互动科普

一阵微风吹拂进来，为坐在天蓬下的科学家们驱动了闷热的空气，带来了片刻的轻松。一只喜鹊喳喳地叫着，不时打断研究会发言者单调的话语。斯坦福大学的Renata Kallosh—边在一块临时凑合的黑板上书写方程式，一边说，“我想让我的四维正则引力在无穷远处成为一维。”从遥远的地方传来一阵渐强的乐曲，并嘎然而止。芝加哥大学的Jeffrey A. Harvey正提出一个问题：

“你的黑洞具有零质量究竟是什么意思？它们是否以光速运动？”

“不，它们什么都没有，没有动量。”圣巴巴拉市加利福尼亚大学的Gary T. Horowitz回过头来回答道。

“啊，胡扯！”那是斯坦福大学的Leonard Susskind的话。

"它们没有能量，没有动量——那里什么都没有！”Harvey抗议道。

激烈的争论在没有结论的情况下转移了。这是在科罗拉多州落基山中的阿斯彭物理中心聚会的理论物理学家中零星地爆发出来的许多争论之一。空气中充斥着一种几乎是压制着的激动。理论物理学家们相信，万物理论(简称作TOE)正在这个角落上空盘旋。

当TOE最终被人们所抓住——幻想为此——它将简单得足以写成单独一个方程式并得出其解。其答案将确凿无疑地描述一个属于我们的宇宙:具有三个空间维和一个时间维；具有构成椅子、喜鹊和星体的夸克、电子和其他粒子；具有把一切聚集在一起的引力、核力和电磁力；甚至具有一切赖以开始的大爆炸。物理学的主要范式——包括量子力学和爱因斯坦的引力——将被证明是密切相关的。新泽西洲普林斯顿髙级研究所的Edward Witten预言：“我们今天所知道的物理学概念将随着故事的展开而完全改观。”

十多年前，当弦理论作为一种TOE获得人们青睐时，我们也听到了一些宏大许诺。物理学家构造弦理论是出于这样一种设想，即宇宙中最基本的物质是一种小得难以想象的弦。他们假设，这种弦的波动产生了宇宙中的一切粒子和力。这些弦的圈或段大约10^-33厘米，以许多不同的方式振动，就象小提琴的弦那样。每一种振动方式具有一个固定的能量或质量，因此根据量子力学的定律可以看作是一个粒子。但弦理论很快陷入了数学障碍之中：它分裂成五种互相竞争的理论。圣巴巴拉市加利福尼亚大学的Andrew Strominger无奈地评论道，“具有五个统一理论不符合美学原则。”更严重的是，这些理论有着成千万个解，它们大多数看上去都根本不象我们的宇宙。1986年，当哈佛大学的Sheldon L.Glashow被人要求用不多于7个单词来总结TOE时，这位长期以来持批评态度的科学家装作痛苦的样子呼喊，“啊，上帝，你为什么拋弃了我？”

上帝似乎听到了他的呼喊。一种称为二象性（duality）的新对称性正把把所有这些不同的弦相互搓捻到一起。事实上，二象性正在重新定义物理学家所认为的基本粒子——或弦。现在看来，基本物质是它们所创造的那些粒子构成的。Witten认为，二象性不仅将导致一种万物理论，而且有可能说明宇宙为何是这个样子的。他指出，“我认为，我们正朝着对量子力学作出一种解释的方向前进。”还没有听到什么对该理论的当前表述的批评意见：弦数学是如此的复杂，它把广大的物理学家和数学家都抛在了后头。

与此同时，根据二象性所确定的世界正变得越来越古怪，弦很容易变异成黑洞，反之亦然。新的维数在不同的领域冒出来。不仅弦，气泡和其他膜也在宇宙的小道上闪烁。研究人员们相识，众多的联系都指引到一个更深入的统一体——也许是TOE——它解释了一切，得克萨斯农业与机械大学的Michael J.Duff指着附近说，“它就象白杨树，有一个根系蔓延在地下。你们只看见戳破地表的那一点。”

新对称性

“二象”这个词——在粒子理论中很快就代替了“超”成为最滥用的词——对于物理学家来说具有许多不同的内涵。广义地说，如果两种理论显然不同但又作出同样的物理预言.就称它们是二象的。例如，假如麦克斯韦电磁方程中的所有电磁量都作了互换，名义上就得到了一种不同的理论。但是，如果除了电荷之外，假定世界上含有磁荷（比如一根磁铁的弧立北极)，这两种理论就变得严格相等——即二象的了。

