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《物理学的困惑》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天要为您解读的书是《物理学的困惑》。
物理学是一切自然科学的基础，物理学出现了什么困惑呢？
本书在开篇序言里就直接下了一个结论：从上世纪80年代开始，物理学进步的脚步就停滞了，基础理论没有任何实质性进展，对世界本质的认识还停留在爱因斯坦、玻尔、薛定谔等老一辈物理学家构建的框架内。
这是为什么呢？本书的英文版有个副标题叫“弦理论的崛起与科学的衰落”，作者认为问题就在于有一项前沿理论研究出了问题，这就是大名鼎鼎的弦理论。
弦理论被认为是一种能统一宇宙万物的理论，它凭借多维空间和平行宇宙抓住了人们的想象力，也赢得了很多物理学家的心。可是本书却一反主流，向弦理论提出了质疑，认为它就是导致物理学发展停滞的一个重要原因。
它的作者李·斯莫林，是美国著名的理论物理学家，圈量子引力创始人之一，被誉为现今最具原创力的理论学家之一。他用参与研究弦理论的亲身经历，为我们剥去弦理论的神秘外衣，他认为这个优美的理论让物理学出了问题。
这种大胆质疑得到了许多物理学家的支持。2020年诺贝尔奖得主、英国物理学家罗杰·彭罗斯就评价本书说：“斯莫林的批判性判断入木三分。”他说：“弦理论对基础物理学在过去1/4世纪缺乏真正的进步负有责任。”这话值得我们深思。
下面我就从三个方面为你解读本书：
第一，弦理论的发展历程和基本思想是什么；
第二，弦理论如何影响前沿物理学的研究；
第三，物理学的未来该向何处发展。
在解读这些问题之前，我们先来看看物理学究竟遇到了什么困惑。
本书出版于2006年，作者认为，从1980年到2006年的这段时间，是最令人沮丧的25年，物理学基础理论几乎没有进展。但是回溯过去的200年，大约每20多年，都会出现关键问题的重大进步。从光的波动理论、电磁现象的发现、热力学第二定律到相对论的提出、量子力学的横空出世、千百种粒子的发现，不断有新的思想被检验和证实。但自从80年代构建出了基本粒子的标准模型之后，物理学的脚步就停下了。粒子物理学顶尖理论家马克·怀特在2006年的一次研讨会上说：“如果要我现在谈费米子的质量问题，我可能谈到20世纪80年代就无话可说了。”
在这25年时间里，不是没有产生任何理论，恰恰相反，正是这段时间诞生了一个最流行、最引人注目的理论，它就是弦理论。弦理论几乎垄断了这25年的物理前沿理论研究，它也是科普读物和科幻小说的常客。很多人误把弦理论当成是一个确定的科学理论，实际上它直到今天都没有被实验证实。诺贝尔奖得主、荷兰物理学家胡夫特就说：“我还没打算称弦理论是一个理论，它更像是一个模型，甚至只是一种感觉。”
概括一下物理学的困惑，就是从1980年初到2006年这近25年时间中，理论物理学在以弦理论为主导的发展中停滞不前的。我们要探究原因，就得先来了解一下这个风靡物理界多年的弦理论到底是个什么理论。
下面就进入第一部分：弦理论的发展历程和基本思想。
故事要从1968年说起，当时欧洲核子研究中心有一个叫做维尼齐亚诺的26岁意大利物理学家，他从欧拉函数中发现了一个有趣的现象。粒子对撞中会产生大量的数据，这些数据和欧拉函数之间有着惊人的关联，函数描述的复杂曲线似乎能准确地对应粒子的某些性质。照这么看，这些粒子不再是一个个点，而可以看成一维的曲线，这种曲线可以像橡皮筋一样拉伸震动，不同的振动模式就代表着不同的粒子。
1970年，芝加哥大学、斯坦福大学、玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现了欧拉函数的物理意义。有人觉得，这种用曲线振动描述粒子的理论也许可以称为皮筋论，可这个名字不太优雅，最后人们称它为弦理论。
