摘  要：規(guī)范場(chǎng)論是物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)已成熟、被公認(rèn)、最前沿的理論，比規(guī)范場(chǎng)論更進(jìn)一步的發(fā)展是弦論，但是弦論還處于有待證實(shí)的研究階段。從規(guī)范場(chǎng)論到弦論的發(fā)展，幾乎代表了20世紀(jì)50年代以后理論物理學(xué)發(fā)展的主流。文章詳細(xì)描述了從規(guī)范場(chǎng)論到弦理論的發(fā)展歷程，并在此基礎(chǔ)上挖掘了這段物理學(xué)的發(fā)展給哲學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)的新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞：規(guī)范場(chǎng)論；弦論；哲學(xué)

　　20世紀(jì)物理學(xué)的三大基石是量子力學(xué)、相對(duì)論和規(guī)范場(chǎng)論。規(guī)范場(chǎng)論是繼麥克斯(James Maxwell)的電磁場(chǎng)理論、愛因斯坦(Albert Einstein)的引力場(chǎng)理論和狄拉克(P．A．M．Dirac)的量子理論之后的最為重要的基礎(chǔ)物理理論。目前來(lái)看，規(guī)范場(chǎng)論是物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)已成熟、被公認(rèn)、最前沿的理論，其深層次的根本屬性使得它處在一個(gè)最為獨(dú)特的位置；比規(guī)范場(chǎng)論更進(jìn)一步的發(fā)展是弦論，但是弦論目前還沒有得到公認(rèn)，還處于有待證實(shí)的研究階段。從規(guī)范場(chǎng)論到弦論的發(fā)展，幾乎代表了20世紀(jì)50年代以后理論物理學(xué)發(fā)展的主流。

　　規(guī)范場(chǎng)論的觀念“給人類對(duì)宇宙基本作用力和自然規(guī)律提供了理解”[1]，被丁肇中(Samuel．C．C．Ting)贊譽(yù)為“是一個(gè)劃時(shí)代的創(chuàng)作，不但成為今天粒子理論的基石，并且在相對(duì)論及純數(shù)學(xué)上也有重大的意義”。弦論迫使物理學(xué)家們改變關(guān)于實(shí)在的觀念，迫使物理學(xué)家重新審視事物最深層次的本性，迫使物理學(xué)家修正宇宙和時(shí)空的概念，等等。規(guī)范場(chǎng)論和弦論在哲學(xué)領(lǐng)域提出了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

　　一、20世紀(jì)50年代之后物理學(xué)的統(tǒng)一之路

　　20世紀(jì)50年代之后，物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)波瀾壯闊的年代，以規(guī)范場(chǎng)論理論為重要物理學(xué)理論基礎(chǔ)的大統(tǒng)一之路表現(xiàn)著風(fēng)云變幻、錯(cuò)綜復(fù)雜的發(fā)展歷程。

　　1954年，楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)論理論的提出可以說(shuō)是在20世紀(jì)50年代之后物理學(xué)統(tǒng)一之路上邁出了最為關(guān)鍵的第一步。規(guī)范場(chǎng)論的思想最早由韋爾(H．Weyl)于1918年提出，當(dāng)時(shí)規(guī)范場(chǎng)論的思想還沒有受到科學(xué)家的高度重視。古老的電動(dòng)力學(xué)可以被視為是基于U(1)規(guī)范對(duì)稱性，但這并不是20世紀(jì)30年代人們發(fā)展量子電動(dòng)力學(xué)時(shí)所采用的觀點(diǎn)。1954年楊振寧和米爾斯發(fā)表了劃時(shí)代經(jīng)典論文《同位旋守恒和廣義的規(guī)范不變》和《同位旋守恒和同位規(guī)范不變》。楊振寧和米爾斯構(gòu)筑的規(guī)范理論所基于的不是電動(dòng)力學(xué)中的簡(jiǎn)單U(1)規(guī)范群，而是同位旋守恒中的SU(2)規(guī)范群。他們希望這會(huì)成為強(qiáng)相互作用的理論。雖然當(dāng)時(shí)很少有物理學(xué)家對(duì)此感興趣，甚至有的物理學(xué)大師(例如泡利)對(duì)此抱有懷疑的態(tài)度，但是，循此開拓的路向，為規(guī)范場(chǎng)論恢復(fù)名譽(yù)起到關(guān)鍵的作用。

