[转帖]王令隽与丘成桐打擂王者归来

yetiaoxin

王令隽与丘成桐打擂王者归来
---科学上会不会有万能的最终理论？（摘要）
王令隽（2013年2月）
编者按 刘克峰先生在《丘成桐与卡拉比猜想60年》一文中说，王者到来，从证明了卡拉比猜想那一刻起，丘成桐一跃而成为一个伟大的数学领袖，领导了几何学近四十年的辉煌，他代表了数学与超弦理论的一个时代。但同是中国人种，同在美国深造的高级学者，王令隽和张操这对朋友与丘成桐和刘克峰这对师生，在对前沿科学的共识上针锋相对。前沿科学研究大数据如何处理？王令隽和张操这对朋友，与丘成桐和刘克峰这对师生，产生的资料有很多差别。把这些信息集中分析时就需要一个共同的标准；这里推荐王令隽先生的精彩演讲，以飨读者。
在上世纪末，有些学术地位高得吓人的理论家们，居然宣称马上就会找到“万能理论” 或曰“最终理论” （Theory of Everything）。如今，他们宣称找到“万能理论”的期限早已过了。有的朋友希望我谈点看法。此前我的物理科学方面的文章一直偏重相对论和宇宙学的讨论，对于20世纪物理学的另一个主要支柱---量子理论---却没有过较为系统的讨论。所以想对20世纪的量子理论做一个粗线条的小结和评估。
一、世界上有没有最终理论？
科学上从来没有，以后也不会有“万能理论”或“最终理论”。如果最终的万能理论找到了，科学就停止发展了，科学也就死亡了。可是奇怪得很，自上世纪末，一些国际知名的理论家们居然开始宣称20年内就可以找到“万能理论”。这样的“万能理论”到底是一个什么样的东西呢? 是一些超弦理论家们发展出来的所谓M-理论。弦论的产生有两个基本动机：
其一，基本粒子理论的无穷大发散问题始终得不到解决，即使重整化也不能解决所有的发散问题。引力场就没有办法重整化。理论物理看来已经走入了死胡同。于是一些大胆的理论家就提出革命性的假设—高维时空，以图走出困境。
其二，把已知的所有物理定律统一起来成了整个物理学界的共同追求的目标。增加数学空间的维数以统一不同的理论是一个历史上已知的方法。数学空间增加了，不同的理论就可以看成是一个统一理论在某一特定子空间的特例。因此，高维空间的假定虽然匪夷所思，可是如果能解决或者避开无穷大发散问题，又能得到一个万能的最终理论，其目标就具有一些合理性。
超弦理论由格林和施瓦兹于上世纪八十年代提出。这一理论需要十维空间，其中六维“额外维度”卷曲成尺寸在普朗克长度（10的负43次方米）的线段。 超弦理论的问题是，它给不出任何一个可以为实验检验的物理量。
同时，这种理论并不是唯一的。至少有五种不同的超弦理论相互竞争。但是我们知道，物理规律必须唯一，不能亦此亦彼，亦黑亦白，模棱两可，或模棱五可。1995年，惠滕引进了第十一维空间，于是“超弦”的线段就变成了“超膜” (Membrane)。惠滕猜想这五种不同的十维超弦理论有可能是同一个十一维“超膜理论”的不同表现形式。这种“Membrane Theory”简称为“M-Theory”，其具体结构尚不清楚，所以只是一种猜想，对五种不同的超弦理论至少是一个安慰。就是这么一种精神安慰，被许诺 为“20年后就可以结束基础理论研究的“最终理论”的候选者。
对于超弦理论，理论物理界的反应是不一致的。所以这样的“最终理论”、“万能理论”并没有被接受为“标准模型”的一部分。“标准模型”的奠基者之一格拉肖就极力反对，斥其为“神学”。姜子牙和诸葛亮自以为博古通今，其实他们的科学知识还赶不上一个现代的理工科学生。哥白尼，伽利略和牛顿都是最伟大的科学家，可是他们并不懂电磁场理论。人类科学实验与理论分析的局限性，与大自然运行规律的深度和广度的无限性，决定了科学发展不可能有止境。