这个极具想象力的理论起初并不招人待见，人们发现，这个理论要想与狭义相对论和量子力学保持一致，就必须满足几个条件：第一，应该存在比光还快的粒子；第二，应该存在一种新的零质量的粒子，而这个粒子在已知的粒子家谱中根本找不到；第三，世界必须有25个空间维度。这三个条件一个比一个不靠谱，也没有数据支持，全世界的物理学家们在一片唏嘘中把弦理论扔进了废纸篓。只有希尔克、施瓦茨、格林等少数几个物理学家仍然没有放弃，他们觉得弦理论所展现出来的数学之美实在是太令人称奇了。于是他们开始对这个青涩的弦理论不断进行修正。
经过了十多年的努力，到了1984年，弦理论终于脱胎换骨，变身为一个焕然一新的理论，叫做超弦理论，物理界同时也爆发了第一次超弦革命。
超弦理论可不是超级弦理论的意思，这个“超”代表的是一种物理理论，叫做超对称。那什么是超对称呢？科学家根据粒子的自旋情况，把自然界的粒子分为两类，一种叫费米子，比如中子、质子、电子；另一种叫玻色子，比如光子、胶子。费米子和玻色子之间有一种对称性，这种对称性的结果就是每个粒子都有自己的伴侣，也就是说费米子有它的玻色半子，玻色子有它的费米半子。
当科学家把超对称思想引入到弦理论时，就是见证奇迹的时刻了，上述那三个不靠谱的问题一下子迎刃而解了。首先，这个理论中不需要那个比光速还快的粒子了。第二，也是超弦理论最激动人心的成就，人们发现，之前弦理论预言的那个零质量粒子，正是传递引力的引力子。多少年来，物理学家在追求大统一理论中最犯愁的就是引力和量子力学无法兼容，而横空出世的超弦理论一下子就将引力纳入到量子力学中，统一了包括引力在内的所有力，加上它把所有的粒子都统一到了弦上，宇宙中的力和粒子全部得到统一，这不正是科学家追求的万物统一理论吗？
现在还剩下最后一个问题，就是那25个空间维度。超弦理论将25个维度缩减到九个，与现实的三维已经很接近了。那么多出的六个维度该如何解释呢？物理学家们从数学中找到了解决问题的思路，引入了一个叫卡拉比-丘空间的数学模型，有力地解释了六个维度的问题。
我们来具体讲解一下，早在1954年，意大利数学家卡拉比提出了一个猜想，它预言存在一种蜷缩的空间结构，空间像纸团一样扭曲折叠，没人相信这个奇怪的预言，但是又很难证明他是错的。后来，年仅21岁的华裔数学家丘成桐决心去证明这个久攻不克的大难题。本来他想证明这个预言是错的，可是算来算去，居然在1976年得出了相反的结果，用强有力的证明推导出在数学上真的存在这样一种空间，它正好有六个维度，这些维度紧紧蜷缩在一个极其微小的空间里，半径只有质子和中子半径的亿万分之一，这个空间模型就是著名的卡拉比-丘空间。这简直就是为弦理论量身定制，几何学在物理学中大放异彩。
于是，在弦的九维世界里，有三个维度是我们的世界，其余六个维度蜷缩在卡拉比-丘空间里。如果你身处这个六维的微观空间，一定会感觉很刺激，当你扭曲到根本没有所谓的直线，如果你往前看，看到的可能是自己的背影，如果你伸手搭到了前面某个人的肩膀，会发现有一只手正从背后搭到了你自己的肩膀。
以上介绍的就是超弦理论第一次革命。弦理论彻底征服了物理学家的心，连此前最坚决的批评者也开始做弦理论了。可是又经过了10年的研究，却发生了意想不到的事情，居然衍生出了五个版本的超弦理论，而且这五个版本各自都没毛病。现在尴尬了，用来统一万物的弦理论，现在自己却意见分裂。
于是在1995年，又爆发了第二次超弦革命，核心就是统一自己。弦理论的绝对领军人物、美国物理学家爱德华·威滕发现，这五个版本的理论虽然看上去给出了五种不同的宇宙，可实际上他们说的是一回事儿。在物理学中，如果出现了两种不同的方式来看同一个现象，我们就说他们有对偶性。就好比有一对夫妻，丈夫觉得妻子太强势，妻子抱怨丈夫太懦弱，他们的说法不同，但能得到互相印证，我们就可以说夫妻俩的对话是互为对偶的。所以这五个理论只不过是五个化身，而真身只有一个。威滕在一个更高的维度里将他们统一起来，他把空间维度从九维增加到了十维。于是，这个统一的超弦理论呈现出了一幅全新的图景，这里不光有弦，还出现了别的东西，那就是膜，也就是一种二维的曲面，它们跟弦一样在空间中自由运动。在更高的维度下，还有三维、四维甚至十维膜，我们的宇宙就是一张漂浮在高维空间中的三维膜，这些膜就像弦一样可以发生振动和摆动。在这个理论里，弦可以看作是一维的膜，威滕把这个统一的超弦理论命名为 M 理论。
