人和黑猩猩共祖吗？

人和黑猩猩共祖吗？

1. 人类的染色体中的基因和“垃圾DNA”

人类的染色体中，约有31亿个DNA的“碱基对”，“碱基对”可以用A、T、C、G表达。在这些“碱基对”中，目前已发现约有2%数量的DNA具有“转录和编码生成蛋白质或酶”的功能。这部分DNA是一些DNA片段，大约有3万个，被称为“功能基因”。功能基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制着我们每个人生理以致外貌的发生，因此，它们具有遗传效应。位于“功能基因”和其它基因之外的、大约95%数量的DNA，由于人们还没有认识它们的作用，“暂时”被称为“垃圾DNA”。但是，它们并不是废弃基因的墓场，而很可能是未被认识的宝藏。

2.人和黑猩猩98.5%相似是如何得来的？

通过十几来年的努力，终于将人类23对的染色体DNA序列解析了出来，并被送入了电脑的资料库，免费供全世界人查阅。
但是，这个数码的序列实在是太大了。如果一个“碱基对”、例如“A-T”两个字符用一厘米见方的“马赛克”表达，23对染色体的31亿个DNA的“碱基对”总长度就有3万1千公里。如果将它们铺放在中等大小的足球场上，可以铺满60个足球场。黑猩猩的DNA序列要小一些，但也差不多可以铺满60个足球场。如果要比较这两组都有60个足球场大小的马赛克图的相似性，其困难程度可想而知了。于是，人们设计了一个电脑程式来解决这个问题：“利用电脑，随机地挑选一段人类DNA序列片段，然后检测在其他物种中是否有相似的序列。”（参考“上帝的语言”英文版P126）。也就是由电脑在“人的DNA马赛克足球场”上，挑选一段DNA字符串，例如有一千个字符的马赛克，然后，由电脑程式在“黑猩猩DNA马赛克足球场”上扫描匹配，如果找到了有九百九十个字符相符合的马赛克串，就认为此串符合了。一千个字符串，找到了九千八百个相符的字符串，那么人和黑猩猩DNA相似率就是98%。据说，这样测试出来人和黑猩猩相似度： “功能基因”（“编码蛋白质的基因序列”）100%相似（和狗、老鼠99%相似），其他的DNA是98%相似（参考“上帝的语言”英文版P127）。这样的数据真的能反映人和黑猩猩DNA组成的相似性吗？功能基因是过指导蛋白质的合成、表达携带遗传信息的基因，它们能控制个体的生理以致外貌，既然100%、99%的相似，黑猩猩、狗和老鼠也应该有人的“生理以致外貌”，您相信吗？  

如果有两区域各有23栋建筑物，它们都使用四种同样的砖构筑，虽然这些建筑物完全不同，如果用电脑程式比较它们的砖块，两区的建筑物被测的结果一定是100%的符合。上面那样的“随机挑选”、“检测相似”的DNA比较，不也只是比较人和其它动物构成的材料吗？但是，人和其它动物“材料的近似”决不等于人和其它动物近似。

3.Y染色体的比较推翻了人和黑猩猩98.5%相似的结论

2010年1月，以美国麻省理工学院怀特海德研究所生物学教授大卫·佩奇（DavidC. Page）为首的团队，在“自然”期刊上发表了他们的论文：“黑猩猩与人类Y染色体在结构和基因内容中的显着分歧”（Chimpanzee and Human Y Chromosomes AreRemarkably Divergent in Structure and Gene Content），完全推翻了人和黑猩猩98.5%相似的结论。他们的结论是：“黑猩猩的MSY（Male specific region of Y--雄性特Y染色体异区）区域内，只包含了人类MSY区域中三分之二的基因，以及一半的“功能基因”（“编码蛋白质的基因序列”）；“黑猩猩的Y染色体中的回文结构[见注释]是人类Y染色体的回文结构数量的两倍。”。黑猩猩的Y染色体是在几年前测序完成的，但是全部图谱，也只是现在佩奇的研究团队进行了精密的测序才完成，因此他们的结论是建立在可靠数据上的成果。

人类Y染色体大约由5千万DNA的“碱基对”构成，是全部染色体的六十分之一。如前面“马赛克足球场”的比喻，它只相当于一个足球场大小的，比全体染色体DNA的数量小了很多，也就有了更精密比较人与黑猩猩DNA差异的可能。佩奇他们这次不是随机挑选一段对比，而是认真地逐段序列的对比，才得到如此精密比较的结果。就如同他们不再是比较建筑物的砖块，而是比较两栋建筑物的本身结构，这才得出了正确的结论。