更狭义地说，二象性使得基本的和复合的物体可以互换:一个粒子或其他实体是不能分割的基本事物，还是它本身是由更基本的实体所构成，有赖于你的观点。两种看法最终都产生同样的物理结果。

二象性的第一个迹象出现在物理学家研究量子场理论的时候。量子场理论把粒子描述成在空间-时间上扩展的量子力学波。在称为量子色动力学（即QCD）的场理论中，夸克是一种具有色的基本粒子。色很象电荷，使得夸克相互之间吸引得非常牢固，聚成粒子对和三个粒子的族，形成了更大的复合粒子，如质子。

正象在我们所熟悉的世界里不存在带磁荷的粒子一样，也不存在带色磁荷的粒子。但是，1974年荷兰乌德勒支大学的Gerard‘t Hooft和当时在莫斯科附近兰道研究所的Alexander Polyakov阐述了这些场如何能编织成具有色磁场的小球。这种球（在物理学家的眼中，它们是布满代表矢量的箭头、象刺猥似的小球)通常称为孤子(soliton),性能象粒子。因此，一种关于带色电荷的夸克的理论也可能意味着存在着带色磁荷的孤子，或称为单极子。单极子可能是复合粒子，因为它们是从更基本的夸克的场衍生而来的。

1977年在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CEHN)工作的Da-vid Olive和Claus Montonen推测，涉及色的场理论可能是二象的。那就是说，夸克并非基本的，单极子并非复合的，人们也许可以把单极子想象成基本的。于是，人们可以从一种单极子相互作用的场理论出发，发现这种场产生了看上去象夸克的孤子，无论夸克还是单极子，在这个理论中应产生相同的物理结果。

大多数理论家持怀疑态度。即使二象性确实存在，也被认为不可能证实:量子色动力学的数学极其困难，必须计算两组预测来作比较。拉特格斯大学的Nathan Seiberg指出，“在物理学中，精确计算某些东西是十分罕见的。”然而在1994年2月，印度孟买市塔塔研究所的Ashoke Sen证明，有时二象性的预测能够精确地验证，而且二象性预测是真实的。

Sen的计算在理论界扭转了乾坤。Harvey髙兴地说，“Witten从告诉大家这是浪费时间转变成告诉大家这是应该去做的最重要的事情。”Witten常常被批评者称为弦理论的“教主”。在过去二十年中，他多次推动了粒子物理学的发展。

与此同时,Seiherg在拉特格斯大学开发出了一种用来研究量子色动力学的极其有用的计算捷径。他的研究是建立在超对称基础之上的。超对称理论认为。对于构成物质的每一种粒子应该存在着一个传递力的相关粒子，反之亦然。尚未在自然界发现这种超对称，但理论家常常借助它的力量。

通过利用超对称来抑制粒子之间的相互作用，Seiberg能够证明如何来解决迄今为止无法进行的量子色动力学计算。他和Witten继续又证明，包括超对称在内的一些量子色动力学版本是二象性的。

立即便有了一个惊人的成果。由于夸克强烈地相互作用，即“耦合”，量子色动力学极难以计算，但单极子的相互作用很弱，因此对它们进行计算很容易。二象性将允许理论家们去研究单极子，于是自然而然地知道了量子色动力学的所有答案。Harvey说：“它是一种魔术。我们还不知道它为何管用。”在二象性的帮助下，Seiberg和Witten继续去详细计算为何自由夸克永远不能在自然界观测到，即证明70年代由‘t Hooft和伯克利市加利福尼亚大学的Stanley Mandelstam提出的一种机制。

当然所有这些研究的有效性取决于这样一种假设，即超对称是真实的。Seiberg还希望，即他超对称不存在，二象性沿终也能取得成功。这样的话，“即使定量结果有赖于超对称，定性结果也将是真实的。”

然而，二象性远不仅仅结一种计算工具：它是观察世界的一种新方法。Harvey指出，“有些被认为是复合的东西，变成基本的了。”反之亦然。即使原先很保守的Seibere也不能拒绝下述假设，即夸克是孤子，它们是某些甚至更小的基本粒子的对偶。

把弦串起来

二象性概念可能已经发展到超出场理论之外了，但如Sen认为的那样，“二象性在弦理论中自然得多。”它也更灵活。二象性能把不同种类的弦联合起來，在不同维和不同形状的时空中存在。所有这些特征都允许弦理论克服它的局限,上升到一个万物理论的地位。