　　20世紀(jì)60年代初，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)微觀世界存在的“對(duì)稱破缺”。這一發(fā)現(xiàn)為以規(guī)范場(chǎng)為核心的物理學(xué)的統(tǒng)一起到關(guān)鍵的推動(dòng)作用。最初，楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)論理論并沒有被物理學(xué)家們運(yùn)用于任何已知相互作用中去；直到幾年之后，物理學(xué)家們才開始將楊-米爾斯的想法用到弱相互作用中去。但是，楊-米爾斯方法無(wú)論應(yīng)用到弱相互作用還是強(qiáng)相互作用中去，所遇到的主要障礙都是質(zhì)量問(wèn)題。質(zhì)量項(xiàng)都是人為加入的，但這樣做破壞了規(guī)范理論的邏輯基礎(chǔ)，因?yàn)橐坏┘尤胭|(zhì)量，促成這些理論的定域?qū)ΨQ性原理就被破壞了。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)拉氏量可能具有一些真空所不具有的對(duì)稱性，這種特征被稱為“對(duì)稱破缺”。許多物理學(xué)家以為如果描述自然的場(chǎng)方程中的一個(gè)嚴(yán)格對(duì)稱性自發(fā)破缺，那它將在實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為近似對(duì)稱性。[1]因此1961年由哥德斯通(Goldstone)提出，并在次年被哥德斯通、薩姆(Salam)及溫伯格(Steven Weinberg)證明的每一個(gè)自發(fā)對(duì)稱性破缺都必定伴隨著一個(gè)無(wú)質(zhì)量無(wú)自旋粒子，這被認(rèn)為是一個(gè)可怕的挫折。因?yàn)榇蠹叶贾啦⒉淮嬖谶@種無(wú)質(zhì)量的哥德斯通粒子。受這一失望的刺激，1964年西格斯(Higgs)試圖找到一種突破哥德斯通定理的方法。他發(fā)現(xiàn)如果原先的對(duì)稱性不是象同位旋那樣的整體對(duì)稱性，而是象當(dāng)初的楊-米爾斯理論中的定域同位旋對(duì)稱性那樣的規(guī)范對(duì)稱性，則哥德斯通定理將不成立。在那種情況下哥德斯通粒子仍然存在，但它將變成規(guī)范粒子的螺旋性為零的分量，從而使后者獲得質(zhì)量。

　　20世紀(jì)60年代末，對(duì)稱破缺和規(guī)范場(chǎng)論結(jié)合建立了弱電統(tǒng)一理論，為物理學(xué)的統(tǒng)一邁出了重要的一步。溫伯格于1967年和薩拉姆于1968年各自將對(duì)稱破缺引入弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一的模型上。他們發(fā)現(xiàn)對(duì)稱破缺其實(shí)是一種完全正確的理論，只不過(guò)被用到了錯(cuò)誤的相互作用上。這些想法的真正用武之地不是強(qiáng)相互作用，而是弱及電磁相互作用。那里會(huì)有一個(gè)自發(fā)破缺的規(guī)范對(duì)稱性，將導(dǎo)致一個(gè)有質(zhì)量的規(guī)范玻色子，規(guī)范對(duì)稱性將是嚴(yán)格的，無(wú)需人為地引進(jìn)質(zhì)量。所以，提出了SU(2)×U(1)規(guī)范群結(jié)構(gòu)。這一模型建立在非阿貝爾自發(fā)破缺帶西格斯機(jī)制的規(guī)范場(chǎng)論理論的基礎(chǔ)上。這一理論是物理學(xué)基礎(chǔ)的重大突破，理論中出現(xiàn)的矢量介子，就是規(guī)范場(chǎng)論量子，也是實(shí)際上已被觀測(cè)到的重介子(帶電)。SU(2)×U(1)規(guī)范理論，是關(guān)于輕子和強(qiáng)子的弱相互作用和電磁相互作用初步統(tǒng)一的理論，我們叫做弱電統(tǒng)一理論。它預(yù)言存在的中性流現(xiàn)象于1974年被證實(shí)，而建立在規(guī)范場(chǎng)論的弱電統(tǒng)一相互作用，被稱為自然界的基礎(chǔ)性的規(guī)律之二。格拉肖(G1ashow)早于1961年也提出了同樣的模型。1979年，三位物理學(xué)家根據(jù)弱電統(tǒng)一理論預(yù)言了W+、W—和Z0的存在，并于1983年由意大利物理學(xué)家魯比亞(W．C．Rubbia)和荷蘭物理學(xué)家范德梅爾(S．van der Meer)發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了弱電統(tǒng)一理論的正確性。因此，格拉肖、薩拉姆和溫伯格因弱電統(tǒng)一理論獲得1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是直接基于規(guī)范場(chǎng)論的科學(xué)理論或科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。魯比亞和范德梅爾因發(fā)現(xiàn)弱相互作用的傳遞者場(chǎng)粒子W+和Z0的大型工程作出了決定性貢獻(xiàn)而獲得1984年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是直接基于規(guī)范場(chǎng)論的科學(xué)理論或科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

