左芬
评《通向量子引力的三条途径》(罗韦利) 精选
2021-5-18 12:51
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评《通向量子引力的三条途径》

卡洛·罗韦利  撰

2002

左  芬     译

 

写一篇不偏不倚的书评往往是很难的。而当书的作者是你最好的朋友——一个你相当崇拜的朋友——时公正无私就变得尤其困难了:我甚至都不会去尝试。相反,我会试着解释我崇拜李的原因:为什么我觉得他的研究风格对于基础物理学当前面临的问题而言是极其重要的,以及为什么我认为他这本看似简单的书成功地锁定了当代物理学的核心问题。

 

这本书的主题是对引力的量子理论的探求。这是现代科学的大型冒险活动之一。这一探索并未结束,但在过去几年里一些始料未及的结果和部分的成功使得一些人相信其答案可能不那么遥远了。李讲述了这一追求的来龙去脉,解释了其初始的想法和成功的步骤。他的描述予人特别的兴趣,因为在由多种互相争竞的思想学派所主导,并且不同文化间极少交流的这样一个领域,李是能把握这个故事的所有方面并为我们提供整体图像的极少数科学家之一。这并不是说李采取了毫无偏私的立场。恰好相反,他猛烈地维护了他自己的独特观点。不过,他的维护是作为一个知晓并认真考虑其他人的见解——这一品质如今在理论物理中很罕见——的科学家的。李对量子引力的研究现状的刻画是犀利的,新颖的,并直刺问题的核心。“空间和时间是什么?”李在引言中问道。哪怕在发展技术时,他也从没放过这类首要的概念性问题。

 

现如今,对概念性问题的关注在理论物理中是极不常见的。主流的态度正好相反,就如同一位近期诺贝尔奖得主在一则口号中总结的那样:“不要问理论能为你做什么;问你能为理论做什么”。也就是说:让方程的技术方面引导你,而永远别问“无关的哲学问题”。

 

为什么这种实用性的,反哲学的态度会主导呢?或许物理学最迷人的一面就是需要周期性地反思它自身的基本假定,修订它自身的语法以及概念网络。但这并不是一直在发生的。存在长周期的“常规”科学,这时候物理学会在坚实的基础上茁壮成长。20世纪的后半段肯定就是基础物理学的这样一个常规科学阶段。在此期间,量子力学这一发现的广泛成果在大量领域中得到开发。在这些常规科学周期中的有效研究风格是技术化的,实用性的,并排斥任何“哲学”。游戏规则很清楚。最聪明的科学家就是最快的问题解决者。“不要问理论能为你做什么;问你能为理论做什么”。

 

这样一种实用性的态度成功地推动了基础物理学多半个世纪。然而,在过去几十年里进展缓慢下来了。粒子物理“标准模型”(现在也跟标准模型自身建立时的量子力学一样古老了)获得了远远超出最初预期的实验成功。可是,在它的发现之后,实质上没有任何其它主要的理论思想获得过任何——哪怕是些微的——实验证实。到标准模型为止,大量未经解释的实验数据限制并引导着基础理论研究。理论想法提出之后,一旦发现在实验上是不成功的,立即就会抛弃。随着标准模型的实证成功,我们拥有了这样一个随我们支配的基础理论,它看起来几乎能够刻画我们可测量的一切东西。不幸的是,接下来理论想法的发展在某种程度上完全是建立在真空上:从未被挑战过的新理论想法不是通过实验证实来获得可信度,而只是因为存活得更久。理论一直在自身的基础上发展,有时甚至达到狂暴的程度。而且它们源自于一个充满竞争的研究团体,这些人几乎从不停下来思考一下,随着这暴胀起来的理论一天天地远离实验现实,它究竟是否还对我们有用,还能否帮助我们理解“这个”世界。在这一过程中,对科学的健康发展非常关键的一些东西被置于危险境地:我们对这个世界所已知的部分与我们对它试验性的猜想之间的明确分界。我们在基础的层面上所学到的总结在量子力学,量子场论,广义相对论,以及标准模型中,而它们,在各自的适用区域内,已经证实是极其有效的。而在这些以外发展起来的任何其它理论,就我们所知,很可能完全是错的。可很不幸地,这并非理论物理中的“主流”路线,在这里最新的理论时尚有时会被视为既定事实。

 