4. 佩奇的研究团队的结论说明了什么？

在这个结果说明的很简单：人和黑猩猩的DNA是不同的。
当DNA进入了人类来源的研究后，研究发现全世界的人都是来源于十几万年前的一对父母，这给人是由猿进化而来以巨大的打击。因此进化论者一直为“人和黑猩猩”共祖寻找DNA的根据，目前他们的两个支撑点就是“DNA百分之九十几的相似”和“2号染色体是古猿两个染色体的融合”。
佩奇的研究成果又给持进化论观点的人们、包含佩奇以巨大的错愕，然而，他们又寻找了一些推论:人的染色体在与猩猩分离後，发生了迅速的变化，并由此推论出在若干万年Y染色体将要消亡，这显然是荒谬的推论。
事实上人类的23对/46条染色体中，唯有Y染色体（特别是其中MSY区域）在生殖过程中，不发生来自父母染色体间的重组，正是在这个基础上，才有了Y染色体亚当理论。Y染色体亚当理论的标志ZFY基因的729个基因字符十几万年没有发生改变，欧、亚、美和澳洲人身上共同的M168标记几万年没有改变，是Y染色体没有“发生了迅速的变化”的例证。
人和黑猩猩共祖在基因上寻找的支持是98%相似，当结论是“人和黑猩猩的DNA是不同”，他们又说是Y染色体发生了变化，而他们不可能寻找到所谓的非人的人类祖先DNA，有什么证据去证明他们的论据呢？在逻辑上是：依据一个没有确据的假设去证明这个假设的存在，岂不是十分可笑的事？
注解：回文结构(palindromesstructure)双链DNA中的一段倒置重复序列,当该序列 的双链被打开后,可形成局部"十"字形结构.这段序列 被称为回文序列.其特点是在该段的碱基序列的互补链之间正读反读都相同（并非在同一条链上正读反读）。例如5""""GGTACC3""""--3""""CCATGG5""""
参照《回文诗》
　　开篷一棹远溪流，走上烟花踏径游。来客仙亭闲伴鹤，泛舟渔浦满飞鸥。
　　台映碧泉寒井冷，月明孤寺古林幽。回望四山观落日，偎林傍水绿悠悠。
　　可倒读为：
　　悠悠绿水傍林偎，日落观山四望回。幽林古寺孤明月，冷井寒泉碧映台。
鸥飞满浦渔舟泛，鹤伴闲亭仙客来。游径踏花烟上走，流溪远棹一篷开。

Nature 463, 536-539 (28 January 2010) | doi:10.1038/nature08700;Received 3 August 2009; Accepted 24 November 2009; Published online 13 January2010
Chimpanzee and Human Y Chromosomes AreRemarkably Divergent in Structure and Gene Content
黑猩猩与人类Y染色体在结构和基因内容中的显着分歧
JenniferF. Hughes1, Helen Skaletsky1, Tatyana Pyntikova1, Tina A. Graves2, Saskia K.
M.van Daalen3, Patrick J. Minx2, Robert S. Fulton2, Sean D. McGrath2, Devin P.Locke2,
CynthiaFriedman4, Barbara J. Trask4, Elaine R. Mardis2, Wesley C. Warren2, Sjoerd
Repping3,Steve Rozen1, Richard K. Wilson2, David C. Page1
（引用和翻译）
Inaggregate, the consequence of gene loss and gain in, respectively, the chimpanzeeand human lineages is that the chimpanzee MSY contains only two thirds as manydistinct genes or gene families as the human MSY, and only half as many proteincoding transcription units .

总的来说，由于基因缺失和增加的两个因素，对黑猩猩和人类基因产生的后果是：黑猩猩的MSY区域内，只包含了人类MSY区域中三分之二的的”独特的基因或基因簇”(注：可识别的基因/基因)，以及一半的“蛋白质​​编码转录单位-功能基因”（ 注：功能基因-能用来编码蛋白质的基因，目前已发现人类大约有2万到2.5万个这样的基因）。

Bycontrast, in the remainder of the genome, comparison of chimpanzee draftsequence with human reference sequence suggests that the gene content of thetwo species differs by < 1% (ref. 15).
相反，在基因组的其余部分，黑猩猩的序列草图与人类参考序列比较表明，两个物种的基因含量差异<1％不同。

Indeed,at six million years of separation, the difference in MSY gene content inchimpanzee and human is more comparable to the difference in autosomal genecontent in chicken and human, at 310 million years of separation [26].

事实上，黑猩猩和人类之间（有600万年的分离）在MSY区域包含基因的差异，与鸡、人之间（有3.1亿年的分离）在常染色体中包含的差异是更具有可比性。

Thechimpanzee MSY harbors twice as many massive palindromes as the human MSY, yetit has lost large fractions of the MSY protein-coding genes and gene familiespresent in the last common ancestor.