　　1972年，荷蘭科學(xué)家特-霍夫特(Gerardus't Hooft)和費(fèi)爾特曼(Martinus J．G．Veltman)的工作具有里程碑性的意義。弱電統(tǒng)一理論納入了規(guī)范場(chǎng)論理論的框架，可是這個(gè)理論的規(guī)范場(chǎng)論矢量介子質(zhì)量問(wèn)題未能解決，也是未能重整化的。它們證明有一種規(guī)范場(chǎng)論理論是可重整化的，即具有自發(fā)破缺的規(guī)范場(chǎng)論是可重整的和幺正的。自發(fā)破缺機(jī)制有好些人研究過(guò)，最著名的成果是西格斯證明的標(biāo)量場(chǎng)耦合到規(guī)范場(chǎng)論而使定域規(guī)范對(duì)稱自發(fā)破缺。由于連續(xù)對(duì)稱的自發(fā)破缺伴隨出現(xiàn)哥德斯通粒子，零質(zhì)量的規(guī)范場(chǎng)論量子“吃”掉了這種場(chǎng)量子而帶

　　有質(zhì)量。這種機(jī)制，現(xiàn)今稱為西格斯機(jī)制，引入大標(biāo)量場(chǎng)稱為西格斯場(chǎng)，引入這種機(jī)制的規(guī)范場(chǎng)論在理論上成功地解決了規(guī)范場(chǎng)論量子的質(zhì)量問(wèn)題、重整化問(wèn)題。特-霍夫特和費(fèi)爾特曼的工作為建立以規(guī)范場(chǎng)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)體系奠定了基礎(chǔ)，他二人也因理論上解釋了亞原子粒子之間電弱相互作用的量子結(jié)構(gòu)而獲得1999年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是直接基于規(guī)范場(chǎng)論的科學(xué)理論或科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

　　重整化問(wèn)題的解決對(duì)建立標(biāo)準(zhǔn)模型起到非常關(guān)鍵的作用，使得以規(guī)范場(chǎng)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)模型得以建立。眾所周知，強(qiáng)作用力就是原子核內(nèi)起維系作用的力量，它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的科學(xué)家格羅斯(David J．Gross)、加利福尼亞理工學(xué)院的波利茨(H．David Politzer)和麻省理工學(xué)院的威爾茨克((Frank Wilczek)對(duì)他們數(shù)字計(jì)算的解釋說(shuō)明夸克之間越接近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克之間非常接近時(shí)，強(qiáng)作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動(dòng)。這種現(xiàn)象叫作“漸近自由”，即漸近不縛性。與此相反，當(dāng)夸克之間的距離越大時(shí)，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。這種特性可以比喻為一種橡皮圈，橡皮圈拉得越長(zhǎng)，力量就會(huì)越大。格羅斯、波利茨和威爾茨克于1973年通過(guò)一個(gè)完善的數(shù)學(xué)模型公布了這一發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個(gè)全新的理論，即量子色動(dòng)力學(xué)。這一理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型作出了重要貢獻(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)模型形容了與電磁力、強(qiáng)作用

　　力、弱作用力有關(guān)的所有物理現(xiàn)象。在量子色動(dòng)力學(xué)家的幫助下，物理學(xué)家終于能夠解釋為什么夸克只有在極高能的情況下才會(huì)表現(xiàn)為自由粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型是繼弱電模型之后在物理學(xué)統(tǒng)一之路上最重要的一次理論突破。今天，標(biāo)準(zhǔn)模型早已成為粒子物理學(xué)的主要理論，它的很多預(yù)言不斷為一個(gè)又一個(gè)激動(dòng)人心的實(shí)驗(yàn)成果所證實(shí)。2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予格羅斯、波利茨和威爾茨克，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)相互作用理論中的“漸近自由”現(xiàn)象，這是直

　　接基于規(guī)范場(chǎng)論的科學(xué)理論或科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

　　在這里，我們必須提及的是，規(guī)范場(chǎng)論的研究直接導(dǎo)致了四個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，事實(shí)上，間接地基于規(guī)范場(chǎng)論的科學(xué)理論或科學(xué)發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的更多。

　　但是，我們要知道，標(biāo)準(zhǔn)模型并不是一個(gè)終點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它屬于量子場(chǎng)論的范疇，但是沒有描述重力。為了將引力納入到“弱一電一強(qiáng)”的理論模型之中，20世紀(jì)70年代物理學(xué)家提出了弦理論。1970年代初提出的弦理論源于強(qiáng)子物理。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)相互作用中包含不存在的質(zhì)量為零、自旋為2的粒子。如果把這個(gè)粒子解釋為引力子，這類理論就有可能把已知的夸克-輕子及其四種基本相互作用統(tǒng)一起來(lái)，同時(shí)解決量子引力問(wèn)題。20世紀(jì)80年代和90年代中期以及世紀(jì)之交，弦理論有了重大進(jìn)展?，F(xiàn)在知道，超弦有五類，它們有可能通過(guò)M理論相互統(tǒng)一起來(lái)。于是，有人認(rèn)為，這是TOE(Theory of Everything)；也有人認(rèn)為，這個(gè)理論一旦完成，理論物理就基本終結(jié)了。