要想继续,理论物理必须处理引力。引力意味着爱因斯坦的广义相对论。而广义相对论不仅仅是一个引力理论。它是我们对空间和时间究竟为何的一种深层的,尚未被完全领会的革命。为了前行,我们必须理解,从广义相对论中发现的时空的独特关联性与动力学性质和量子力学古怪的几率性世界如何融为一体。为了实现这一点,物理学必须再一次从头开始思索空间和时间究竟为何。再一次地,我们必须直面基本问题:几率性的量子空间是什么?几率性的量子时间是什么?正是这类问题,在之前的历史情境中引领了诸如海森堡、爱因斯坦、牛顿、伽利略、阿基米德以及他们同时代的科学家们的研究。换句话说,我们再一次地踏出了“常规科学”的边界。不幸的是,在物理学团体中仅仅只有少部分人觉得这类问题是紧要的。在过去一直很成功的一些习惯会持久下去,哪怕面对自然顽强的反抗。如今,基础物理学的大部分持续前进,专注于能为“理论”做什么,而把对基本的概念性问题的思索无限期地推迟到将来。李的研究风格绝对是不入这一主流的。他有勇气走到一旁,从当前的理论猜想出发,转而着手从我们这个世纪对世界的认识所诱发的关键概念性问题。通过这,李展现出了物理学的当前理论思索的最佳部分。

 

李的标题中的“三条途径”是指弦理论,圈量子引力,以及量子引力热力学(“黑洞热力学”)。前两条普遍被视为量子引力中两种主要的竞争学派。它们都不完整,也还没有被完全理解。弦理论,或者M-理论,是“主流”方案,起源于粒子物理。另一方面,圈量子引力对广义相对论的经验更加敏感。第三条路,黑洞热力学,并非一个竞争的理论,而是关于黑洞热行为以及它如何为量子力学所影响的大量引人入胜且令人信服的一般性理论结果。李提议这三种研究趋势很可能都会在我们对量子引力最终的理解中做出贡献。特别地,李并没有将圈量子引力和弦理论表述为两种互斥的理论,如同它们通常被评判的那样,而是将要构建的理论的两种可能互补的侧面。这本书最好的一面并非李坚持这种或那种特殊立场,而在于他能锁定主要问题,并阐明在发展引力的量子理论中涉及的概念性问题的深度。借助一些看似肤浅的描述,李引导读者实践着一些非常不平庸的概念性步骤。

 

主要问题,如同我已经提到过的,是将量子理论概念上的新颖性与广义相对论概念上的新颖性结合起来。前者改变了我们对物理系统与它的观测者之间的关系的理解。量子物理不仅仅是物理系统的态与动力学的理论,而是关于物理系统与其它系统的相互影响的。因此它揭示出奠基着物理世界动力学的一种内在关系结构。可是,这一结构被认定在一个由固定的背景时空形成的绝对舞台上发展。而另一方面,广义相对论向这类背景时空的存在性发起了挑战。引导牛顿提出这样一种时空的惯性,被约化为与一个特殊场,引力场,的相互作用,而理论的不变性要求物理的时空定域性只能被关系性地定义。因此时空被完全关系性地重新解读,以一种更贴近笛卡尔和莱布尼茨而非牛顿的方式。

 

对于一个能同时纳入量子力学和广义相对论的世界图像的发展,李明确下来的核心任务就是将量子论和广义相对论的这些关系性视角结合成一个单一的图像。在李通过这些角度——未来理论的试验性结构——所看到的世界中,空间和时间被李所称的一张关系的网络所取代。这是一种谨慎的关系论,并没有从科学大厦的实体中去掉任何东西。所呈现出来的世界图像极富挑战,引人入胜。或许技术细节仍然不太对,但在我看来困难主要在我们的直觉上:这正是20世纪物理学告知我们这个世界的样子。这不仅仅是说空间和时间都是关系;任何物理系统的所有附带性质都是关系性的。

 

将世界理解为一张演化中的关系网并不简单。不过,这本书却相当可读。想法是用直白的语言解释的,而这些想法的历史被妙趣横生地还原出本来面目:一小群人的私人关系的历史。个人轶事是这本书生动而迷人。书写很简洁,甚至过于简洁了。(对究竟什么是一个空间圈——和乐——多一点点细节可能会对一些更熟知科学的读者有所帮助。)时不时地,有些表述近乎天真,而有些论据也不那么可信(例如第一章开头部分的“只有一个宇宙”论据),但提出的想法是微妙的。在某种意义上,李要求我们从根本上成为非康德学派,并准备好不带有对空间和时间的先验塑造的任何便利残留来领会这个世界。这些想法形成了一张横贯全书的网络,并展现出时空的量子理论的一种可能结构。它试探性地回答了科学中最深刻的未解问题之一:以我们近一个世纪以来从广义相对论和量子力学中所学到的一切,来理解什么是空间,什么是时间。

 

跟更流行的科学写作中得意洋洋的炫耀与屈尊附就式的“让我解释给你听”的口吻迥然不同,李的文本叙述了一种进行中的,尚未完成的,深知困难重重与失败风险的探索。李的乐观让他在结束全书的时候憧憬到了本世纪末量子引力将进入了高中教材。考虑到过去三个世纪中理论物理学令人窒息的飞速发展,如果这一预言最终竟没有实现可能更让人惊讶。但李从未陷入过去十年里基础物理团体所犯下的最大的公共关系原罪:试图将初步假设当成既定发现来推销。