在黑猩猩的MSY区域中，包含有相当于人类在MSY区域中两倍的DNA回文结构。但是，比较最后的共同祖先，在现今人类MSY区域中，已经失去了很大比例的蛋白质编码的基因（功能基因）和基因簇。



那么“突变” 有可能产生人类吗？遗传能够接受的“突变”是有限的，否则，新生儿就不可能存活或不能继续繁殖。虽然有些疾病会遗传，那也仅是病态的人。有人以染色体结构的相似，推断人的2号染色体是由猿的两个染色体组合而来，猿的24对染色体变成了23对，于是“猿就变成了人”。这种假想并不能挽救进化论，因为猿不可能由24对染色体变成23.9、23.8、23.7……对，来逐渐变成23对，必须“一次突变成23对染色体”，而且必须在相近的时间、相近的地点、产生一个相同2号染色体组合的公猿和母猿，才能交配生出下一代。当时非洲一个猿群体顶多几十万只，相比现今几十亿的人，曾经有几千代的繁衍，如果突变能产生新人种，将有更大的机率
产生千千万万，奇奇怪怪的“人猿”或“猿人”，它们在哪里呢？

其实，在2005年4月发布的人类2、4染色体研究报告中，其结论部分是这样写的：【我们的研究结果表明，“近着丝粒”和“亚端粒” 重复在人类基因组中的丰富残留，结合与鼠同源中的断点，也许是标志着祖先的端粒和着丝粒，或许代表着人类世系中的常染色体的经常性重组。】。目前，大概没有比这份122个研究者签名的报告更权威了。我们在这里看到的只是“在人类2号染色体中有一个也许是标志着融合的‘痕迹’”，这个全世界男人和女人都有的‘痕迹’，不但无法“肯定”人类是来自一个突变，反而是“我们都是一对父母的后代”的又一个确据。




转自凯迪网

宇宙的精灵 - 闭营词

闭营词

朋友们：

                   

追随量子精灵的足迹，我们已经走过了百年。这是一曲威武雄壮的交响，一部波澜壮阔的史诗。宛如穿越三千年时空，回到地中海文明的英雄时代，那些神性的勇士们，驰骋高桅巨帆的战船，轧平爱琴海的狂涛巨澜，辟开飓风垒起的铁壁铜墙，怪力魔术不能阻滞他们的速度，海妖塞壬妩媚的歌声不能迷失他们的航向，铠甲在身，利刃在手，信念于胸，英气四射，为了爱情和尊严，为了财富和梦想，朝着乌云翻滚的天边，奔赴胜负难测的战场。量子物理百年那智力搏击的战场，其诡异和神奇、艰辛和困苦、磨难和惨烈，一点也不亚于远古的英雄时代。多少的歧路踟蹰，多少的愁肠百结，多少的曲径探幽，多少的绝境求生。黄尘古道，孤烟大漠，冷月崇山，凛冽长河，于无路处趟出大道，于荒芜处开发绿州，于无声处期待惊雷，从虎穴龙潭探求那颗耀眼的明珠。而驱动物理英雄们前赴后继的，是宇宙无限幽深的迷。“我宁可要一个因果性的说明，也不愿做波斯的王”，对，这是二千多年前德漠克利特的格言，也是现代物理英雄们的坚守。

英雄是由对手成就的。量子物理最大的敌人不在越洋过海的远处，也没有万水千山的距离，它就近在心灵——是人类意识最深的一个关于确定性和实在性的心结。现代科学革命同时也是哲学革命。相对论范式认识论的革命意义在于：没有不被观测的独立实在，因此绝对时空是不存在的。然而在物理学史上,相对论仍属于经典科学范畴，因为它基本概念都是经典的。有朋友会问：相对论时空不是现代的吗？时空概念自古就有，只不过相对论时空具有了全新的内禀属性——它们是动态的。实际上，人类感觉到的时空也是动态的，只是以前认为背后还有一个更原始的绝对时空，现在绝对时空不存在的，相对时空就成了原始概念，具有了动力学结构，可以像可感物一样膨胀、收缩、弯曲。因此时空运动的规律与经典体系的物质运动的规律一定是连续的、具有严格的因果性和必然性——时空动力学与牛顿质点动力学具有对称性，因此相对论力学具有高贵华丽的古典美。