　　20世紀(jì)的物理學(xué)三大理論基礎(chǔ)分別向兩大方向邁進(jìn)。一個(gè)方向是沿著量子理論的方向走向微觀領(lǐng)域，形成粒子物理學(xué)；另一個(gè)方向是沿著相對(duì)論的方向走向宇觀領(lǐng)域，形成宇宙物理學(xué)。這兩大領(lǐng)域在一個(gè)新的理論框架——超弦理論——內(nèi)又相遇在一起，相遇的焦點(diǎn)恰恰又是規(guī)范場(chǎng)論理論。所以說(shuō)，規(guī)范場(chǎng)論這一思想經(jīng)過(guò)了五十多年的發(fā)展，目前在現(xiàn)代基本粒子物理學(xué)和宇宙物理學(xué)中又一次獲得了非常重要的地位，以規(guī)范場(chǎng)論為基石的粒子物理學(xué)

　　和宇宙物理學(xué)有著異曲同工之妙。

　　至此，我們能夠看到，引力場(chǎng)就是在局部廣義時(shí)空坐標(biāo)變換下協(xié)變的規(guī)范場(chǎng)論；電磁場(chǎng)是U(1)規(guī)范場(chǎng)論，一種最簡(jiǎn)單的規(guī)范場(chǎng)論；弱相互作用是SU(2)規(guī)范場(chǎng)論；強(qiáng)相互作用是SU(3)規(guī)范場(chǎng)論；弱電統(tǒng)一理論是SU(2)×U(1)規(guī)范場(chǎng)論；標(biāo)準(zhǔn)模型最直接的做法是選用這兩者的乘積SU(3)×SU(2)×U(1)作為規(guī)范對(duì)稱群，也是一種規(guī)范理論。這就不得不有人們想到：是否物理學(xué)的統(tǒng)一之路歸于“規(guī)范場(chǎng)論”呢?

　　二、新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)：從規(guī)范場(chǎng)論到超弦理論

　　從規(guī)范場(chǎng)論到弦論的發(fā)展，幾乎代表了20世紀(jì)50年代以后理論物理學(xué)發(fā)展的主流，同時(shí)，從規(guī)范場(chǎng)到弦論理論特性的轉(zhuǎn)變也對(duì)傳統(tǒng)的哲學(xué)觀念提出了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

　　(一)、量子力學(xué)和廣義相對(duì)論：“沖突”還是“統(tǒng)一”？

　　弦理論是20世紀(jì)70年代以來(lái)物理學(xué)革命性發(fā)現(xiàn)的自然產(chǎn)物，也是在物理學(xué)理論相互沖突的背景下走向結(jié)合的產(chǎn)物。這種沖突在過(guò)去的世紀(jì)里已經(jīng)不是第一次出現(xiàn)了。

　　第一次沖突早在19世紀(jì)末就出現(xiàn)了。根據(jù)牛頓的運(yùn)動(dòng)定律，如果有人跑得足夠快，就能趕上遠(yuǎn)去的光束；而根據(jù)麥克斯韋電磁學(xué)理論，誰(shuí)也跑不過(guò)光。1905年愛因斯坦通過(guò)狹義相對(duì)論解決了這個(gè)矛盾，并徹底推翻了我們對(duì)空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí)，時(shí)空不再牢固不變而是以靈活多變的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其形式和表現(xiàn)依賴于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

　　第二次沖突在狹義相對(duì)論誕生后不久就出現(xiàn)了。根據(jù)狹義相對(duì)論，任何物體(包括任何形式的影響和干擾)都不可能跑得比光快；而根據(jù)牛頓引力理論卻存在一種順勢(shì)通過(guò)巨大空間距離的作用。1915年愛因斯坦通過(guò)廣義相對(duì)論解決了這個(gè)矛盾，又一次改變了我們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)：時(shí)空不僅受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，而且在物質(zhì)和能量出現(xiàn)時(shí)，還會(huì)發(fā)生彎曲。

　　第三次沖突在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)誕生后出現(xiàn)了。這種沖突表現(xiàn)在：

　　(1)廣義相對(duì)論和量子力學(xué)處理問(wèn)題的領(lǐng)域不同。廣義相對(duì)論為我們從大尺度認(rèn)識(shí)宇宙提供了理論框架，如橫行、星系、星系團(tuán)等大而重的的東西；量子力學(xué)為我們從小尺度認(rèn)識(shí)宇宙提供了理論框架，如原子、分子、夸克等小而輕的東西。幾十年來(lái)，兩個(gè)理論的幾乎所有預(yù)言都在實(shí)驗(yàn)上被物理學(xué)家以難以想象的精度證實(shí)了。但是，當(dāng)處理“小而重”的東西時(shí)，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論走到了一起都得到了無(wú)聊的結(jié)果。例如，在黑洞的中央，大量物質(zhì)被擠壓到了一個(gè)極小空間里；在大爆炸的時(shí)刻，整個(gè)宇宙從比沙子還小的微塵中爆發(fā)出來(lái)。這個(gè)時(shí)候量子力學(xué)與廣義相對(duì)論之間形成水與火的對(duì)抗。初步看來(lái)，這種對(duì)抗在于兩大理論適用的范圍。