在弦理论形成的初期，由于假定了许多种类的弦，又由于它提出了不圆满的多重答案，弦理论没有能成为一个统一理论。这种多样性源自弦理论的另一特征——只有当弦存在于10维时空的情况下弦理论才是自洽的。当然，现实世界只有4个维，即三个空间维和一个时间维。额外6个维假定卷曲得如此紧密，以至不能被大物体比如人类——或甚至夸克——探测到。康奈尔大学的Brain R.Greene指出，“请设想一根花园中浇花的水管，从远处看它是一维的，象条线。如果你走近些，你看到它实际上是一个两维表面，有一维紧紧地卷曲着。”

对于弦理论家来说，不幸的是那额外的6个维能以许多不同的方式卷曲。Strominger戏说道，“正式的估计是几万。”这些弯曲的空间的每一个都产生一个不同的弦理论解，在4维世界中有自己的图象——并非人们想从一个万物理论所获得的那个图象。

在80年代末发现的叫做镜面对称的一种二象性，通过含并一些可替换的解有助于缩小这个问题。镜面对称指出，在两个不同的卷曲空间中的弦有时候会产生同样的粒子。例如，如果有一个维变得非常小，围绕这个维的一根弦——如象绕水管卷起来的一块橡皮——有可能产生与在一个“胖的”维中运动的弦相同的粒子。

在弦理论中，一个维收缩到的尺寸与另一个参数——粒子相互作用的强度——很相似。1990年，在欧洲粒子物理实验室合作的Anamaria Font,Luis E.Ibanez、Dieter Lust和Fernando Quevedo提出，耦合强度也存在象镜象对称的某种东西。正象大的空间能具有与小空间相同的物理学一样，也许具有大耦合的一种弦理论能给出与具有小耦含的另一种弦理论相同的结果。

这一猜想就象二象性在场理论的作用那样，把弦理论互相联系起来。此外，从远处看，弦就象粒子。因此弦理论的二象性意味着场理论的二象性，反之亦然。每当二象性在两种场合下检验，它总是完全成功地通过，有助于把弦理论和场理论这两大领域拉得更近。

同时，二象性是从一种完全不同的地方——超引力来的。这一统一理论是要把爱因斯坦的引力扩展到包括超对称的一种尝试。（相反，弦理论试图修改粒子理论来包括引力。）1986年，当时在伦敦帝国学院的Duff能够推导出一幅超引力的图象，它涉及一种全新的基本实体——一个气泡的振动。弦在10个维中摇动，而这个气泡却在11个维中浮动。

Duff回忆道：“弦理论界的大多数人对此一点不感兴趣。”——很可能是因为没有人知道如何去计算这个气泡。然而他继续研究那些涉及封闭膜的不同理论。他发现，一种通过10维空间运动的5维膜（“5-膜”）能够作为弦理论的一个替代描述。

“5-膜”能像香肠的肠衣那样围绕一个内部卷曲的空间把自己包裹起来。但如果这个内部空间缩小到一无所有，气泡的结局就看上去像一根弦。Duff提出，这种卷曲弦实际上与弦理论中的那些弦是相同的，假定了一种“弦-弦”二象性。与此同时，玛丽女皇和威士菲尔德学员的Christopher M. Hull和剑桥大学的Paul K. Townsend假设了弦理论中二象性的许多推广。Duff目光炯炯地说，“两组理论家都没有十分关注对方的论文。”

二次性爆炸

到了1995年3月，在南加利福亚大学的一次会议上，事情终于水落石出。那一天，Witten第一个发言，他从各种不同领域收集到有关二象性的证据。他认为，Hull,Townsend和Duff所谈论的都是同一个观点。并进一步推测.Duff在11维中的气泡是在10维中的一种特殊弦的孤子。Seiberg在Witten之后发言。加州理工学院的John H.Schwarz笑着说，“Natty(Seiberg)深受Witten讲话的吸引。他说道，我应成为一个卡车司机。”但Seiberg也列举了许多新成果，促使Schwarz(弦理论的倡始者之一）开始说，“我要弄一辆三轮车。”

接着搞了许多活动，并迄今势头不减。每天,科学家们稳坐在洛斯阿拉莫斯国家实验室的电子预印图书馆里，能发现有关这一内容的大约10篇新论文。图林斯综合工科大学（Polytechnic of Turins)的Anna Ceresole指出，“这是你每天早上做的第一件事情，就象读报纸一样。”有关二象性的分散、离奇的证据不断出现，把弦和气泡与种类繁多、形状各异的孤子相联系起来。

有一种类似毛虫的孤子，矢量箭头沿着一条线向外指，它结果被证明是与一种基本的弦成二象性的。（它也类似于一条宇宙弦，这是10年前由Witten在宇宙学中开创的一种流行观点。）压缩进真实世界——4维的世界一一中的不同种类的弦也被证明是成二象性的。Senberg指出，“事物以不同的理由而发生，但它们却相互一致。让人感到象魔术一样。”