量子物理则大相径庭，量子精灵一开始就以叛逆的性格示人，就像叛逆期的孩子，你叫向东她就偏要向西，你让坐下她偏要乱跑，连续的能量变成了分立的实体，分立的物质演绎成了连续的波。魔幻般的量子世界，根本不能用传统“正常”的思维方式解释，因此早期量子力学的每一个进步都由“胡说八道”推动。经典科学追求把扑朔迷离的运动变化还原为清楚明白、不证自明的公理；而量子科学家愈追溯愈是迷茫，斩不断理还乱。由数学模型追溯物理意义，由物理诠释要求哲学注释，最后得出的哥本哈根诠释，就把牛顿力学二百塑造出来的一定确定而实在的世界给砸碎了！由哥本哈根离经叛道的物理诠释中得出一个哲学认识论结论——观测不仅是认识对象的的工具，它同时还是对象本身，传统哲学主体和客体的区分在这里变得没有意义！从常识出发，谁都会将这种理论斥之为荒唐。然而理论有多疯狂，科学就有多神奇，哥本哈根诠释这种有悖常理的“谬论”居然最后为符合科学规范的贝尔实验所证实。还有更疯狂的。1979年，在爱因斯坦诞辰100周年的时候，惠勒又提出了一个“延迟选择实验”，更进一步的证明，观测还可以时间倒流式地决定对象的历史，就好比说，一部电影是大团圆结局还是悲剧结局，不是由拍电影（过去）的导演决定的，而是由看电影（现在）的观众决定的，时间的过去和现在也没了区分。如此“疯狂”的观点，在惠勒提出之后的几年内居然也被实际操作的实验所证实。唉！你跟哪儿说理去？

创立量子力学的英雄们年轻不假，在上个世纪的二、三十年代，物理学家过了三十岁就不得不哀叹“廉颇老矣”，但我们却不能因此把量子力学史视为幼稚园和疯人院。这正是科学革命时期所需要的没有成见的大智慧，荒唐和疯狂只是常识眼光的感受，理论得以成立的标准依然是逻辑自洽和符合经验。本导游已经远远超过了三十岁，感情上我也愿意打倒哥本哈根诠释，可是我们拿什么来解释黑体辐射、原子光谱、光电效应、康普顿实验、弗—赫实验、隧穿效应和双缝实验等等实验现象呢？

从认识发生学的角度看，量子力学的世界观未必那么荒唐。著名法裔瑞士儿童心理学家让·皮亚杰（Jean Piaget，1896—1980年）的研究表明，初生婴儿的世界是个自我中心化的世界，这个世界没有主体和客体的分别，儿童的“观察”就是世界的全部，母亲的乳头、乳香的气息、舒适的感觉，无区别的混合成一个统一的场景。这个世界是浑沌的，没有时间、空间、因果和规律。通过感觉和动作，儿童渐次建构起存在、时间、空间、因果等概念模式，建构起由低级而高级的同化外界刺激的认知“图式”，自我中心化才逐渐解除，主体和客体才区分开来。也就是说，人的“本真”世界本来就是主客不分、没有时空因果的世界，而成人那个主客分明，时空有序，因果相关的世界是在后天在感觉和运动中建构起来的，这个世界图式有利于人类适应复杂多变的自然环境而作为遗传基因传承下来。经典科学正是在人类自然建构的认识图式的基础上建立起来的，科学理论模式与生物认知图式具有严格的对称性。

个体的生物认知图式是与肉体感官对应的。然而“人类”却不是个体的简单集合，科学实验可以超越个体的感觉能力，当实验报告从自然感官不能触及的微观世界传来的时候，经典科学范式的危机就降临了——与认知图式对称的经典理论模型不具有“同化”微观信息的功能，理论必须做出“顺应”，建构更高级的模式来消化新世界的经验。实证主义最早发现科学危机的实质在于主客“二元对立”的本体观，而消解二元对立，将革命性地拓宽科学发展的前景。实证主义的预言被二十世纪的科学实践神奇般的验证，这是哲学史上罕有的奇迹！皮亚杰的儿童心理学证明，人的初始世界就是一个主客不分的一元世界的，二元世界是后发的和派生的，是建构出来的。这又让我想起与欧洲文明“轴心时代”几乎同时的中国思想家老子，在他看来世界的本原是“有物混成”，“道之为物，惟恍惟惚”，因此真正的大智慧是“复归婴儿”、“复归赤子”。也许老子的当时还属于人类文化的婴儿期，洞悉这个宇宙真谛的观念障碍更小。而我们量子革命的英雄们也正是以“婴儿”般的眼光探视物理世界，才惊世骇俗地创立出了全然违反“成人”常识的科学范式。也无怪乎波尔、薛定谔和海森堡等量子力学的创立者们都纷纷到东方哲学中寻求思想外援。

但我并不认为道家的法术、巫术、风水术和炼丹术等等与现代科学技术特别是量子力学等效或等价。婴儿不解除自我中心化就只能永远生活在襁褓中，同样人类如果将浑沌进行到底就只能永远处在婴儿期。道家的术概念含糊因而莫衷一是，非形式化因而不具普适性，没有严格的操作程序因而没有可重复性，更别说非定量化无法运算，总之不能提供可证实或伪的经验预言，因此只能成为个人牟利的独门暗术，不能成为造福人类的应用技术。量子力学之艰难正在于，不仅要对这个主客一体浑沌的微观世界做严密的数学建构，这个数学方程的运算结果还必须与观测的宏观效应“对应”，一个违反常识的科学范式还必须把符合常识的经典理论作为定理推演出来，把后者作为一种近似统摄在前者更深刻普遍的原理之下。

