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M理論及其哲學意義
M理論及其哲學意義
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  中圖分類號:O412.2  文獻標識碼:A
  物理學是研究物質結構、相互作用規律和時間空間性質的一門自然科學。基本物理學屬于物理學的理論部分,它是基石性的、本原性的物理理論。
  本文在于探索21世紀基本物理學即M理論的哲學問題。 為討論方便,首先給出20世紀基本物理學的成就和問題,其次扼要敘述M 理論的重要概念,最后研究M理論給我們提出的哲學反思。
      1 20世紀基本物理學的成就和問題
    (1)三塊基石
  狹義相對論、廣義相對論和量子力學是20世紀物理學的三塊基石〔1〕。
  1905年,A.愛因斯坦建立狹義相對論,其實質是研究時間、空間的度量性質受物質運動狀態制約的規律的物理理論。狹義相對論對時間、空間相對性和時空統一結構的認識,是人們關于物質“運動是時間和空間的本質”〔2〕揭示過程中的一次重大飛躍。
  1915年,愛因斯坦為克服狹義相對論的局限性,創建了廣義相對論。廣義相對論實質上是經典的相對論性引力理論,它提出的引力場方程,集中反映了空間、時間的度規性質和物質、運動的相互制約。
  量子力學是微觀粒子低速運動規律的理論,它和狹義相對論、廣義相對論一起,構成20世紀物理學的理論基礎。1923~1926年,通過L.德布羅意、W.海森堡、E.薛定諤和M.玻恩等人的努力,建立了非相對論量子力學。量子力學到現在已70多年,概括說來,其理論體系是自洽的,數學形式是優美的,物理內容和實驗事實是符合的,而且它已成為20世紀物理學的核心。但其理論的物理解釋和哲學意義,至今仍是激烈爭論的場所。
    (2)兩個結合
  所謂兩個結合系指:一是量子力學和狹義相對論的結合,二是廣義相對論和量子力學的結合。
  把狹義相對論的時空框架和動力學結果,應用于量子力學,將導致相對論量子場論的產生。量子場論有傳統的和規范的兩種形式,前者一般稱量子場論,后者稱規范場論。1929年,海森堡和P.泡利建立了量子場論的普遍數學形式。在把傳統的量子場論應用于電磁作用研究時,經過1948~1949年,J.施溫格、朝永振一郎和R.費曼提出重正化理論,從而建立了量子電動力學。1954年,楊振寧和米爾斯提出規范場論,1967年,S.溫伯格和A.薩拉姆提出SU(2)×U(1 )弱作用和電磁作用統一模型,從而發展成為一個自洽的與實驗事實符合的弱電統一規范理論。1973年,H.波利策、D.格羅斯和F.維爾切克等人,提出了量子色動力學,建立了夸克間強相互作用的SU(3 )規范理論。在70年代后期,人們提出統一強作用、 弱作用和電磁作用的SU(3)×SU(2)×U(1 )的所謂標準模型,這使得量子力學和狹義相對論的結合達到了高峰。
  把量子力學和廣義相對論相結合,就意味著要建立量子的相對論性引力理論,即量子引力理論,簡稱量子引力。首先遇到的是引力場量子化,接著就是量子引力的重正化,而量子引力的重正化被稱為20世紀基本物理學的著名困難。由于引力常量具有-1的質量量綱, 因此量子引力是不可重正化的。這就是說量子引力理論中將出現不可消除的發散行為,從而使得所建立的量子引力是不自洽的。
    (3)一個問題——建立量子引力
  建立量子引力是現代物理學理論的核心問題。70年代中期以來對量子引力的研究,人們曾在超引力和超弦兩個方向進行探索。