 

李超出支配性的弦理论“主流”的立场赢得了钦佩,但也招致了恶评。在amazon.com上浏览读者评论是很有意思的。一方面,热情的读者感谢李为他们打开了理论物理前沿的当代论战之门。另一方面,是类似“专家们已经认同正确的理论就是另一个”这样的尖锐评论。纽约时报评论员称该书为“一本深刻的哲学书籍”;而amazon.com上的一位评论员则称它“既算不上严格,也不会持久;简而言之,稀松平常”。

 

李的研究风格有一种方法论的味道,对此我觉得特别有意思。当前的基础理论彼此间在逻辑上是不自洽的,可是在实证方面却达到了几乎完美的程度:目前我们几乎没有任何实验数据明显地逃脱、背离或是严重质疑任何理论。这些理论间的不自洽仅仅是推理性的,因为它只会在远远超出我们如今技术范围的物理体系,或者说实验精度上才会展现出来。因此,我们寻找引力的量子理论,也就是在寻找这样一种物理理论:它生效的经验区域,我们完全无法触及。这样就会有两个问题随之而来。首先:这样的寻找是合理的吗?其次:在没有实验数据要解释的情况下,什么能引导我们去寻找这种理论?对于第一个问题,如今渐渐有了共识,其答案是肯定的。理论内在的纯粹推理性动机常常导致物理学中极其成功的进展,因而极少有人会否认这种寻找是正当且聪明的。但在如何寻找这第二个问题上,看法就天差地别了。当然,我们是(希望如此!)在“科学探索的背景”舞台上,它在某些人看来拒绝按照任何既定方法来理性重建。可是,我认为,关于隐含在当前理论物理研究中好的与坏的方法论假定,以及这些假定如何从我们预想的认知论观点中演化而来,我们有很多需要阐明和承认的地方。

 

我们仍然生活在20世纪物理学革命的余波当中。这一革命是如此的出人意料,如此的翻天覆地,以致将我们19世纪在累积科学知识方面的大部分信心一扫而空,并迫使我们去努力理解科学真理的概念:可以在一时间如此有效,却又如此善变的真理。于是我们在强烈的诱惑下,将理论完全约化到它的可测有效区域中的实证内容。但如果这是合理的,那么在我们还无法直接探索的疆域里任何事情都可能发生。而且,任何事情都可能发生这一想法事实上已经充斥着当前的理论研究。火上浇油的是,20世纪初的伟大发现(量子论与相对论)是如此的疯狂——起初,如此反直觉——以致如今的预期常常是,一个想法如果不是类似地疯狂和离谱,就好不到哪里去。对世界疯狂性的这一心照不宣的信念,并从我们威力无穷的想象力中找出疯狂理论来把握它,主导了当前的研究。有时候想法会因为“激进”而被钟爱。而且往往一个理论想法只要在理论中有用就够了,并被赋予一定的合法性。想法似乎是出乎意料地选中的,然后在一个自由的理论空间中彼此竞争,就像在黑塞的《玻璃珠游戏》里一样。

 

 在我看来,这是愚蠢的。理论物理的巨人们(我们站在他们的肩上)得出最革命,最疯狂,最惊人的想法并非是凭空想象的。它们是利用已有数据和现存理论对自然进行谨慎、保守、学究式的拷问而得出的结果。开普勒借用椭圆——他之前已经用作托勒密的本轮的近似——是在与火星轨道多年斗争后,为微小的八弧分残余所迫。爱因斯坦抛弃掉同时性,只是为了拯救速度的相对性和麦克斯韦方程的成立。狄拉克预言反粒子,因为他深信狭义相对论与量子论。诸如此类。可能性的空间过于广泛,而我们的想象力过于微不足道:我们只能靠仔细讯问我们拥有的线索来找出一种有用的方式,而不是自由放飞想象力。而我们拥有的线索存在于我们至今为止对世界的认知。归纳推理在一定范围内是有效的,但科学史让我们有理由相信,它常常对更远的目标也是有效的。爱因斯坦不可能有坚实的证据证明伽利略的速度相对性必然在远远超出低速力学时成立。麦克斯韦方程似乎很明显地违背了它。然而爱因斯坦可以看出,伽利略的这一直觉把握住了一种很广泛的实在性:与运动的本质有关的某种东西。这给了爱因斯坦信心去假定,这一实在性可以远远超出它被检验过的有限经验区域而成立。

 