牛顿力学体系为18世纪以大机器使用为特征的第一次技术革命提供了理论工具，从法拉弟到麦克斯韦的电磁理论和克劳修斯等创立的热力学推动了19世纪以电力运用和内燃机使用为标志第二次技术革命。而量子力学和相对论共同构成的现代科学范式，更直接引发了人类的第三次技术革命，原子能利用、电子计算机、微电子技术、新材料技术、纳米技术、航天技术、分子生物学和遗传工程，魔力般地改变了人类的社会生活，其深度和广度，都是前两次技术革命远不能及的。以前的技术革命只是对人力的模仿和放大，就算是神奇的无线电通讯，也是以电磁波模拟声波；而量子力学以其理论之诡异，其物化出来的技术简直就是常识无法理解的神力。

上世纪七十年代末，我参观一个大学实验室里装满整整一个上百平方米大房间的电子计算机时，就感觉与我使用过的唯一一种计算工具——算盘相比，那就是神人之别了。现在时过三十年，那台庞然大物的计算机的运算速度，也许还不如现在一台比算盘大不了多少的手提电脑。电子电路，无非是电子的花样体操。以前庞大的电子管计算机，无论是整流作用的二级管，还是放大作用的三极管或多极管，都是用高电压把电子激发到宏观空间（真空管）里运行，那是挺麻烦的。我们知道，微观粒子按波函数规律运动，在宏观世界露一次面波函数就要塌缩一次。那也是没辄，不把电子打出来，我们不知道它们搞什么名堂。现在好了，有了量子力学，特别是泡利不相容原理，固体材料的原子核外电子如何运行我们了如指掌，无论多么复杂的动作无需塌缩成宏观效应我们都能计算出来，因此我们可以运筹在宏观的“帷幄”，决胜于微观的“千里”，一切电子动作都可以在一块半导体材料内部的微观层面中完成，一直到产生我们所需要的宏观功能（例如一个放大信号）时才波函数塌缩。不仅体积大大减小，耗能与以前比几乎可以忽略不计，运算速度还指数化的增长，可靠性也大提高。这就是晶体管的诞生。以后进一步发展，发现电子电路的各种元件——晶体管、电阻器、电容器也不必在宏观空间上分离，然后再用导线连接，可以把它们全部都集中到同一块固体材料上。这就是集成电路。1970年，1平方厘米的集成电路芯片的晶体管数量就达到几千个，到2010年，同样面积的芯片，晶体管数量更不可思议地达到几千万个，四十年增长了一万倍！根据“摩尔定律”，计算机的速度和内存每18个月就翻一番，同时，使用同一计算速度和内存的成本也指数式地下降。这就是我们的电脑每几年就变得落后，电子产品进入千家万户的原因。

挺神奇吧？更神奇的还在后头呢！1959年，费曼以原子为信息储存的基元来计算得出结论：理论上，全球所有图书的信息可以储存在只有肉眼能看到的最小的灰尘那么大的材料中。到了1980年代，他发现原先的预言还是太保守了，或者说思维方式太经典了。因为只考虑了宏观的四维时空，而量子时空是希尔伯特时空，是无限维的。换言之，原子、电子或光子在微观世界都是不是经典的一维确定态，而是多维的量子叠加态。因此一个粒子并不只能储存1位信息，而可能是多位的信息。于是他作了一个叫《下面还会有很多空间》的演讲，把这个问题留给了后人。看出问题了吗？我们前面谈计算机速度时，也都是在经典一维时间框架内的，时间通道只允许一个量子数学家玩命。而实际上，量子存在于“虚时间”中，纠缠态的量子可以进行“量子并列计算”，即多个数学家同时干活，而且不仅可以顺时间计算，还可以时间倒流地逆时间运算——虚时间可没有方向的规定。不说多的，两个量子态的计算量，就不是一个量子计算量乘2，随着时间的推移，计算量是指数化增长的。比如在1994年，被称为RSA129的129位数的分解，需要1000多台传统计算机做8个月，而理论上只需要一台与这1000台中的一台速度相当量子计算机，在不到10秒钟内就可以完成这个任务。现在已经有不少政府为量子计算机的研制提供资金支持。