好，以上我为你梳理了弦理论的发展历程和基本思想。我们回到本书的主题，为什么弦理论会让物理学出现了困惑呢？下面我们就讲第二部分：弦理论如何影响前沿物理学的研究。
物理学界流传着这样一句话，弦理论是偶然落在20世纪的21世纪物理学。在哈佛，弦理论讲习班被称为后现代物理班，这说明弦理论具有明显的超前性。这种超前性体现出的问题就是，实验完全跟不上理论的步伐。为什么这样说呢？主要是因为弦理论高度依赖数学，它把数学结构作为研究对象，再从数学中推导出物理事实，这就难免出现数学模型与真实世界难以匹配的结果。作者说，如果说从前物理学是物理的灵魂套上数学外衣，那么弦理论大概是一个数学灵魂在物理学上空飘荡，总也落不下来。
可能很多人都知道弦理论需要高维空间，却并不知道这个高维空间是怎么来的。其实这就是从数学等式中推导出来的。弦理论的领军人物、美国物理学家布莱恩·格林这样为我们解释：在弦论方程中有一串麻烦的数学表达式，它将产生令人烦恼的物理现象，而这串数学表达式前面乘了个系数，就是 D 减十，D 代表了时空的维数，要想消除这串麻烦，就得让 D 等于十，10-10=0，零乘以这串麻烦，麻烦就烟消云散了，这就是十维时空的由来。十维时空减去一维时间，就得到了超弦理论的九维空间。所以高维空间完全是数学的产物。
拥有数学模型，并不能代表一个物理理论的确立，它需要被证明。到目前为止，没有任何证据证明弦理论是对的。
第一，弦理论无法给出科学预测。一个理论只有能准确预测事实，才能成为科学规律，弦理论还做不到。这主要是因为它有数不清的数学形式，我们不知道哪种形式对应着我们的宇宙。就拿前面讲到的卡拉比-丘空间来说，这是一个纯粹的数学模型啊，假如只有一种卡拉比-丘空间，那么我们也许能得到一个确定的弦理论，可是数学上究竟能构建出多少种这样的空间，居然没人能说清楚。丘成桐本人说，至少有10万个，每个空间都能对应完全不同的物理定律。比如在某些空间所对应的宇宙中，光速可能就不是每秒30万公里。一个理论如果不具有唯一性，那如何能用来预言和解释我们的世界呢？10万个还是个小数目，霍金在他的著作《大设计》中说，根据 M 理论，我们可以得到十的500次方个宇宙，每个宇宙时空都有各自的物理定律，其中只有一个对应于我们所知的宇宙，这个数量比已知宇宙的原子还多。这么多宇宙，总会有某一个满足我们的宇宙定律吧，因此弦理论很难被否定。反过来也是一样，我们也不能穷尽如此多的情况，去找到那个唯一的结果。
第二，弦理论也很难被观测。因为弦实在是太小了，有人打了个比方，如果把原子放大到整个太阳系，那么弦只相当于地球上的一棵树。从理论上讲，我们是可以观测到如此微小的弦的，只要用加速器把粒子加到足够的能量，就能观察到更微观的世界，但这仅仅是理论上的成立，因为以目前的科学技术，我们需要一个银河系那么大的粒子加速器，也就是科幻小说中的环银河加速器，才能观察到弦的世界。所以目前可以认为，我们这一代甚至这几代人，在有生之年可能都看不到通过这种方式对弦理论的验证了。
作者指出，弦理论已经持续发展了近30年，至少从18世纪以来，科学史上从来不曾有过一个重要的理论在经历了这么多年既没有衰落，也没有获得实验支持。诺贝尔奖得主格拉肖曾将超弦理论与星球大战计划相提并论，因为星球大战计划耗费了大量资源，却从来没有被测试过。他甚至还试图阻止弦理论进入哈佛大学，结果没有成功。
当然，我们不能认为没有突破的探索就是无用的，进而粗暴地否定弦理论的价值。关键不在于弦理论是否值得做，而在于为什么没有预言和实验的弦理论能垄断基础物理学的资源，成为绝对主流。在理论的背后还隐藏着更大的问题，那就是人的问题，它比弦理论本身更加严重地拖累了物理学的进步。
下面我们就来看，研究弦理论的科学家们出现了什么问题。作者认为，弦理论几乎垄断了基础物理学的研究方向，这使其他理论很难发展壮大，而这已经不是一个科学问题了，而是一个社会问题。这让我们看清一个事实，科学不全是客观和理性的。