  超引力〔3〕是超對稱引力理論的簡稱。1971年,P. 雷蒙德等人在量子場論中提出一種新的對稱性,它是聯系自旋為半整數的粒子(費米子)和自旋為整數的粒子(玻色子)之間的對稱性,稱為超對稱性。在超引力中,引力是通過超對稱定域化而產生的,所以又稱定域超對稱性。由此建立的超引力有簡單超引力和擴充超引力,在擴充超引力中,有10維超引力和11維超引力。在70年代末期的一次國際性的超引力會議上,人們曾舉杯慶賀“為愛因斯坦雪恥”,但由于超引力最終仍是不可重正化的,且不能導出粒子的手征性,這樣在80年代中期后,對超引力的研究就衰落下去。
  繼超引力之后,在探索量子引力的途徑中,1981年,M.格林和J.許瓦茲提出了超弦模型,它是把超對稱性和弦相結合的理論。超弦理論〔4〕認為構成我們物質世界最基本的組元不是點粒子, 而是具有超對稱性的一維物質線段即弦。這種超對稱性的弦稱為超弦。弦的特征長度是普朗克長度~10[-33]厘米。粒子被看作是弦擾動的激發而產生的, 弦的每種振動模式對應于一種粒子。值得指出,10維超弦理論不僅避免了廣義相對論和量子力學相結合時遇到的重正化困難,而且還把弱、電、強和引力四種作用看成是一種基本作用的各個不同的側面。
      2 M理論——21世紀基本物理學
  首先給出M理論的由來,其次敘述M理論的重要概念,再次討論M 理論的展望。
    (1)從超弦到M理論〔5〕
  M 理論是由10維超弦理論發展而來的,它至今還沒有確定的名稱,M是取Magic(魔術)、Mystery(神秘)、Marvel(驚奇)、 Membrane(膜)、Matrix(矩陣)、Mother of all theories(萬理之母)的第一個字母而來,這說明M理論本身是很不成熟的, 或者說離成熟還是遙遠的。
  超弦理論提出至今,經過了兩次革命。第一次革命(1984~1985年)產生了三個突破:第一個在1984年,格林和許瓦茲發現超弦的一個反常相消機制;第二個在1985年,D.格羅斯等人提出雜化弦理論,討論了規范群E[,8]×E[,8]的有關問題;第三個也在1985年,E.威特恩等人提出把雜化弦緊致化,可以過渡到4 維時空超對稱愛因斯坦—楊—米爾斯理論,緊致化空間為卡拉比—丘流形。超弦理論至此有五種不同型式,它們是Ⅰ型、ⅡA型、ⅡB型、雜化弦E[,8]×E[,8]和雜化弦SO(32)。至于超弦理論為什么具有這五種不同的型式,人們不知其進一步原因。此后到90年代初期,超弦唯象學的研究成果主要表現在模型構建、有效作用量、模型無關結果和超對稱破缺四個方面。第二次革命(1995 ~1997年)期間,人們研究了超弦理論的對偶性問題, 認識到五種超弦理論起源于某個11維理論的第11維卷曲,這個理論稱為M理論。 并預言弦可以和具有不同維數的膜存在,即p—brane民主。在這期間還研究了D—brane、非微擾解、矩陣理論、量子黑洞和量子宇宙等方面的問題。
    (2)M理論的重要概念
  為了對M理論的哲學問題思考方便,現將M理論的重要概念〔6〕,作些簡單的介紹和說明。
  ①超塊
  M理論推廣了超弦的基本思想, 認為構成我們世界的基本組元是塊(brane或nugget)。所謂塊是指既包含1維的弦,又包含2維的膜, 更包含3維的體,還含有高于3維的物質實體。塊(brane )是具有超對稱性的,所以把它們稱為超塊。文獻中通常把這些塊寫為p—brane,即 p維延展體,p=1,2,3……,此種p=1是弦,p=2是膜,p=3是三維體,等等。 名稱“p—brane”是由P—湯森德創造的。有各種具體的超塊,如Dp—brane或D—brane、M2—brane、M5—brane、雜化5—brane 等。此中D—brane是重要的,它是狄利克雷(Dirichlet)brane縮寫。 D—brane是在ⅡA型和ⅡB型弦論中,弦可終止其上的動力學對象。