量子力学神奇的力量，使科幻与现实的界限也变得模糊。一位美国IBM公司的科学家甚至在理论上论证了远程传输一盘土豆烧牛肉的可能性，并煞有介事的在1996年2月《科学美国人》杂志上做了广告：“站远点，我要给你远程传送一些菜炖牛肉！”其原理就是EPR实验的“幽灵般的超距作用”。基于这个原理，量子通讯术，量子密码术都在研究和实验，一旦成功，传统间谍片的情报窃取方式将成为历史。可能还会有更多的奇迹出现，正如费曼所说：“下面还会有很多空间”。而在费曼看来，奇迹实现的障碍主要在于“在解释观测和实验方面，有一些哲学成见困难”。

量子力学无疑是迄今为止人类所发明的技术应用性最强的科学，因为量子力学本身是科学史上最成功的理论。这一切得之不易。微观世界的探索者，误入了一个不可思议的鬼域，船沉了，车翻了，罗盘砸了，没有“不证自明”，没有“不言而喻”，没有现成的坐标，甚至没有要探索的那个世界——这个世界还有待物理学家自己去建造呢！科学跑得太快，于是失去了哲学指引，如霍金所说：“但哲学已死。哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐。在我们探索知识的旅程中，科学家已成高擎火炬者。”这是一个百花竞艳的花园，这是一个万刃争锋的战场，位高权重不是取胜的筹码，人微言轻又奈何他一鸣惊人？“暗淡了刀光剑影，远去了鼓角铮鸣，眼前飞扬着一个个鲜活的面容”。推举形像代言人，牛顿无愧地坐在经典物理的头把交椅，相对论毫无争议地贴上爱因斯坦的标签，可是量子力学，我们只能提交一份长长的前赴后继的英雄名单。然而，在这个英雄辈出的量子世纪里，中国人的声音在哪里？

清华大学1925年首届本科生王淦昌，大学毕业后于1930年考取公费留学研究生,赴德国柏林师从“德国的居里夫人”迈特纳，这年他仅23岁。刚到柏林第一年，他就跟随迈特纳参加了玻特关于α粒子轰击铍核实验的讨论会。复习第十五章，玻特的这个实验实际是发现了中子，但玻特却解释为γ射线。王淦昌当时就对γ射线具有实验产物那么高的能量产生怀疑，向导师迈特纳提出改用云雾室重复玻特实验。可惜建议没被采纳。两年后，迈特纳从《自然》杂志上看到查德威克中子发现的实验报告，发现整个实验程序与王淦昌的实验设计如出一辙，这才知道自己失去了一次创造历史的良机。有没有这种可能：如果迈特纳采纳了建议，1935年戴在查德威克头上的诺贝尔桂冠就戴在了中国人王淦昌的头上？1938年在抗日战争的烽火中临时在云南组建的“西南联大”，校舍是茅顶土墙泥地，名符其实的“破学校”，居然也产生了不少世界级的物理人才。1946年，战后已经成为“世界大国”的中国选派数、理、化各二名学者赴美国学习制造原子弹，其中一名物理代表是西南联大在校生20岁的李政道。到了美国后才知道人家不开放原子弹技术，国民政府将错就错地给了一笔基金让他留在那里攻读高等物理。早几年去美国留学的西南联大校友杨振宁为小学弟安排食宿，从此李杨兵合一处，渐入佳境。1957年二人因 “宇称不平衡”理论同时获得诺贝尔奖时，李31岁，杨34岁。而证实这个理论的实验，也是华裔女物理学家吴建雄做的。比李政道早一年赴英国留学的黄昆（也是西南联大的校友），被玻恩称为“我学生中最聪明的”，与波恩合作完成了世界一流的专业著作《晶格动力学理论》之后，于1951年回国，从此偃旗息鼓。“两个社会两重天”这种话过于刻薄，但“新中国”确实要为自己曾经的作为深刻反省！上世纪七十年代李政道回国，周恩来总理请他帮忙引进高端人才。李政道说：中国并不是没有人才，比如我那聪明盖世的老师束星北。此时，束星北正在青岛医学院洗厕所呐！