二、科学实验手段的局限性
要探测比核子尺寸还小的空间中发生的物理现象，唯一的设备就是加速器。欧洲核子研究中心的大强子对撞机（LHC）的设计能量为14TeV。这大概是目前欧美经济能够咬紧牙关勉强承受的极限。要达到大统一理论所要求的能量，加速器的半径要和银河系一样大。这当然是绝对做不到的。但是加速器的局限性远远不是能量限度和财政限度问题，即使我们的财政容许我们建造一个像银河系一样大的加速器，它也不一定能给我们揭示微观世界的全部秘密。为什么呢？我们可以打个比方。
如果一个地质学家检到一块石头，他想了解这块石头到底是由什么东西组成的。他的第一个办法就是碰撞实验---用锤子将石头敲开，看看里面有什么更“基本”的粒子。如果他发现里面有贝壳和古生物的化石，他就可以断定这是一块水成岩，大约生成于什么纪元，等等。但是这种碰撞手段不可能揭示其化学成分，更不可能了解其原子和核结构。这种碰撞手段对分析火成岩的组成根本无能为力，对火成岩的了解要靠化学分析而不能靠碰撞手段。有的朋友可能会说，碰撞手段之所以对分析火成岩的组成无能为力，是因为锤子的能量不够大。如果我们用高速粒子去碰撞火成岩，就可以通过质谱分析得到火成岩的组成成分。
这话是以偏概全。象植物的化石化过程，动物尸体的石油化过程，元素周期律以及新陈代谢等过程及其规律是不可能通过碰撞过程来探究的。如果我们用高能量的粒子轰击置于真空中的火成岩，再将击出的粒子进行质谱分析，原理上可以得出火成岩中的原子成分，但是要从这种碰撞数据中了解其化学组成，晶体结构和分子之间的相互作用力，是不太可能的事情。为什么呢？因为碰撞过程把化学键和晶体结构都破坏了。比如说，将石墨和金刚钻石作为靶子分别至于真空中，然后用高能粒子轰击，将击出的粒子进行质谱分析，看到的都是碳离子。如果轰击粒子的能量够大，甚至可以看到质子，中子，电子和介子，就是看不到石墨和金刚石的晶体结构。可见碰撞实验对探测相互作用力的局限性。我们有理由相信，核物理过程比化学过程更加复杂深奥。
我们甚至还不清楚核子之间的相互作用力的具体形式。我们对核力的定性了解还没有超越汤川秀澍模型。核子之间的相互作用，也不一定会是汤川势那么简单。如果一个原子核中有多个核子，应该会有某种类似于晶体结构甚至更复杂的东西，否则就无法解释为什么氦核超乎寻常的稳定性和同位素的不稳定性。对微观世界的相互作用的探测，决不仅仅是“某某粒子由某某粒子组成”这样简单朴素的原始问题。指望仅凭碰撞手段就能了解核物理甚至比之更小的微观世界，应该是一种奢望。
至于对宏观宇宙的探索的实验手段的局限性，将我们现在的望远镜的探测距离作为宇宙的限度，是一个在不久的将来就会被证明是错误的非常不牢靠的假设。科学会不会克服这种局限性而最终使我们对微观世界和宏观宇宙有更深入的了解？肯定会的。至于子孙后代会发明什么样的设备，我们现在可能连想都想不到。古埃及的托勒密和汉朝的张衡能想到伽利略的望远镜吗？伽利略能想到现代的射电望远镜，电子显微镜和频谱仪吗？绝对想不到。同样，我们也想不到我们的后人会发明出什么样的先进仪器。这就是为什么科学没有止境。托勒密，张衡，祖冲之，欧几里得等人都是伟大的科学家，他们的智商决不在你我之下。但是如果他们千百年前以为自己找到了最终理论或万能理论，那他们的见识就和星象学家差不多了。
三、基本粒子实验检验的间接性
