǎng)線就會(huì)閉合成一個(gè)圈。

圈量子理論主張將場(chǎng)和物質(zhì)都用場(chǎng)線來(lái)描述。如何做到這一點(diǎn)呢？場(chǎng)線本身就是為了描述場(chǎng)的性質(zhì)而引入的，只需將物質(zhì)定義為場(chǎng)線的節(jié)點(diǎn)（交點(diǎn)）就好了，例如電場(chǎng)線的交點(diǎn)代表了正負(fù)電荷。物質(zhì)代表了空間，空間變成了點(diǎn)。也就是說(shuō)，在圈量子理論中，空間不再是客觀實(shí)體，它只能依附場(chǎng)線而存在。場(chǎng)線，能主宰一切空間和物理作用。失去了空間的基礎(chǔ)，原先的量子力學(xué)和廣義相對(duì)論都要在圈量子引力理論的框架內(nèi)改寫(xiě)，這可以導(dǎo)致量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的矛盾消失——例如量子力學(xué)的空間不確定性和廣義相對(duì)論的空間確定性的沖突不復(fù)存在。在圈量子引力的理論中，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論達(dá)到新的統(tǒng)一。

目前，超弦理論和圈量子引力理論還只是處于假想階段，無(wú)法進(jìn)行任何驗(yàn)證，而且這兩種理論也在不斷的發(fā)展和更新中。我們期待，它們會(huì)取得更大的突破。

引力真的是一種基本力嗎？

荷蘭物理學(xué)家埃里克·弗林德認(rèn)為，引力不是一種基本作用力，它其實(shí)根本不存在。引力只是一種熵變現(xiàn)象，或者可以將引力稱(chēng)為一種“熵力”。理解熵力之前，我們先了解熵是什么：熵是熱力學(xué)中描述體系混亂程度的參量。熵越大，表示體系的混亂程度越大。而且根據(jù)熱力學(xué)第二定律：在自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會(huì)減小。這意味著，如果不施加外界約束，體系變得混亂是自然而然的事情，熵增大是一種自發(fā)的過(guò)程。

那么什么是混亂呢？其實(shí)，混亂是相對(duì)于有序來(lái)說(shuō)的，有序意味著分子排列有一定的規(guī)則。例如一塊糖，它的分子是排列整齊的、有序的，但是如果把它放到水里，它會(huì)融到水中，變得無(wú)序和混亂。又例如，在房間里，我們噴下幾滴香水，香水分子很快開(kāi)始互相遠(yuǎn)離并向四周散去，導(dǎo)致香水味很快便充滿(mǎn)房間。以上過(guò)程都是熵增的現(xiàn)象，且都沒(méi)有發(fā)生力的作用，但是為了便于理解，我們假設(shè)存在一個(gè)“熵力”施加于粒子之間，促使這些粒子便混亂，使得熵增現(xiàn)象發(fā)生。

那么，引力為什么說(shuō)是一種熵力呢？熵增是粒子秩序變得更加混亂的過(guò)程，可以理解為粒子的重新分布。而宏觀物體就是由粒子所組成，物體的分布的改變也就意味著熵的改變。弗林德認(rèn)為，兩個(gè)物體內(nèi)部，以及這兩個(gè)物體周?chē)沫h(huán)境中粒子的集中程度是不一樣的。一個(gè)物體被另一個(gè)物體吸引，并且試圖向另一個(gè)物體靠近，是一種自發(fā)的行為。因?yàn)樗沽Ｗ又匦路植?，體系變得更混亂，是一種熵增行為。這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有力的作用，為了方便描述，我們可以說(shuō)物體是受到了“熵力”的作用。

熵增：由有序變得混亂

從17世紀(jì)中期牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力以來(lái)，人類(lèi)認(rèn)識(shí)引力的歷史已經(jīng)跨越了四個(gè)世紀(jì)。從最初牛頓的萬(wàn)有引力定律到現(xiàn)在先進(jìn)的超弦理論、圈量子引力理論和“熵力”理論等等，人類(lèi)的有關(guān)理論是越來(lái)越多了。但很遺憾，科學(xué)家對(duì)引力究竟是什么仍然沒(méi)有達(dá)成一致，我們?nèi)匀贿€沒(méi)搞清楚引力是什么東西。事實(shí)是，我們真的還不了解引力！