束星北，1928年在英国师从物理学家爱丁顿和达尔文，亲历了狄拉克方程的诞生，目睹达尔文第一个狄拉克方程严格解的推导。1930年在美国发表统一场论研究论文，对爱因斯坦的广义相对论的某些观点提出批评和修正，爱因斯坦就此写信回复。他的硕士论文也是关于狄拉克方程和广义相对论的，水准是世界级的。1930年代，专长理论物理的束星北和专长实验物理的王淦昌是中国最耀眼的“物理双星”。束星北很喜欢爱争论的西方导师，因为他本人就是一个好斗分子。在回国后讲学时他常常津津乐道爱丁顿喜欢吵架的“可爱性格”。1937年波尔访问中国，有时会为与中国年轻学者们特别是“束博士”争论问题而学术活动迟到。就是这个誉之为“中国的爱因斯坦”的束星北，最后竟然“死无葬身之地”（被两个学生草草地埋在双杠下）！有人可能会说我们已经告别了那个荒唐的年代。暂且不说束星北死于1983年（那已是一个高唱“尊重知识，尊重人才”的时代），就算活到现在，他又能见容于这个社会吗？最要命的是他那“不和谐”的性格：疾恶如仇，不讲情面，不顾大局，犀利刻薄，目无领导，不善于团结同志。例如，为了争实验设备，可以把教务处主任打得鼻青脸肿。这些臭毛病都是从小被西方教育和“旧社会”惯出来的。上世纪三十年代，二十啷当的束星北有幸得到蒋委员长召见却“面责”他的抗战政策，委员长不见得是个宽厚的人，但他的不满也只表示为“讷讷几句，拂袖而去”。三十年代后期任教浙江大学，经常当众数落校长的不是，校长 竺可桢总是报以不置可否的微笑。问题是，科学创造的命根是自由之精神，特立独行的行为方式往往是自由精神的副产品。一个能“惯臭毛病”的环境同样也能滋养自由精神，一个不容异类的社会只能是泯灭创造性的渊薮。

看一看量子物理的群星谱：普朗克保守，爱因斯坦偏执，波尔“圆滑”，海森堡任性，泡利目无尊长，狄拉克性格孤僻，薛定谔滥情，费曼早恋，盖尔曼小气，索恩看《阁楼》，霍金“嗜赌”……他们哪一个能选上中国的“道德模范”？就说成了美国佬的李政道和杨振宁吧。深圳电视台曾组织过一期讨论中国为何不能获诺奖的节目，有嘉宾说原因之一是中国的学者不能淡泊名利，参加讨论的何作庥院士当即反驳：李政道和杨振宁不但不淡泊名利，而且争名夺利，不照样拿了诺奖？（李杨二人为了文章署名的排序和诺奖领奖时出场的顺序闹得兄弟阋墙分道扬镳是圈内人所共知的）但节目播出时这段话被删掉了。

最近父母把我小时候幼儿园的家校联系单移交给我，方知“爱坐在地上玩”是我幼时的缺点之一。我们从小被要求，站有站相，坐有坐相，双手叠放在桌子上听课，牵着老师的衣襟出行，对客人报以模式化的微笑，回答标准的答案……老师和家长就是一张普洛克斯忒斯之床，高的斩短，矮的拉长，生产标准化的产品，就是我们的教育成就。可是孩子物们的童趣呢？他们该不该坐在地上玩，在泥水里滚，爬墙上树，抓蟋蟀掏鸟窝，听花开的声音，嗅风的味道，看星星眨眼，牵月亮走路？量子力学告诉我们，世界的本始是心物不分的混沌，孩子比大人更能体验这个真谛，但我们却过早地割断了大自然的脐带，从而忘记了存在之根。我一个朋友带着一对学龄前的孩子移民美国，回来说美国教育惊人的“低效率”。“APPLE”（苹果）一个词，他可以折腾一节课。让孩子削苹果，切苹果，甚至把榨汁机都搬到了课堂。本来嘛，每一个名词都闪烁着感性的光辉，每一个动词都牵动着运动神经，每一个数字都拎得出重量，每一个公式都耳语着一个自然的秘密。没有自然的营养，抽象的符号学再多也是不能充饥的画饼。

杨振宁上世纪末就说过，中国土生土长在本土出成果的科学家拿诺贝尔奖二十年足矣。我对此深表怀疑。现在中国的孩子确实“聪明”。我见过“国学班”里的一大群一两岁的孩子，依依呀呀地背“三字经”我都自愧不如甚至自认不能。教育从胎儿开始，各种各样的学前班，孩子打一出生就没让他消停过。上课满堂灌，放学奔赴补习班，现在的孩子真苦！各级“考试攻略”已经技术化到炉火纯青，李政道和杨振宁回来我敢肯定一准考不上大学。可是这些聪明的孩子普遍对大自然缺乏好奇心，没有窥视上帝秘密的冲动，小脑袋里没有“为什么”。上帝是公平的，大自然不会青睐不喜欢跟她玩的孩子。费曼曾在巴西做过一年客座教授，他惊讶地发现，巴西的孩子学物理的不少，起步比美国孩子早，也更用功，但整个巴西却没有几个像样的物理学家。究其因就在于，巴西的孩子不是为了了解而学习，乐趣就变成了刑罚，除了死记硬背什么也不懂。物理书不少，但都不是科学，不过是用一些文字说明另一些字的意思。为什么不去做实验呢？每一个实验都是一次“与大自然相遇的美妙经验”呀！费曼如是说。不知让费曼来教中国的孩子他会做何感想？老师和家长可以给小脑袋不断地填知识，但“与大自然相遇的美妙经验” 是填不进的。打一出生开始，就用书本砌起隔离自然的高墙，对大自然和现实生活的冷漠感，驱使大批孩子涌进网吧，投入虚幻世界。现在的父母们都在高呼着“不让孩子输在起跑线上”的口号冲锋陷阵，但如果一个国家的起跑线画歪了方向，毁掉的将是一个民族！