除了实验设备的局限性，基本粒子理论的发展还有一个致命的局限性，那就是所有碰撞实验的检验都是间接的。最早提出中微子测量的是中国科学家王淦昌。他于1942年提出可以用beta俘获来探测中微子。但是，获得诺贝尔奖的工作是1956年由科文和莱茵斯等人的方法。其检测机制是：
1）核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子（泡利的假设）；
2）一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电子；
3）正电子会碰到电子而湮灭，产生一对伽玛光子；
4）中子会被镉核子俘获而产生光子 （比正负电子对湮灭约晚几个微妙）。
这样，这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生。所以，实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的事件。只要同时检测到了三个光子，就认为檢测到了反中微子。但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的。这就是此类“探测”实验的间接性。这几步反应是不是无懈可击的？不一定。比如第一步中微子假定就不见得毫无疑问。因为beta衰变的连续能谱可能是因为电子从辐射源溢出时与辐射源相互作用造成的。对其他几步反应，人们也可以提出各种疑点。
在中微子探测的历史上还有一桩公案，叫做“太阳中微子问题”：实验探测到的从太阳来的中微子数量还不到“标准太阳理论”预言的一半。这问题从 1960年代开始一直拖了几十年没有得到解决。直到1985年米开叶夫，斯米尔诺夫和沃尔芬斯坦提出了一种对标准模型来说是革命性假定，叫做“味道振荡”或“中微子振荡”机制，并因这三人的名字而被称为MSW效应。根据“标准模型”，电子，miu介子和tao介子都有属于自己的三种中微子，叫做三种“味道”。每一种中微子又有自己的反中微子。不同味道的中微子是不能互相转变的，否则怎么可以叫做“基本粒子”呢？
可是根据“味道振动”的革命性假设，不同种类的中微子会变来变去，像孙悟空一会儿变为猪八戒，然后又变回成孙猴子。如此在猴子与猪之间无休止地变换，叫做“味道振荡”。根据这一机制的解释，从太阳辐射到地球的电中微子中有一部分变成了其他味道的中微子，所以就没有被检测到。于是，“太阳中微子问题”总算有了一个“说法”，理论上算是“解决” 了。1998 年以后，几个实验组宣告证实了中微子的“味道振荡”。在这种“中微子振荡”中，猪与猴子的相对比重是连续可变的，可以用普通三角函数来表达。还有其他的探测中微子的方法，就是在很深的山洞里放置大量的含氯液体。中微子会将氯37变成氩37。氩37可以用氦气从含氯液体中分离出来，并会俘获电子而产生放射性，因而可以根据放射性来计算氩37的产量，从而推算中微子的多少。另一种类似的中微子探测器用镓-锗-镓的转换过程进行测量。也可以用 大量的水（比如说50000吨）作为探测物质，利用闪烁计数器记录穿过水箱的中微子产生的切令科夫辐射。这一类探测器的共同问题是如何排除由于宇宙射线产生的本底信号。这类探测也都是非常间接的探测。
作为强相互作用理论基本框架的夸克模型中有一个机制，叫作夸克禁闭。所谓夸克禁闭，就是在大距离上，单独的自由的夸克是不存在的，是永久性地被禁闭的。传递强相互作用的胶子也是永久禁闭的，所以夸克和胶子的直接测量是理论上被禁止的。所有关于“某某夸克已经被探测到了”的报道都是间接的探测。世界上根本就没有夸克探测器。像此类间接实验，在粒子物理中越来越多，越来越间接，越来越难重复，这是实验高能物理研究的一个软肋。