在疯狂寻找二象性的背后有一个原因。Sen指出，“许多弦理论不是现实的。我们需要理解它们的每一个，以找出那个真实的理论。”二象性可用来联系，从而可减少选择的数目。Witten相信，那涉及10维的5个弦理论（现在正风行一时)，将被证明都是一个最终超级量子弦的各种映象。

Duff甚至提出，一种许多二象性的二象性——空间之间的二象性以及基本物体和复合物体之间的二象性——有可能被证明是有联系的。这种观念中最特殊的预测是，一个卷曲空间的尺寸会影响粒子间相互作用的强度，反之亦然。因此，如果一个内部的维很大，粒子之间的耦合力可能也很大。

Susskind解释道，此外“当你从一个地方走到另一个地方时，这个内部的维的尺寸可能改变。”如果一个卷曲维破裂，在宇宙的某个遥远的角落，时空获得了一个新的维，第5维。当它被挤紧时，就象在我们周围的环境中那样，量子效应就出现了。事实上，与量子理论相关的基本尺度（称为普朗克常数)是与二象性紧密地牵连在一起的：例如，它把一个粒子或弦的质量与粒子或弦的对偶的质量联系起。拉特格斯大学的Stephen H.Shenker指出，“弦理论有可能教会我们有关量子力学的知识。对我来说，那是最有说服力的证据。”

Duff揺摇头，不解地说，“突然，维在改变，基本物质的维在改变，到处缠绕，任何东西都变了。”Townsend的另一个建议是某一种类型的“民主”——证明是弦理论孤子的膜很可能都是基本物质，具有与弦相同的地位。这个主张还有待美国科学家们的理解。他们指出，对膜的计算仍然没有说明什么问题。就象哈佛大学的Cumrun Vafa怀疑地指出的那样，“它就象那种从小路窜出来的车，你永远无法预先知晓。”

黑洞

似乎那还不够，1995年4月在弦与黑洞之间出现了一种联系——它有可能克服弦理论中第二个重大难题。杜克大学的Strominger,Greene和David R.Moirrison发现，在一个复杂的网中，黑洞有助于把弦理论的几万个解中的也许几千个解联系起来。这些联系使得寻找弦理论“正确”解的问题变得容易得多。而弦理论是描述我们的宇宙的。

从某种意义上说，黑洞一直潜伏在弦理论的背后。如果在一个地方积聚了足够多的质量，这些质量就会在自身的引力作用下塌缩，产生一个黑洞。但剑桥大学的Step-hen W.Hawking指出，通常能吸收任何东西，（甚至光）的黑洞可能也辐射出粒子，慢慢地失掉质量，发生收缩。如果原始的质量是由弦构成的，上述损失与收缩最终会形成一个具有零尺寸的物体——一个“终极”黑洞，看上去实际上很象一个粒子。

Susskind反对道，这些小黑洞与天体物理学家所搜寻的塌缩恒星毫无相同之处:“Strominger的研究很了不起，但把这些东西称为黑洞我认为有点言过其实。”(Susskind自己的最新一篇论文是“全息图中的世界”。)事实上，终极黑洞——或黑气泡或黑片——只不过是弦场群，或称之为孤子。

Strominger正在研究，当一个时空维紧紧卷曲起来时，终极黑洞有何特性。设想一下有一根无限长的水管，把它绕成一个圈，再把两个端头粘接起来，形成一个好象面包圈的东西。这样，水管表面的两个维都能收缩，产生一个小得多的空间（它仍然没有边界)。现在假定，这个面包圈在某一点变得非常薄。当这一点收缩时，Strominger发现，有些绕着收缩维包卷的膜所形成的黑洞会变得没有质量。他决定把这些物体作为量子力学波包容进他的计算之中。

有两件不可思议的事出现了，当水管变细成一条线时，弦理论的早期计算总是失败。但即使在这种极端条件下，量子力学黑洞也使得数学计算很成功。Horowitz解释道，真正的救星是量子物理学在经典物理学中，落入质子点电荷中的一个电子会给出无穷大。只有当你加上量子力学，你才会看到电子进入轨道。”另一个结果是，出现了大量的无质量黑洞：这个系统经过一次相变，很象蒸汽凝聚成为水。