　　(2)“在微觀尺度上，量子力學(xué)和新的不確定性原理與廣義相對(duì)論核心的空間(以及時(shí)間)的光滑幾何模型是針鋒相對(duì)的?！盵2]廣義相對(duì)論與量子力學(xué)不同的適應(yīng)范圍造成的沖突只是表面的，其更根本的沖突還在于兩大基礎(chǔ)理論和新思想的沖突。廣義相對(duì)論中引力場(chǎng)通過(guò)空間的彎曲表現(xiàn)出來(lái)，在這里空間是光滑的集合概念；而量子力學(xué)里量子漲落通過(guò)周圍空間越來(lái)越強(qiáng)烈的扭曲表現(xiàn)出來(lái)，這種小距離尺度劇烈的量子漲落使得空間表現(xiàn)出凸凹不平。

　　(3)廣義相對(duì)論與量子力學(xué)線性、非線性的對(duì)立。正如格林(Brain Green)所說(shuō)，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的沖突只是發(fā)生在宇宙相當(dāng)隱蔽的地方。物理學(xué)家在典型尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普朗克長(zhǎng)度的問(wèn)題上快樂(lè)地運(yùn)用廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。而另外一些物理學(xué)家則深信，這兩大塊物理學(xué)基石根本搭配不起來(lái)。

　　這個(gè)沖突目前成為物理學(xué)的中心問(wèn)題。到了80年代中期，弦理論帶來(lái)了一種解決辦法，緩解了二者之間的緊張關(guān)系。在弦理論中，由于弦的延展性(一維而不是一個(gè)點(diǎn))，引力和光滑的時(shí)空觀念在比弦尺度還小的距離下失去了意義，時(shí)空量子漲落也由“弦?guī)缀巍贝媪恕Ｔ谙依碚撝?，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)不但不是對(duì)立的，而且是“相互需要的”[3]“根據(jù)超弦理論，‘大’定律與‘小’定律的結(jié)合，不但是幸福的，也是躲都躲不開的”。[4]

　　為了一個(gè)能把所有的自然力、所有的物質(zhì)編織成一幅錦繡圖畫的統(tǒng)一的物理學(xué)理論，愛因斯坦曾追尋了30年。今天，超弦給我們宣稱了一幅迷人的統(tǒng)一圖景。弦理論已經(jīng)很好地解決了黑洞量子力學(xué)問(wèn)題的一些疑難，但是用它來(lái)說(shuō)明宇宙大爆炸的初始奇點(diǎn)仍是一個(gè)未解決的大問(wèn)題。在超弦理論獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)是沖突還是相融的呢？

　　筆者認(rèn)為，目前量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的“沖突”是客觀存在的，但是這種“沖突”是暫時(shí)的。我們相信，科學(xué)的發(fā)展沒有盡頭，但是科學(xué)理論會(huì)逐漸走向統(tǒng)一。從物理學(xué)的發(fā)展來(lái)看，17世紀(jì)，伽利略研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)，打開了通向近代物理學(xué)的大門。牛頓“站在巨人們的肩膀上”，把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，揭示了天上地下一切物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合。18世紀(jì)，經(jīng)過(guò)邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的研究，經(jīng)典熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)正式確立，從而把熱與能、熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)制統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。19世紀(jì)，麥克斯韋在庫(kù)侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)深入研究，把電、磁、光統(tǒng)一起來(lái)，建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第三次大綜合。至此，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和經(jīng)典電磁理論形成了一個(gè)完整的經(jīng)典物理學(xué)體系，一座金碧輝煌的物理學(xué)大廈巍然聳立。20世紀(jì)，愛因斯坦的狹義相對(duì)論揭示了物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性、時(shí)間與空間的統(tǒng)一性、動(dòng)量和能量的統(tǒng)一性，完成了新的統(tǒng)一。20世紀(jì)，科學(xué)家在物理學(xué)統(tǒng)一之路上艱難地探索，作了一次又一次的嘗試，超弦理論就是其中之一。所以說(shuō)，從物理學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)可以看出，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的“統(tǒng)一”是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是，我們還不敢說(shuō)，規(guī)范場(chǎng)論和超弦理論哪個(gè)是統(tǒng)一的歸宿，這都有待于科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步證實(shí)。

　　(二)、物質(zhì)組成的最終單元：“點(diǎn)狀粒子”還是“一維線圈”？

　　公元前5世紀(jì)，希臘哲學(xué)家德謨克利特認(rèn)為，大量的物質(zhì)都應(yīng)該是少量不同的基本材料組合的結(jié)果，這種基本的組成成分，是堅(jiān)硬的、固態(tài)的、看不見的、彼此之間只有形式和排列方式不同的微小粒子，這種基本粒子被稱之為“原子”，具有“不可分割性”和“不可毀滅性”。2000多年過(guò)去了，盡管那些最基本的物質(zhì)單元已經(jīng)經(jīng)歷了無(wú)數(shù)認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變，但是，人們依舊認(rèn)為它還是正確的。