  ②時空11維
  M理論的時空是11維的,其中時間是1維的,空間是10維的。由于現實空間是3維的,多余的7維空間稱為額外空間,而額外空間一般應緊致化,緊致化后的空間其線度大小是普朗克長度,所以人們觀測不到。剩下的4維時空,正是我們的現實世界具有的。
  ③對偶性
  如果兩種或多種理論顯現是完全不同的,但實際上卻給出等同的物理結果,這些理論稱為對偶性。超弦理論中的對偶性是一種強弱對偶性。1993年,A.森研究S對偶性;1994年,A.基文等研究T對偶性;1995年,C.胡爾和湯森德提出U對偶性。在1995~1996年期間,對T—S—U對偶性及其在不同弦真空中關聯的研究,人們猜測到存在一個基本理論,這個理論稱為M理論。當M理論緊致化到10維時,我們得到ⅡA 型和雜化弦E[,8]×E[,8],繼續緊致到9維時,所有五種超弦和M理論合并到一個統一的框架。它們之間的對偶性網絡,可以圖示如下:
  附圖b20g02.JPG
  ④非微擾解和矩陣理論
  如果一個理論的真實性的特征,不是依賴于近似的微擾計算,而是精確的,那么就稱此理論是非微擾的。超弦理論是以微擾論的形式建立起來的,在超弦理論中,和緊致化相關的一個問題,是如何挑選理論眾多的可能經典解中的一個為實際所取的解。現今具有軌形(orbifold)和卡拉比——丘空間的可能的經典解有數百萬個,看來只有非微擾的表述,才能回答這些真空中的那一個是正確的解。
  當今M理論非微擾描述的流行形式, 是在矩陣理論名稱下來構建的。對于通過d=10超對稱U(n )楊—米爾斯理論維數約化到的具有矩陣自由度和32個超荷的一個量子體系,稱為矩陣理論。它在大n 的極限下,被定義為M理論。
  ⑤M理論和量子黑洞
  已知黑洞一方面是廣義相對論所研究的對象,另一方面它進行霍金輻射時,又遵從量子力學的規律。因此探討黑洞的性質,正是需要廣義相對論和量子力學相結合的理論來加以處理,這是對現代物理學的嚴重挑戰。
  M理論把黑洞引力系統作為brane組合來處理, 即在此情況下D —branes被解釋成黑洞。1996年,J.普洛欣斯基,A.斯特洛明格和C.范法應用BPS態和D—branes對黑洞熵進行量子計算,正確做出了伯肯斯坦—霍金關系式的統計推導,從而把這個困難的量子黑洞研究向前推進一步。1997年,J.馬爾德森納通過對量子黑洞的分析,提出一個猜測,即“馬爾德森納猜測”,人們認為這個猜測反映了第二次超弦革命的頂峰。
    (3)M理論存在的問題〔7〕
  由上可知,M 理論可能是克服廣義相對論和量子力學不自洽的唯一最有希望的理論,同時又是統一自然界四種基本作用的最佳候選者。當然目前M理論的理論框架還是很初步的,不少重要的問題沒有解決, 例如,它的基本原理是什么?基本運動方程是什么?非微擾解如何求得?理論怎樣進行實踐檢驗?如何建立統一的量子宇宙理論?等等,這些基本問題都有待于21世紀物理學者付出極大的努力。
      3 M理論的哲學思考