首先，在美国，研究弦理论成为一股潮流，跟不上这股潮流的科学家就很难立足。作者说，在伯克利、加州理工、哈佛、麻省理工、普林斯顿和斯坦福这些顶尖大学的物理系，从1981年到2006年，22位粒子物理学终身教授中，有20位是搞弦理论的。弦理论在学术机构里独领风骚，年轻的理论物理学家如果不走进这个领域，几乎就等于自断前程。到作者写作这本书的2006年，除了滨州大学的一个研究小组外，做量子引力而不以弦理论或高维理论为基础的助理教授们，没有一个被美国研究型大学录用的。即使在宇宙学这些和弦理论关系不大的领域，研究者们也常常声称他们的工作将来可以通过弦理论推导出来。
第二，弦理论研究缺乏多样性，严重依赖权威思想。一些大学负责选拔博士后的人发现，在诸如宇宙学、量子信息论等领域，有多少候选者，就有多少个研究方案，各种思想百花齐放、闻所未闻。而在弦理论领域，经常会一次又一次遇到相同的研究计划。弦理论研究集体处在几位老教授的思想和研究纲领之下，在1996-2006的10年时间里，只有两个年轻的弦理论家取得了改变领域方向的发现，而更多时候，大家都在小心翼翼地沿着学术权威的步伐缓慢前进。这导致弦理论的研究视野变得越来越狭窄，越来越同质化了。
第三，一些弦理论家忽视弦理论的局限性，夸大理论成就。比如，不少弦理论家在写作科普读物时，直接称 M 理论是唯一的、包罗万象的理论，把尚处于猜想中的理论当作事实呈现给公众。作者还曾经看到，有人将理论中的一个猜想称为是正确但未被证明的，简直令人惊奇。这样的问题几乎成了普遍现象。荷兰物理学家胡夫特在评价弦理论时说：“他就像假定我给你一把椅子，却告诉你那椅子的腿还没找到，坐垫和靠背也要等会儿才拿来，那么我到底给了你什么呢，还能称他是椅子吗？”美国物理学家理查德·费曼曾经解释自己为什么不愿意赶弦理论的潮流，他说：“我不喜欢他们不做任何计算，不检验自己的思想，为任何不符合实验的东西虚构解释。”
第四，弦理论家与非弦理论家之间存在着明显的界限，他们忽视甚至排斥其他理论。斯坦福直线加速器中心的物理学家赫维特就表示，弦理论家们有着过强的优越感，他们似乎真的相信其他理论都该为弦理论让路。诺贝尔奖得主、美国物理学家钱德拉塞卡喜欢讲这样一个故事，有一次他遇到一个年轻的弦理论家，这个年轻人建议已经70多岁的钱德拉塞卡放弃正在做的事情，改做弦理论，否则就会像20世纪20年代那些没有做量子力学的人一样落伍。老科学家说：“年轻人，我认识量子力学的创始人海森堡，他绝不会这么冒失的要人家停下正在做的事而去做量子理论，也绝不会无礼的向一个50年前就是博士的老人说他就要落伍了。”
以上作者列举了弦理论家们的种种问题，他强调这并不是在批评个人行为。其实许多弦理论家都是卓有成就的物理学家，他们都很谦虚，也为群体的这些问题感到难过，他们都认同目前的状况存在很大问题。奇怪的是，每个个体都怀着良好的愿望和正确的判断力，可是整个群体为什么却会出现荒唐的行为呢？作者认为，这已经超出了科学的范畴，而是一个社会学问题。耶鲁心理学家詹尼斯在20世纪70年代提出了一个名词“小团体思维”，将它定义为一致的思维模式。当人们置身于一个团结紧密的小团体，为了维护团体的一致时，就会妥协自己的判断而去维护群体关系。科学事业和人类其他领域没有什么两样，都是在相同的社会力量驱动下运行。科学家们要考虑老一辈权威对自己事业的影响，考虑做什么理论才能拿到项目资金，考虑自己是否能保住工作等等，只有跟小团体步伐一致，才能让自己的利益最大化。尽管在他们的心里也并不认同这样做是对的。
作者说有不止一个朋友劝告他，群体已经决定了弦理论是正确的，你不可能斗过社会学，毕竟科学是人的行为，同样逃不过人的弱点。扭转物理学这种局面是未来的使命，那么科学家能做些什么呢？
下面我们讲第三部分：物理学的未来该向何处发展。
要回答这个问题，我们需要从科学的本质出发。作者说，有人希望为科学活动总结出一套普遍适用的方法论，但是也许根本就不存在这样的普遍方法。为什么会这样呢？作者打了个比方，科学家就像是一群瞎子在寻找最高峰，他们看不见，但是可以凭感觉确定哪条路向上，哪条路向下，还可以通过声音测量山峰的高度。当他们爬到一处高峰时，发现所有的方向都是下坡路，那么此时可以判断自己已经身处最高峰了吗？不能，因为山峰不止一座，你也许爬的只是泰山，而不是喜马拉雅山。对瞎子而言，要确定是不是爬上了最高峰，这是很难确定的。所以我们不能发现、解释科学成功的普遍方法，科学是在摸索中前行，成功的策略是随时发现，甚至是随机发现的。