激发了李所倾向的研究方向的方法论假定是对知识的这一积累性的信念,尽管在科学革命中不可避免地会涉及到剧变。在升华到一个更广泛的理论时,不仅仅是理论的实证部分得到了保留。其想法是,要想朝着未开拓的疆域前进,我们必须深度质询对大自然已经知道的内容。爱因斯坦通过结合伽利略的惯性系统等效性与麦克斯韦方程发现了狭义相对论:他只是假定此二者在远远超出其既定区域时仍然成立,并寻求它们可以共存的一种概念性方案。李的方法论假定与此相同。为了找到量子引力,我们先深入理解至今为止对这个世界的确切认知——借由广义相对论,量子力学,以及热力学。如果我们能对此理解得足够深入,或许所有这些能和平共存的一个概念性结构是否会出现将逐渐明朗起来。如果为了抵达那里,我们不得不改变空间和时间的含义,那么这一改变也并非由任何把玩“激进”想法的癖好所激发,而是源自我们对世界的认知。在一个实证成功的理论中表现为真的一般性事实,很有可能远在理论本身成功证实过的区域之外保持为真:仍然是归纳推理,但针对更远的目标。

 

我们现在来点评一下李的想法——其中大部分与我一致,但也有一些我不认同。例如,我不认为李完全接受时间关系性特征的激进后果。广义相对论为我们揭示了我们世界的全部时空性质的关系性本质。空间的关系型特征在西方思维中是常见的,其起源可以远溯到亚里斯多德将空间定义为一种包容物,以及笛卡尔将定域性定义为物体之间的邻近性(接触性)。但据我所知(可能仅在距现代科学相当遥远的哲学环境下被预见过),时间的关系性特征是新颖的,而且更难吸收。李将时间视为演化过程随之发生的某种东西。我认为这跟广义相对论的微分同胚不变性是不相容的。正因为这一不变性,理论不会将相关变量的演化描述为独立变量的函数:对于每一个态,它仅仅提供了全都处于相同地位的变量之间的函数关系。我的观点是,在这样一个理论框架中,很难导出一种有用的演化概念。广义相对论的世界并不演化。时间“流动”和演化的概念适用于世界其它层次的描述,例如统计力学和热力学,在那里我们对世界真实态的无知在描述中起了关键作用。演化是否为广义相对论物理最好地刻画,仍是现代时空物理中一个迷人且未解的诠释性问题。我认为要在这一问题上取得进展,哲学思索很可能是必不可少的。

 

李预料,从根本上理解时空的量子性质的问题与理解整个宇宙的量子力学的问题是纠缠在一起的。我怀疑这两个问题是可以分离的,而且我们可以在找出第二个问题(量子宇宙学)的答案之前,找到第一个问题(量子引力)的自洽答案。一个诱人的,但时常误导的假定就是,这两个我们不理解的问题是相互关联的。量子力学,在我们当前的理解下,是描述一个物理(“量子”)系统与另一个“外在”系统相互作用的方式的一个理论。在这一描述下,外在系统,有时也称为“观测者”,的量子性质常常被忽略了。这对于整个世界力学的一个一般性理论来说可能是不尽如人意的(也可能够了);但我认为,这一问题与结合广义相对论与量子论的问题是截然不同的。这两个问题相互关联这一想法的起源如下。为了使用引力的量子理论,也就是说时空的量子理论,我们需要一个“外在”的观测者,但有什么东西能相对于时空本身是“外在”的呢?因此一个有效的时空量子理论必须克服区分量子系统与观测者的需求。问题在于这一论证混淆了外在的动力学概念与时空概念。我可以考虑动力学“外在”于电磁场的一个测量仪器,哪怕这个仪器是处在场内的。在宇宙学框架下,研究的系统可以由引力自由度(它们中的一部分,或者甚至全部)来表征,而外在系统是我们的测量仪器。这不是说不存在量子宇宙学的问题。但哪怕时空是平的,引力不存在的时候,也会有量子宇宙学的问题。而且即使忽视掉量子宇宙学也会有量子引力的问题。这两个问题在逻辑上是独立的,因而我们也许可以找到引力的一个自洽的量子理论,就在当前区分量子系统与经典观测者的量子论框架中。

 

最后一个小小的不同意见:李表达了这种期望,量子引力的不同思想学派最终全部会(至少部分地)是对的。至于我,我时常担忧他们可能最终全都会是错的!(不过,说到底,李是一个乐观的美国人,而我是一个不抱幻想的欧洲人……)

 

我确信读者会找出他或者她自己不同意李的想法和猜测的理由。但是,无论如何,这更增加了这本富于挑战又振奋人心的书的魅力。李提出问题,并能有效地将读者——有素养的思考者,以及科学的门外汉——引入当代基础物理学百花齐放的想法之中,同时也引入它的众说纷纭当中。最重要的是,这本书以谦逊的态度清晰地传达了物理学当前最好的理论活动中饱含的激情。


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