  如所周知,粒子物理學是研究我們宇宙物質的基本結構、相互作用基本規律和時間空間微觀性質的一個現代物理學分支,而M 理論則是粒子物理學基本理論的前沿陣地。從對M 理論的重要概念的敘述中看到,它所研究的問題是相當普遍和根本的,這就必然涉及到哲學上一系列范疇,如物質、運動、相互作用、時間、空間、因果性等,因此M 理論和自然哲學間的關系就是非常密切的。現在我們就五個方面對M 理論所引起的哲學問題加以簡短地討論。
    (1)物質結構基本組元的統一性
  世界是永恒運動著的物質,而物質結構具有層次性。單就微觀結構而言,在20世紀中,物理學曾認同的稱為物質的基本層次或基本組元的,就反復變更了數次。這里基本組元中的“基本”所指,是最原初的、最簡單的、不可再分的意義。其認同過程圖式可概括為:
  原子層次——電子、原子核層次——電子、質子、中子層次——夸克、輕子層次——超塊(含超弦)層次
  由于M理論實質上是宇宙創生的物理理論, 從我們宇宙創生和演化角度來看,超塊層次就是我們宇宙形成的最原初、最簡單、不可再分的層次,超塊就是我們宇宙的基本組元。當然在哲學上這將涉及到,物質到底是有限可分,還是無限可分長期反復爭論的問題。
    (2)空間高維性和量子性
  已知M理論是11維的,其中空間是10維的, 這就是說空間具有高維性(維數>3)。
  在微觀領域中,人們確信物質運動遵從量子力學的規律。當把這個思想加以徹底貫徹時,空間量度就應是量子化的即斷續的。換句話說,空間尺度應該是某一最小長度的整倍數,這個最小長度目前認為是普朗克長度。空間尺度量子化,在哲學上具有重要的意義,因為這將導致空間大小不是無限可分的論斷。〔8〕
  根據M理論的非微擾表述,即矩陣理論形式, 可知空間概念是近似的,因此我們對在宇宙創生期空間時間多種多樣的性質,還需要進一步加以認真探索。
    (3)相互作用基本規律的統一性
  在M理論中, 通過對五種不同超弦理論的對偶性及其在不同弦真空中關聯的研究,得出不同弦的真空態,正是11維M 理論中單一真空在不同情況下的特殊狀態。從而用M 理論統一了五種不同超弦理論和低能下的11維超引力,使弱、電、強和引力四種相互作用規律成為單一作用規律的不同側面。這種統一性,從我們宇宙的起源和演化觀點來考察,是容易理解的。
  在M理論中,相互作用基本規律的統一性, 正是物質的基本組元超塊于11維高維時空中運動的理論框架下得到的。由此實現了物質結構、相互作用和時空性質的密切聯系和高度綜合,這充分表明辯證唯物主義關于物質、運動和時間、空間相互聯系思想的正確性。
    (4)時間一維性和單向性
  時間的本性是20世紀物理學的一個令人十分困惑的問題。
  時間是斷續的,還是連續的?在經典物理學中認為時間是連續變化的,例如在狹義相對論、廣義相對論中都是如此。事實上,即使在傳統量子場論和規范量子場論中也是這樣。
  但在M理論中,已知空間量度是量子化的, 而空間與時間具有密切聯系的統一形式,因此時間也應是量子化的,即時間是非連續變化的,目前認為時間的量子是普朗克時間~10[-43]秒。時間是斷續變化的,這對傳統的時間概念具有挑戰性。
  在M理論中,時間是1維的。但時間是否可以有二維的?或者更高維的?在超引力理論中,有人曾提出時間是二維的觀點,從而試圖據此建立12維超引力理論。顯然這里難以克服的困難是當把這個12維理論過渡到現實的4維理論時,所多出的1維時間必須消失。這在物理學中所反映的過程是什么?在哲學上又是什么意義?確是極難解答的問題。
  已知時間是1維的, 但它是否可以具有兩個方向:指向未來和指向過去?在現實世界中,時間永遠指向未來,不能回到過去,這就是時間的方向性或時間箭頭〔9〕,那么時間到底是否可能指向過去?
