的廣義相對論,其前身則是煌煌的牛頓力學!
物理學到了這個地步,隻剩下了最後一個分歧,但也很可能是最難以調和和統一的分歧。量子場論雖然爭取到了狹義相對論的合作,但它還是難以征服引力:廣義相對論拒絕與它聯手統治整個世界,它更樂於在引力這片保留地上獨立地呼風喚雨。從深層次的角度上說,這裏凸現了量子論和相對論的內在矛盾,這兩個20世紀的偉大物理理論之間必定要經曆一場艱難和痛苦的融合,才能孕育出最後那個眾望所歸的王者,完成“普天之下,莫非王土”的宏願。
物理學家有一個夢想,一個深深植根於整個自然的夢想。他們夢想有一天,深壑彌合,高山夷平,荊棘變沃土,歧路變通衢。他們夢想造物主的光輝最終被揭示,而眾生得以一起朝覲這一終極的奧秘。而要實現這個夢想,就需要把量子論和相對論真正地結合到一起,從而創造一個量子引力理論。它可以解釋一切的力,進而闡釋一切的物理現象。這樣的理論是上帝造物的終極藍圖,它講述了這個自然最深刻的秘密。隻有這樣的理論,才真正有資格稱得上“大統一”,不過既然大統一的名字已經被GUT所占用了,人們給這種終極理論取了另外一個名字:萬能理論(TheoryofEverything,TOE)。
愛因斯坦在他的晚年就曾經試圖去實現這個夢想,在普林斯頓的那些日子裏,他的主要精力都放在如何去完成統一場論上(雖然他還並不清楚強力和弱力這兩個王國的存在)。但是,愛因斯坦的戰略=
在科學問題上打賭的風氣由來已久,而根據2002年Nature雜誌上的一篇文章(Nature420,p354),目前在科學的各個領域內各種各樣的賭局也是五花八門。這也算是科學另一麵的趣味和魅力吧?不知將來是否會有人以此為題材,寫出又一篇類似《80天環遊地球》的精彩小說呢?
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五
在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中,物理學家一開始采用的是較為溫和的辦法。他們試圖采用老的戰術,也就是在征討強、弱作用力和電磁力時用過的那些行之有效的手段,把它同樣用在引力的身上。在相對論裏,引力被描述為由於時空彎曲而造成的幾何效應,而正如我們所看到的,量子場論把基本的力看成是交換粒子的作用,比如電磁力是交換光子,強相互作用力是交換膠子……等等。那麼,引力莫非也是交換某種粒子的結果?在還沒見到這個粒子之前,人們已經為它取好了名字,就叫“引力子”(graviton)。根據預測,它應該是一種自旋為2,沒有質量的玻色子。
可是,要是把所謂引力子和光子等一視同仁地處理,人們馬上就發現他們注定要遭到失敗。在量子場論內部,無論我們如何耍弄小聰明,也沒法叫引力子乖乖地聽話:計算結果必定導致無窮的發散項,無窮大!我們還記得,在量子場論創建的早期,物理學家是怎樣地被這個無窮大的幽靈所折磨的,而現在情況甚至更糟:就算運用重正化方法,我們也沒法把它從理論中趕跑。在這場戰爭中我們初戰告負,現在一切溫和的統一之路都被切斷,量子論和廣義相對論互相怒目而視,作了最後的割席決裂,我們終於認識到,它們是互不相容的,沒法叫它們正常地結合在一起!物理學的前途頓時又籠罩在一片陰影之中,相對論的支持者固然不忿氣,擁護量子論的人們也有些躊躇不前:要是橫下心強攻的話,結局說不定比當年的愛因斯坦更慘,但要是戰略退卻,物理學豈不是從此陷入分裂而不可自拔?
新希望出現在1968年,但卻是由一個極為偶然的線索開始的:它本來根本和引力毫無關係。那一年,CERN的意大利物理學家維尼基亞諾(GabrielVeneziano)隨手翻閱一本數學書,在上麵找到了一個叫做“歐拉β函數”的東西。維尼基亞諾順手把它運用到所謂“雷吉軌跡”(Reggetrajectory)的問題上麵,作了一些計算,結果驚訝地發現,這個歐拉早於1771年就出於純數學原因而研究過的函數,它竟然能夠很好地描述核子中許多強相對作用力的效應!
維尼基亞諾沒有預見到後來發生的變故,他也並不知道他打開的是怎樣一扇大門,事實上,他很有可能無意中做了一件使我們超越了時代的事情。威頓(EdwardWitten)後來常常說,超弦本來是屬於21世紀的科學