日月霜的美篇

日月霜

G弦上的咏叹调

朱明明

【文】： 物理学总是和音乐有着太多的不解之缘。量子论鼻祖普朗克弹得一手好钢琴。相对论巨匠爱因斯坦拉得一手好提琴。两人常在一起演奏莫扎特的小提琴奏鸣曲，情景感人至深。玻尔、海森堡、波恩、薛定谔、狄拉克等量子力学大师们也都擅长拉提琴。经常会听到他们在一起演奏贝多芬的弦乐四重奏，勃拉姆斯的钢琴三重奏等。大师们惊叹古典音乐中的绝对和谐和绝对美，认为物理学的最高境界具有音乐的神韵。

由伽利略、牛顿奠定基础的物理学理论体系，到了19世纪后期，由于能量守恒与转化定律的发现、法拉弟、麦克斯韦电磁理论的辉煌成就，以及在其它领域中的胜利，使当时不少物理学家认为，物理学的理论大厦已经大功告成，留给后人的只能在细节上作些补充和修正。可就在世人洋洋得意的时候，经典物理学大厦的上空出现了两朵“乌云”。一朵是：黑体辐射与“紫外灾难”。另一朵是：以太之迷和迈克耳逊—莫雷实验。为了扫除这两朵“乌云”，爆发了二十世纪物理学领域内两场最伟大的革命：量子力学和相对论。

爱因斯坦的狭义相对论发现牛顿的“绝对时空”错了。时间和空间都是相对的。他的广义相对论进一步指出：重力在太空中就成了一片片弯曲的空间，有点像杂技演员的蹦极床，当演员落入蹦极床时，床面向下弯曲的曲面。然而，这位曾经的量子论鼓号手，在创建了相对论后，并没有融入到当时物理学界汹涌澎湃的历史潮流中，没有去参与量子力学的创建改进工作；没有去享受量子力学给世界带来的惊喜和欢乐；而是孤独地站在滚滚向前的历史潮流边上的浅滩上，埋头钻研他的“大一统”理论。他想把重力(引力）和电磁力统一在一组方程内。爱因斯坦生命的最后三十年全花在“统一场论”的研究上，结果无功而返。旁观者不敢去挫伤这位德高望重，师心自用的老人，只是把他比喻成那位同风车开战的“堂·吉诃德”！当时的人们不知道，也不可能知道：堂，爱两翁虽然行为相似，性质却完全不同；一个标志着滞后的苦恼，另一个却代表着超前的悲哀。

五光十色，千变万化的大千世界究竟是由什么东西构成的？十九世纪的科学家们发现：分割物质而不改变其特性的最小单位是分子，而分子又是由原子构成的。原子再分割，就分出电子、原子核。原子核由质子、中子组成。质子伙同几个伙伴在中央席地而坐，电子围着她们旋转舞蹈。这就是微观世界的小宇宙。人们的思想不免有点惰性；最初，想当然地认为原子的结构和太阳系相仿。原子核就好比太阳，而电子就像行星那样在各自的轨道上绕原子核旋转。没多久，就发现这种原子结构的“行星模型”存在理论上的矛盾：像电子这样的带电粒子在旋转时会不断失去能量，轨道会越转越小，很快就落入原子核中。所以这种按经典力学建立的原子模型是不稳定的。原子结构不可能是这个样子。幸而不久迎来了量子力学，对电子这样的微观粒子的行为作了完全不同的描述，原来电子根本没有一定的位置，也没有运动轨道。原子中的电子就好像云雾般弥漫在原子核外的空间，形成所谓的电子云。电子到底在哪里？科学家们众说纷纭。根据量子力学，对于单个的电子，我们只能说，它出现在某处的几率有多大，而不能说它一定就出现在某处。在量子力学里还存在“测不准原理”，即：任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量一个，另一个就完全测不准。这就是微观世界的不确定性。但是，爱因斯坦很讨厌这种理论，他的那句名言：“上帝是不会掷骰子的。”就是针对这种理论而发的。从而引发了二十世纪两位科学巨匠爱因斯坦和玻尔之间的长达半个世纪的论战。遗憾的是，爱因斯坦屡战屡败；可敬的是，这位大师屡败屡战。正是他这种不屈不挠的科学精神，才鞭策着量子力学不断地改进发展，最终使之成为一门完备的科学。（详情请见笔者于2001年发表在《理论文萃》第4期上的文章“论量子力学的哲学基础”）。

后来，科学家们又把原子加速到极高的速度，让它们相互碰撞而且被撞碎，从那些被撞碎的小碎片里寻找更小的粒子，看看物质到底是由什么东西所构成的。到了上世纪六十年代终于弄明白了：质子，中子等一概都由一种叫“夸克”的更小的基本粒子所组成。基本粒子间的相互作用可以归结为四种力，即：电磁力、弱力、强力、和万有引力。现代物理学已成功地用量子理论将前三种力统一起来了，但万有引力还顽固地拒绝统一。当年爱因斯坦就曾企图将他建立的关于万有引力的广义相对论与量子理论统一起来，为此花费了他后半生的全部精力，到了晚年，他难免流露出悲壮豪迈之情愫。半个多世纪以来，许多物理学家用各种各样的方法探索过，也都以失败告终。

可喜的是，上世纪末，出现了可以容纳万有引力的“超弦理论”。物理学界的勇士们自信可以对爱翁没解决的“大一统”问题发起冲击了。他们重骑骏马，再举长矛。于是，一片亘古未有的风景突然出现在眼前：微观世界的切割能手说，电子和夸克根本不是什么圆圆的“基本粒子”，它们实际上是一团团弦线构成的圈圈！微观世界实际上是弦线的圈圈世界。弦理论中的弦线能发出不同的振动，就分别构成了电子及各种夸克，再进一步拼构成宇宙万物。所以，宇宙的根本原来是弦线，像小提琴。而大千世界不过是提琴弦线振动的不同音调。宇宙洪荒，微小极处都是提琴上的弦线奏出的交响乐，或雄浑阔大，或幽雅纤细。弦线理论的构造极其复杂。首先，弦线世界不是三维，也不是四维，而是有十一维之多。另外，凡物必有其反，这也是一种“对称”关系。弦线理论加上这种“超对称”，就是超弦理论。如果说相对论以理想替代了实验，量子论以不定替代了确定，那么弦理论的革命在于以多维的基元的运动替代了零维的不变的粒子。目前，不少物理学家都认为，这超弦理论正是爱翁当年冥思苦想之梦，也正是关于宇宙构造的终极理论。

当然，依靠超弦理论统一四种力，还有很长的路要走。若真是走通了，全世界的物理学家一定会开香槟酒庆祝。我想，当年那些物理学大师们的在天之灵一定也会兴奋无比；同时也一定会感到遗憾：他们万万不曾想到，自己终生追求的宇宙之构造原来早在自己的手中，就是他们手中小提琴上的弦。此时，我仿佛听到了从天堂传来的物理学大师们演奏的巴赫的“G弦上的咏叹调。