除了上面所述实验的间接性，还有一个理论上内在的间接性。例如散射截面是一个对全空间的定积分值。定积分的数值并不能确定积分函数的具体形式。我们以体积的计算作为例子來说明这个道理。如果一个物体的形状尺寸已经给定，我们可以算出它的体积，答案是唯一的。可是如果给定物体体积，能算出这个物体的形状吗？不能。一立方米的石头，既可以是一块方石板，也可以是一个大圆球，还可以是一尊维纳斯女神的雕像。所以，一个积分数值是不能决定积分函数的具体形式的。这是数学常识。同样道理，散射截面也不可能决定相互作用哈密尔顿函数的具体形式。
有的朋友会说，如果只有一个散射截面数值，当然不能决定相互作用的具体形式。可是如果有各种不同的粒子碰撞的微分散射截面的数据，难道还不足以猜出相互作用的具体形式吗？如果我们把一个相互作用哈密尔顿函数运用到不同的粒子碰撞过程，都能得到与实验相符的结果，那我们确实有理由相信我们猜想的相互作用有些靠谱。可是事实并非如此理想。我们猜想出来的相互作用哈密尔顿函数往往只适用于某一类碰撞过程，而不适用于所有的碰撞过程。为了对这种适用性进行限制，理论家们提出 了各种量子数以及这些量子数的守恒定律，根据这些守恒定律制定一系列的选择定则来剔除那些与这一哈密尔顿函数不相符合的碰撞过程，或者说，将粒子碰撞过程进行分类。定义“轻子数”和“重子数”就是为了将核反应大致分为“弱相互作用”和“强相互作用”两大类。若还不够，就定义一个“奇异量子数”等等。
即使如此，还是不能保证理论在小范围里一定行得通。如果弱相互作用过程中有强子参加就不行。如果是纯弱相互作用而没有电磁相互作用的参加也不行。另外，用微绕理论对散射截面做级数展开时到底保留哪些项（选取哪些费曼图）也带有很大的任意性。请不要忘了“重整化”，这是从无穷大发散的结果中减去一个无穷大以得到一 个和实验符合的结果的操作，其任意性不言而喻。至于强相互作用，不但任意性更多 （必须加入夸克假定模型），而且与实验比较的成绩远远不如弱电统一模型，反而产生了一些与实验明显相悖的结果，比如质子的衰变和夸克禁闭等等。所以，我们用碰撞过程散射截面的计算作为对粒子物理理论的检验，实验上和理论上都是非常间接的，是一种根据定积分的数值猜想积分函数形式的过程。
不过这种间接测量是可以用米尺的直接测量来验证的。经典间接测量所依据的理论的每一部都应该是可以用其他的独立实验验证的，容不得半点神秘主义。可是实验粒子物理的测量是没有直接测量可供比较的间接性。从中微子假定到真正被测量的三个伽玛光子之间有好几步中间假定。这些中间步骤没有办法直接验证，只有到最后进行一揽子检验。如果结果是肯定的，就被认为所有步骤的假定都是对的。如果结果是否定的，就加入新的假定（比如中微子振荡假定），直到得到与实验符合的结果为止。其实，重整化假定也是这么一种操作。这是粒子物理实验的间接性与宏观的经典测量的间接性的根本区别。我们不必把霍金们哗众取宠的大话，太当回事，也不必理会超弦理论家们神话般美丽的许诺。
不过，我们能否在现有的“标准模型”框架之内寻求某种狭义的“大统一理论”？如果我们能把电磁力，弱相互作用力和强相互作用力都统一起来，不也是一桩很大的功德吗？果能做到，确实是很大的功德。不幸的是，这种希望实在过于渺茫。
另一方面，理论物理之所以会滋生出超对称理论和超弦理论这样的数学化的星象学和神学，是因为此前的量子场论为这种演变准备了理论基础，哲学基础，逻辑基础  以及理论队伍。可以说，从物理学界接受狄拉克等人的相对论量子力学和重整化开始，差不多就决定了理论物理今天的命运---理论物理不可能走出迷津。