　　20世紀(jì)30年代初，J．J．湯姆遜(Joseph John Thomson)、盧瑟福(Rutherford)、玻爾(Niels Bohr)、查德威克(Nick Chadwick)的工作使我們認(rèn)識(shí)到原子還不是什么最基本的物質(zhì)成分，它有一個(gè)包含著質(zhì)子和中子的核，核外還繞有一群旋轉(zhuǎn)的電子。曾有一段時(shí)間，許多物理學(xué)家認(rèn)為質(zhì)子、中子和電子就是希臘人所認(rèn)為的“最基本的粒子”?！盎玖Ｗ印钡母拍畛醮蔚玫礁?。

　　20世紀(jì)60年代末，斯坦福直線加速器中心的實(shí)驗(yàn)家利用強(qiáng)大的技術(shù)力量探索了物質(zhì)的微觀層次，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子也都不是基本的，反過(guò)來(lái)，證明它們都是由更小的粒子——夸克(夸克有兩種，一種叫上夸克，另一種叫下夸克)——構(gòu)成的。似乎天地間的一切事物都是由電子、上夸克、下夸克的組合形成的，從實(shí)驗(yàn)上還看不出它們還由更小的東西構(gòu)成的。20世紀(jì)50年代中期由雷恩(Frederick Reince)和柯萬(wàn)(Clyde Cowan)發(fā)現(xiàn)了的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，被認(rèn)為是第四種基本粒子。

　　令人驚奇的是，物理學(xué)家憑著前所未有的技術(shù)力量，不斷地用越來(lái)越大的能量將物質(zhì)擊碎，不斷地發(fā)現(xiàn)新粒子，粒子的清單越來(lái)越長(zhǎng)，以至于物理學(xué)家將它們成分組，構(gòu)成三個(gè)“族”。每一族包括2個(gè)夸克和一個(gè)電子，或者電子的伙伴，以及1個(gè)相應(yīng)的中微子。到目前為止，我們所遇到的每一樣事物——不論是自然出現(xiàn)的還是人工將原子粉碎后產(chǎn)生的——都是由這三族粒子和它們的反物質(zhì)伙伴組合成的粒子組成的?！案鶕?jù)現(xiàn)代思想，可能稱得上‘根本’的粒子是輕子與夸克(皆為費(fèi)米子)，及光子、膠子、引力子和一些與弱相互作用有關(guān)的粒子?！盵5]

　　需要強(qiáng)調(diào)的事，粒子的概念已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，無(wú)疑，德謨克利特肯定是認(rèn)不出它來(lái)了。新的粒子觀念喪失了原來(lái)的每個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)屬性：永恒性和個(gè)體身份。所有的粒子都可以產(chǎn)生與消滅，這是粒子最基本、最普通的性質(zhì)，這早在70年前就發(fā)現(xiàn)并從理論上認(rèn)識(shí)到了，這意味著粒子不再具有永恒性。另一方面，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多粒子成雙成對(duì)地出現(xiàn)，反粒子會(huì)隨著正粒子的湮滅而湮滅，粒子的個(gè)體性不復(fù)存在。一些粒子的永恒性和個(gè)體性的

　　喪失，最起碼還是穩(wěn)定的；更有甚者，一些粒子連穩(wěn)定性都喪失掉了，它會(huì)衰變而成為其他的粒子。

　　弦理論帶來(lái)了強(qiáng)有力的概念。弦理論認(rèn)為，如果以更高的精度去考慮粒子，會(huì)發(fā)現(xiàn)他們并不是點(diǎn)狀的，而是由一維的小環(huán)構(gòu)成。每個(gè)粒子像一根無(wú)限纖細(xì)的橡皮筋或一根振蕩、跳動(dòng)的細(xì)線，被稱之為“弦”。弦理論的弦小得可憐，平均大約是普朗克長(zhǎng)度的尺寸，所以即使用儀器來(lái)檢查，也顯得像點(diǎn)一樣。弦理論在物理學(xué)史上第一次提供了一個(gè)能揭示宇宙賴以構(gòu)成的所有基本特征的框架，因此有時(shí)人們說(shuō)它可能是一個(gè)“包羅萬(wàn)象的理論”或“終極理