瞎子不能掌握山峰的全貌，科学探索也是如此，我们能得到的永远是不完备的信息，这就带来了两个问题。如果畏首畏尾、怀疑一切，那就没有什么东西可以相信，永远止步不前。而如果太过冒进，不稳扎稳打，又会偏离方向而不自知。所以我们需要同时拥有两种科学家，作者将他们比喻为思想远大的预言家和技巧娴熟的工艺师。预言家代表了目光远大、具有创新思想的人，他们是传统的颠覆者；工艺师则代表精通专业技术、善于实验和解题的人，他们是传统的维护者和完善者。
在科学常规时期，工艺师按照标准的实验和计算去完善理论；当理论不能在预言或解释新的实验结果时，科学就进入革命时期，这时就需要预言家去透过黑暗，重新寻找方向。比如在20世纪初，爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡，他们都是具有里程碑式贡献的大思想家，是预言家的代表，他们创立相对论和量子力学的理论框架。而这些框架的完善需要大量艰巨的技术工作，所以在他们之后的几代物理学家都是工艺师的代表，他们从预言家的思想中逐步修补和完善细节，搭建出具体的量子物理学标准模型。
随着标准模型的建立，常规科学又达到了极限，我们再次需要进入科学革命时期。正是在这个时候，物理学出现了问题，它在这一阶段缺少真正的预言家。弦理论的问题在于，它是由大量的工艺师去做了预言家的工作，他们精通计算善于构建模型，但是却缺乏对宇宙本质的思考。乍看上去，弦理论前卫又大胆，想象力丰富，似乎正是对常规科学的突破，可是它距离物理现象太远了，无法给出任何可以被验证的科学预言。一个没有预言，从而无法接受检验的理论永远不会失败，但这样的理论也不可能成功。
现在问题很明确了，为了让物理学从常规时期进入革命时期，我们需要更多的预言家，构建一种能孕育出真正预言家的科学环境。作者提出了三点建议：
首先，要向独立思考者敞开大门，包容那些与主流研究格格不入的科学家。预言家们的一个共同特点就是因为不随波逐流而遭受排挤，我们应该在大学里为他们留下一席之地，让他们的思想去点燃学生们的思想火花。
第二，改革同行评议制度，让多元化的研究有更自由的成长空间。同行评议制就是让一些科学家对另一些科学家做出评判，评价你的人几乎毫无例外都比你老，比你有权利。不削弱这种权力等级体系，年轻科学家就总得去迎合老科学家，做科学就成了踩着急刹开车。
第三，要调整资源分配的比例，资助更多有冒险精神的研究。科研资金分配一般会支持没有风险的科学，走低风险、低回报的路子。科学界也该用一用技术公司和投资银行的策略，为高风险、高回报的项目流出资金。没有点冒险精神，如何能有革命性的突破呢？何况我们的回报将是发现宇宙运行的秘密。
以上这三点听上去似乎并不出奇，难道科学家们没有意识到这些问题吗？作者指出，这正是问题严重的地方。当作者将这些问题写成文章，寄给一本杂志，想呼吁改革时，文章却被退回了。作者很生气，难道编辑们是在压制不同声音吗？可是原因恰恰相反，编辑告诉作者，这些问题在社会科学和人文科学中已经被广泛讨论过了，早已是众所周知的事情。作者这才发现，原来只有科学界还在对这些问题视而不见。在学术管理方面，自然科学已经远远落后于人文学科了。问题比我们想象要严重得多。
好，以上就是本书的主要内容。
在书的结尾，本书的译者提到了一个被西方学者广泛讨论的问题：当思想改变你的思想，那是哲学；当上帝改变你的思想，那是信仰；当事实改变你的思想，那是科学。弦理论究竟是科学、是哲学还是信仰？提出这个问题本身就说明，弦理论已经不再完全以事实为基础了。科学应当回到实事求是的正轨，不应该允许一个理论在获得事实证明之前就成为垄断学科。
2006年，弦理论的元老施瓦茨表示，也许弦理论这门学科再过100年也不会完成。在这样漫长的时间里，让弦理论退下神坛，同其他理论一起平等发展、百家争鸣，这是解决物理学困惑的必经之路。
好，《物理学的困惑》这本书就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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