相变反映出面包圈本身的一个变化。它在最薄的地方撕开了（这种剧变是物理学家和数学家总是望而却步的）。重新成型为一个球体，这是卷曲一个两维平片的另一种替换方式。于是，在弦理论中的两种极不相同的卷曲空间被联系起来了。Strominger承认，“数学家并不喜欢它，因为它采用了撕裂的方法。但量子效应把它抹平了。”

各种不同的撕裂方法有可能最终把弦理论成千上万的解联系起来。在把内部空间这样联系起来后，弦就可以通过在这些空间周围运动而找出那个“特殊的”空间。就象水在北极结成冰而在撤哈拉蒸发一样，弦能选择一个适合它们环境的形状。于是寻找正确的解就变成一个动力学问题了。

Strominger推测，在宇宙中的某处可能存在着一个小水滴，在它中间弦找到了一个不同的内部空间。在进入这个小水滴时，黑洞会变成弦，弦会变成黑洞。在我们的身边，这种小水滴可能会瞬息之间表现为真实的宇宙，只在微观的极短时间上存在，在它们变得明显之前便消逝了。

理论

尽管有这些异想天开的进展，物理学家们还是保持足够的清醒。他们脚踏实地的认识到终极理论仍然是遥不可及。甚至是乐观派的Vafa也认为还需要几十年才能出现真正的理解。他曾就本世纪末便能解决弦理论而与Wittten赌一桶冰淇淋。Schwarz若有所思地说，“到我们发现一个好的公式时，它也许不再被称作弦理论了。也许我们就把它叫作“理论”，(宣告发现了万物理论这件事曾在80年代遇到了许多嘲笑，以至弦理论工作者现在对万物理论——其英文缩写为TOE，即脚趾——的叫法十分敏感。)

并非每个人都相信“理论”已经近在咫尺了。’t Hooft尖刻地反驳道，“从弦理论学派那儿来的报道总是带着水份。”一个巨大的问题是，永远不可能有任何用于弦的实验方法。甚至没有人能想象对如此微小的东西进行检验:现代实验设备不可能对小于10-16厘米的东西进行探测。理论工作者祈求在2005年开始运行的欧洲粒子物理实验室大型强子对撞机至少能发现超对称现象。Witten说，“对于自然界来说，最佳的方法之一就是选择了仁慈。”(他是在重申爱因斯坦关于上帝无恶意的信念。)

但是即使超对称得到了证明，还存在着另一个令人烦恼的问题。在现实世界里，人们所熟悉的4维时空是平坦的；然而，理论工作者所赋于自然界的那种不完美的超对称，使得时空在听有上去卷曲得令人难以置信的紧密。

Witten有一个打破这一僵局的想法，这个想法有赖于不同维理论之间的二象性。也许能够从这样一个宇宙开始，其中只有三个维原先是平坦的，而我们所知的四个维之中有一个仍然是卷曲的。这样的时空具有一些特殊的但又有用的性质，这些性质允许超对称的问题得到确定，最终，有可能设法使第四维扩展，由此回复到我们所知道的世界。Schwarz笑着说，“Witten的建议非常大胆，但他也许是正确的。”

引力的特殊性也产生了许多难题，爱因斯坦发现，引力来自时空的弯曲。因此，把引力量子化就是把时间和空间量子化。Horowitz指在这种情况下，“也许时间和空间就没有意义，也许时间和空间以某种在大距离上的近似结构而出现。”

弦理论在满足这些期望方面还相距甚远，“理论”将必须能够描述最极端的情况，比如宇宙的起源或黑洞内的环境，’t Hooft总结性地说，“弦理论工作者倾向于盲目地相信他们的理论，声称弦理论能解决所有问题。在实际上,他们并不比任何人更懂得引力塌缩。”

但弦理论工作者被近在眼前的耀眼的数学成果所鼓舞，看来对于任何批评都无所畏惧。佛罗里达大学的Pierre M.Ramond试图作出解释，“似乎你正漫步在国王的峡谷，推开了一块石头，发现了一道神秘的楼梯。我们正在上楼梯。”这些阶梯通往何方无人知晓，因此这场探险就更为令人心跳。

阿斯彭已是黄昏时分。落日余辉在树干和树叶上涂出了一片亮黄色。物理学家们继续着他们在饭桌上开始的一场争论。这一回是关于宇宙的波动功能，这是直截了当地试图把宇宙描述成一个量子力学性质的物体。Susskind爽快地说，“以我固执的粗鲁愚昧之见，我个人认为那是一堆废话。”而与别人一起构想出这种波动功能的Horowitz则放声大笑，空气开始带来阵阵寒意,雅致的街灯在暮色中更显得明亮。但物理学家们似乎意尤未尽，并不急着各奔前程。