　　論”。

　　如果弦理論是一個(gè)最深層的理論——是其他一切理論的基礎(chǔ)，不需要也不允許有更基本的理論來(lái)解釋它。那么應(yīng)該認(rèn)為“弦”就是自然界“最基本的粒子”，在古希臘人本來(lái)的意義上，也就是不可分的基元。絕對(duì)的最小的構(gòu)成萬(wàn)物的基元的弦，代表著微觀世界數(shù)不清的亞結(jié)構(gòu)層次走到了盡頭?！皬倪@點(diǎn)看，弦即使在空間延伸，問(wèn)他們的組成也是沒有意義的。弦就是弦，沒有比它更基本的東西，所以不能把它描寫成別的任何物質(zhì)組成的東西?！盵6]如果弦理論不被認(rèn)為是一個(gè)極限，那么，“弦”有可能還是由更深層的粒子構(gòu)成。如果弦是由更小的事物組成的，他們就不會(huì)是基本的，相反，如果什么東西構(gòu)成了弦，它就當(dāng)然可以取代弦的位置，而成為更基本的宇宙基元。這種觀點(diǎn)基于目前現(xiàn)實(shí)情況，我們還不知道弦理論是否是正確的大自然的最后理論。而且，歷史告訴我們，每當(dāng)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)深入一步，總會(huì)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)還有更微觀的層次，還有更小的組成元素。弦理論像提出了這種可能性，但還沒有確實(shí)的證據(jù)。既然弦理論證明了傳統(tǒng)的零維點(diǎn)粒子是一種數(shù)學(xué)的理想化，而不是真實(shí)世界的再現(xiàn)，那么無(wú)限細(xì)小的一維弦圈會(huì)不會(huì)是數(shù)學(xué)理想呢？1995年惠藤(Edward Witten)等人發(fā)動(dòng)第二次超弦革命，提出弦理論還包括著二維的膜、三維的體，甚至更奇異的怪物等等。到底哪一種才是“最基本的粒子”呢？“要么一定有少量至今尚未發(fā)現(xiàn)的粒子是真正的基本粒

　　子，實(shí)驗(yàn)室中看到的粒子皆由他們所構(gòu)成；要么就是整個(gè)基本粒子概念沒有任何意義。”[7]

　　簡(jiǎn)言之，物質(zhì)組成的最終單元到底是“點(diǎn)狀粒子”還是“一維線圈”？根據(jù)目前的理論發(fā)展來(lái)看，大家姑且認(rèn)為是“點(diǎn)狀粒子”，但這并不意味著它一定是真理。我們期待著超弦理論被證實(shí)的那一天，一旦超弦理論獲得實(shí)驗(yàn)支持，我們對(duì)物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)將會(huì)有一個(gè)根本性的變化。

　　(三)、真實(shí)生活時(shí)空：“11維”還是“4維”？

　　牛頓理論構(gòu)建了三維的空間和一維的時(shí)間，空間和時(shí)間相互獨(dú)立，空間是平直的。愛因斯坦相對(duì)論的建立鼓勵(lì)我們把時(shí)間看成另一維，一起構(gòu)成宇宙的四維時(shí)空，二者相互聯(lián)系。宇宙的這個(gè)特征是基本的、一貫的，也是普遍存在的，而且似乎不成什么問(wèn)題。

　　然而，1919年，波蘭的數(shù)學(xué)家卡魯扎(Theodor Kaluza)向顯然的事實(shí)提出了挑戰(zhàn)——宇宙也許不只有3個(gè)空間維，而是有更多?？斣慕ㄗh變革了我們物理學(xué)定律的體系，以至于至今還為他的遠(yuǎn)見感到震驚。但是，這個(gè)建議如何能與我們看到的三維空間這一顯然的事實(shí)相協(xié)調(diào)？這個(gè)問(wèn)題在卡魯扎的理論中沒有明確的回答。

　　1926年，瑞典數(shù)學(xué)家克萊茵(Oskar Klein)把理論更具體化了，答案也明確了。那就是，我們的宇宙空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有卷縮的維。延展的維很大，能直接顯露出來(lái)；卷縮的維很小，很難看到。

　　“弦理論動(dòng)搖現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)是從宇宙的維數(shù)開始的——那個(gè)我們認(rèn)為不是問(wèn)題的數(shù)，現(xiàn)在正發(fā)生著戲劇性的而且令人信服的改變”。[8]弦理論“要求”宇宙有更多的空間維。

　　那些看不見的維多小才算“小”呢？格林聲稱，我們最先進(jìn)的儀器能探測(cè)小到百億億分之一米的結(jié)構(gòu)。如果那些維度卷縮得比這個(gè)尺度還小，我們就看不見了。1926年，克萊茵結(jié)合卡魯扎的原始想法和量子力學(xué)思想，計(jì)算結(jié)果表明，卷縮的維可能小到普朗克長(zhǎng)度，是實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能達(dá)到的。

　　弦理論學(xué)家計(jì)算表明，弦能在9個(gè)獨(dú)立空間方向振動(dòng)。我們熟悉的3個(gè)展開的空間維以外還有6個(gè)卷縮的空間維。“多維的存在，不僅是一種假定(如卡魯扎、克萊茵和他們的追隨者那樣)，更是弦理論的要求。為了讓弦理論有意義，宇宙應(yīng)該是lO維的：9個(gè)空間維，1個(gè)時(shí)間維”。[9]

