宇宙的精灵 #21.1

第二十一章 天地之合

一

转眼间，以1900年普朗克的量子假说和1905年爱因斯坦的狭义相对论为标志的现代科学革命过去半个多世纪了，革命的元老们都陆续乘鹤西去。这场革命完成了吗？

分开来说是完成了，用广义相对论和量子力学这两种理论，从天上的“虚空”到地下的“原子”，尽在人类视野之内，科学家对业已发现的经验现象都作出了合理的解释，作出了新颖的预见，并且它们的原理已经变为技术大量地工业运用，从浩瀚的宇宙到幽深的微粒，人类无处不在无所不能。

可是人类还有一个梦，一个统一梦，这个梦还没圆呐！当公元前七世纪希腊科学家和哲学家泰勒斯说出了“水是始基”（万物皆起源于水并由水构成的）这个命题起，人类就开始了探索世界统一性的征程。用原理上相当于“水是始基”这么一个方程说清天上地下一切事情的目标，在牛顿时代曾疑似实现，可是二十世纪的科学家却用实验事实和革命性的科学理论把这个梦给无情地打碎了。然而打碎毕竟不是目的，科学不过是追求更广袤的视界和更深邃的触角，更高的统一依然是科学共同体的追求，否则人类就没有新的希望了。问题是，摧毁了牛顿的统一理论以后建立起来的科学理论体系不是一个而是两个——相对论和量子力学。牛顿曾统一了开普勒的“天上的物理学”和伽利略的“地下的物理学”，现在这个统一的国度又被重新一分为二——天上的归广义相对论，地下的归量子力学，双方隔江而治。

然而毕竟是同一个世界，隔江而治却不可能河水不犯井水，老死不相往来。实际上，相对论和量子力学的联合作战早已有之，而且每次都战果不俗。当狄拉克在量子运动方程中考虑进相对论效应就产生了狄拉克方程，解释了电子自旋现象还预言了反物质的存在；当费曼把符合相对论时空的连续的电磁运动量子化，就产生了量子电动力学（QED）；当钱德拉考虑进泡利的不相容原理，就提出了恒星坍缩理论，勾引起以后的宇宙学革命；当霍金在广义相对论宇宙学的研究中引进海森堡的不确定性原理，就提出了惊世骇俗的霍金辐射理论，建构了有限无界宇宙时空模型。

那就两军合一军，成立一个联合指挥部，建立一个合众国（United States）呗。说得容易！谁来当总司令，谁来当总统？贤者为王，或者轮流坐庄呗。问题是，谁为贤者？双方的治军和治国理念原则上是对立的和不相容的，轮流坐庄岂不乱了套？

相对论有一个很革命的开端和基础。在经典物理，时间和空间是世界万物运动的一个独立的舞台，是宇宙天体运行的不变的绝对背景。在相对论物理里，时空却失去了它们所谓的客观独立性，物质运动的速度决定了时间的快慢和空间的长短，物质的质量决定了空间的曲率，世界演员在演出过程中根据剧情搭建变动不居的舞台，时空没有独立的定律，它们的定律是从相对论的基本方程中推导出来的，因此它们同物体一样是运动和变化的，或者说时空跟物体一样同样是一种实在，而不仅仅是一种形式。比如经典物理中三角形的三个内角之和等于180度，在相对论物理中，这还得视物体的质量、能量和速率而定，三角形的三个内角之和几乎有无限多个解。正如惠勒所说：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。”然而在这个基础上建立起的相对论王国却洋溢着经典科学富丽堂皇的贵族气派。理论体系简单而优美，对象是独立存在的实在，变化的时空是连续的，运动规律是严格决定的。

量子大厦倒是处处离经叛道，没有独立存在的实在，只有不同观察条件下的主客同格的对象，世界充满了不确定性，充满了无理由的能量涨落，规律不是严格决定的而是概率决定的。然而时空观在量子力学却是经典的，尽管量子力学也有把时空量子化，但未能像相对论那样把物质和时空统一在一起，不能从量子力学的基本方程中推导出时空的形状，也就是说，时空在量子力学那里依然像经典力学一样是一个固定不变的背景和舞台。

我们现在似乎又陷入了当初光的波动性和粒子性的迷局，难道星期一、三、五相对论执政，星期二、四、六量子力学掌权，到了星期天就让它进入无政府状态？肯定不会甘心，几千年一梦，哪能说断就断？一个统一的理论，一个总揽天地的“万物之理”（Theory of Everythng），始终是科学家魂牵梦萦的香格里拉。