  在物理學中,根據狹義相對論的要求,時間不可能回到過去。因為這樣將和光速不變原理沖突,此時物質信號的傳播速度必須大于光速,從而這是不可能的。但是在廣義相對論和量子宇宙學中,卻都有蛀洞解存在。1988年,K.索恩等人對洛倫茲蛀洞特性進行分析,確認有可能穿越蛀洞的存在,從而實現回到過去的時間旅行,并據之設計時間機器。然而這將導致一系列和現實世界存在的物理過程相互矛盾的所謂時間佯謬,例如不孝之子可以回到其父母未生出他的過去,就把其父母殺死等悖論。在哲學上這顯然是破壞因果律的。當然這個問題,在物理學中還有著分歧和爭論〔10〕。
    (5)我們宇宙創生問題
  我們知道量子宇宙學是應用量子引力理論研究我們宇宙創生期(~10[-43]秒)的結構和演化規律的現代宇宙學。 目前它有兩種理論形式:一為80年代興起的通稱為量子宇宙學,其主要成果是由霍金貢獻的;另一為90年代把M理論應用到宇宙創生期的研究,稱為M理論宇宙學。由于M理論實質上是天生的宇宙創生的理論,因此M理論是極有活力的,盡管它的成就還是很初步的。
  在M理論宇宙學中, 最近兩年(1998 ~1999 年)有所謂塊世界(brane worlds)理論〔11〕,其基本觀念是把我們生活的膨脹三維空間宇宙,作為一個片或區域壁即“3—brane”,它是在更高維的巨大時空中運動。這是一個頗為誘人的新思想,當然需要做許多工作才能使它完善起來。
  為此我們根據M理論的主要思想, 對有關宇宙創生的哲學問題做一些思考。
  如所周知,我們宇宙起源于大約150億年前的高溫、 高密物質團塊的一次大爆炸,且不斷膨脹而來。但是這個高溫、高密物質團塊或稱為宇宙泡又是如何而來?根據M 理論,這個宇宙泡起源于量子宇宙真空。由量子場論可知,真空是基態的量子場,它是物質的基本形態,并且在永無休止地振蕩著。基于振蕩產生隨機性的漲落,因此就會激發出高密、高溫的宇宙泡或物質團塊。宇宙泡由于具有不穩定性,就會自發地出現劇烈相變,形成所謂大爆炸。4維部分膨脹開來, 這就是我們現實宇宙,剩下的部分卷曲,即所謂緊致化。這就是所謂的11維宇宙的分裂。
  在我們宇宙來源于量子宇宙真空漲落的思想明確之后,人們也許會提出量子宇宙真空來源于何處的問題。
  對于這個問題,在M理論中, 實質上是認為量子宇宙真空是第一假設、第一原理,就是說這是基本假定、根本出發點,其真理性來源于物理學的實踐。從自然哲學來看,量子宇宙真空就是第一存在、第一推動,這和真空是物質的基本形態論斷相一致。但是西方近年來有些人把量子真空和上帝聯系起來,例如1997年5月, 在美國加州貝克萊舉行一次學術會議,其名稱為“God of the quantum vacuum ”(量子真空上帝)〔12〕,會上有些學者歪曲科學成果,給所謂上帝創造世界尋找論據,顯然這是不正確的。
  收稿日期:2000—01—03
自然辯證法研究京1~5,17B2科學技術哲學馮宇/薛曉舟20002000M理論是21世紀基本物理學研究的重要前沿陣地。本文從M理論的基本內容出發,闡述其帶來的一些自然哲學問題。量子引力/超弦/M理論/哲學思考  quantum gravity / brane— worlds/ superstring /M theory/reflection of philosophyM Theory and Its Reflection of Philosophy  FENG Yu, XUE Xiao-zhou  (Department of Physics, Henan Normal University,Xinxiang,Henan, 453002,China)M theory is the most profound theory of physics in 21stcentury.  It's concerned with a series of  problem  onphilosophy of nature. In this paper, we first make clear itsmain content,  then give  some  philosophic  reflectionsconcerned with M theory.馮宇、薛曉舟,河南師范大學 物理系,河南 新鄉 453002  馮宇(1972—),男,河南太康縣人,河南師范大學物理系97級研究生。主要研究方向為現代物理學哲學問題。薛曉舟(1930—),男,河南修武縣人,河南師范大學理論物理研究所教授,河南省自然辯證法研究會顧問。 作者:自然辯證法研究京1~5,17B2科學技術哲學馮宇/薛曉舟20002000M理論是21世紀基本物理學研究的重要前沿陣地。本文從M理論的基本內容出發,闡述其帶來的一些自然哲學問題。量子引力/超弦/M理論/哲學思考  quantum gravity / brane— worlds/ superstring /M theory/reflection of philosophy
2013-09-10 21:32

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