　　20世紀(jì)90年代，惠藤根據(jù)本人的發(fā)現(xiàn)和前人的一些結(jié)果，提出了令人信服的證據(jù)，說(shuō)明弦理論的近似計(jì)算實(shí)際上“丟失”了一個(gè)空間維?；萏俚慕Y(jié)論令多數(shù)弦理論家大吃一驚：弦理論實(shí)際需要11維，10維的空間和l維的時(shí)間。

　　這樣一來(lái)，自然就會(huì)有人問(wèn)：為什么其中的3個(gè)空間維和1個(gè)時(shí)間維是大的展開的維，而其余6個(gè)維或7個(gè)維是小的卷縮的維？為什么它們不都展開或卷縮？弦理論需要那么多空間維，會(huì)不會(huì)有更多的時(shí)間維呢？那樣不正好與多維空間對(duì)應(yīng)嗎？多維的空間和多維的時(shí)間意味著什么呢？

　　進(jìn)一步講，牛頓理論的時(shí)空是平直的，愛因斯坦理論的時(shí)空是可以彎曲的，但是，它們的空間結(jié)構(gòu)不會(huì)破裂。從廣義相對(duì)論來(lái)看，廣義相對(duì)論的方程牢牢植根于黎曼幾何，其基本的數(shù)學(xué)形式要求空間背景是光滑的——這是一個(gè)有嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義的概念，不過(guò)從它的尋常意思也能把握某種基本特征：沒有褶皺，沒有針眼，沒有一小塊一小塊“粘”起來(lái)的痕跡，當(dāng)然也沒有破裂。

　　隨著量子力學(xué)與引力論的融合以及弦理論的發(fā)現(xiàn)，第一次確定地證明某些物理背景下空間結(jié)構(gòu)可能破裂?；萏儆靡环N特別的方法說(shuō)明空間破裂不會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果的微觀原因，而且暴露了空間破裂時(shí)點(diǎn)粒子理論和弦理論間的差異：在破裂處弦有兩種運(yùn)動(dòng)形式，而點(diǎn)粒子只有一種。

　　畢竟空間就是空間，不論它卷曲成卡-丘形式，還是展開成我們?cè)谛枪鉅N爛的夜晚所感覺的茫茫宇宙，也無(wú)論卷縮的維與展開的維之間有多大區(qū)別，值得肯定的是空間破裂一定有著更廣泛的適用性。所以，空間能破裂而不產(chǎn)生物理學(xué)災(zāi)難，但是空間破裂時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情呢？對(duì)我們的生活有什么影響呢？這樣的破裂在我們生活的三維空間也會(huì)發(fā)生嗎？

　　筆者相信物質(zhì)世界的奧妙，我們生活的真實(shí)空間不會(huì)簡(jiǎn)單的是4維，因?yàn)槿魏卫碚摱疾粫?huì)是“空穴來(lái)風(fēng)”，現(xiàn)在既然有人提出了10維或11維時(shí)空理論而且能夠風(fēng)靡一時(shí)，自然有一定的道理。當(dāng)然，這種看法僅僅是一種信仰而已，物質(zhì)世界的新的面目有待新的科學(xué)革命給我們展示。

　　總之，規(guī)范場(chǎng)論和弦理論都是劃時(shí)代的創(chuàng)作。在從規(guī)范場(chǎng)論到弦理論發(fā)展的進(jìn)程中，萌發(fā)了許多哲學(xué)方面的新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，這些新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)不僅僅豐富了我們的哲學(xué)觀，而且發(fā)展了哲學(xué)觀。在物理學(xué)統(tǒng)一之路和理論物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展之路上，將會(huì)有越來(lái)越多的新問(wèn)題和挑戰(zhàn)被提出，這些都是哲學(xué)觀新的意蘊(yùn)和內(nèi)涵。

　　【注釋】

　　[1]這是非常錯(cuò)誤的，但那正是當(dāng)時(shí)所認(rèn)為的。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]轉(zhuǎn)引高策．走在時(shí)代前面的科學(xué)家——楊振寧[M]．太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，1999．5．

　　[2][3][4][6兒8][9]格林．宇宙的琴弦[M]．長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，123，4，4，135，178，196．

　　[5][7]羅杰·G·牛頓．探求萬(wàn)物之理[M]．李香蓮譯．楊建鄴校．上海：上海科技教育出版社，2000．212，210．

　　[10]桂起權(quán)，賀天平．超弦——大自然的琴弦[M]．科技導(dǎo)報(bào)，2003（3）．

　　[11]賀天平，郭貴春．量子力學(xué)的模態(tài)解釋[J]．哲學(xué)研究，2004（10）．

　　[12]賀天平．哈金的實(shí)驗(yàn)實(shí)在論思想[J]．科學(xué)技術(shù)與辯證法，2005（2）