改革开放三十年，中国的经济迅速腾飞，目前已经是世界第二大经济体。改革开放之初就提出“尊重知识，尊重人才”的口号，整整一代人了，中国产生了能跻身世界一流的物理人才了吗？2006年，世界超弦理论年会在北京召开，威滕、格罗斯、丘成桐和霍金等科学大师出席。报告者最深刻的印象是前所未见的听众数量。中国科学家没有拿得出手的成果，大师身边没有当年束博士一类争论不休的年轻人。早些年还每年痛苦地讨论“中国人为什么得不了诺贝尔奖”的问题，随着中国国力的强盛，某些中国科学家的“民族自信心”也跟着噌噌地成长。2011年曾在国际上被人预言为发现希格斯玻色子的“上帝粒子年”，眼见年底将至，仍无确切的消息，于是有专家以希格斯玻色子不存在为预设，历数瑞典诺委会“发错奖”的劣迹，结论是这个屡屡出错的奖项，根本不值得中国科学家羡慕和追求。哈哈！只要葡萄是酸的，狐狸就不会有痛苦感。然而是非专业人员也就罢了，作为一个科学家，这是句人话吗？翻开一部量子力学史，从普朗克、爱因斯坦和康普顿等开始，诺贝尔奖伴记载下量子理论和实验的每一个前进的步伐，这种百年不渝地对科学进步的贴心关怀，是几个“错奖”能抹杀掉的吗？为满足一个卑微的自尊心而否定掉一个如此巨大的价值，成本是否也太高了一点？

2011年2月，每年例行的“两会”召开前，我收到一份征集签名的《敦请两会建议中央“恢复中华科学，粉碎民族科学虚无主义”呼吁书》，我当即回复：“不赞同！我怎么闻到了纳粹‘德意志科学’和斯大林‘无产阶级科学’的味道？”“民族科学”这个概念本身就是不科学或反科学的。我们可以说“民族艺术”，而且有“艺术越是民族的就越是世界的”之说。艺术追求的是异质化和陌生性，科学却追求同质性和形式化，一定是人类科学共同体的事业。爱因斯坦早就说过：“科学无国界，科学家有祖国”。民族的荣耀是创造力融入世界科学体系，而不是关起门来造本民族的独门暗器。1930年代纳粹鼓吹“德意志科学”，不到十年功夫就把德意志民族百年努力取得的科学的世界领先地位拱手让人。现在我们已经被科学共同体边缘化的科学界，难道下定决心破罐破摔地自绝于世界自绝于人类？我马上被教导“知识貌似需要一点更新了”，又收到一篇关于中国反击民族科学虚无主义的“科学大战”的文章。原来这股所谓“民族科学虚无主义”的“逆流”，发端于杨振宁先生在北京《2004文化高峰论坛》的一个讲话。在这个讲话中，杨先生说易经思维是中国不能产生现代科学的罪魁祸首，这种思维的一个重要特点是只有归纳法而无推演法。于是我们科学的民族英雄奋起抗战，高举义旗抨击这位诺奖得主“犯常识错误”，“说外行话”。说易经思维不仅有归纳法，而且有推演法，比如“举一反三”。可是仔细一看，所有的论据都是些直观的类比和联想之类的东西，与科学方法没有一毛钱的关系。在我看来，由于概念的随意性，没有刚性的逻辑约束，不仅没有推演法，连归纳法也谈不上——杨先生已经是嘴下留情了。于是这场“科学大战”，又重复了百多年前义和团巫术加长茅大刀抗击船坚炮利的场景。

道家世界观的特点是混沌，混沌是没有时间性的，没有时间坐标就没有进步。俗话说：老中医，嫩裁缝。中医靠的是个体经验和悟性，今天刚入行的一个新中医与千百年前的一个新中医的起点是一样的，他们进步的长度以一个人的生命为限，因此今天中医所能达到的深度和广度与千百年前无异。因此道家思想的一些天才火花，反倒只能被具有高度形式化思维的西方人所利用。电子计算机所使用的二进位制逻辑，就是17世纪德国哲学家和数学家莱布尼茨受易经的启示而总结出来的。这也怪这些西方人没有什么“民族自尊心”，不像咱们中国人，近代以来对西方的好东西总是又爱又怕，唯恐用之则失去自我，因此总是以我们的民族智慧，用“国情”和“特色”去拒斥和矫造。发明了超弦理论的卡—丘流形的华裔数学家丘成桐近年受国内邀请担任中国大学的教授和学术团体领导，在传授数学专业的同时不时抨击中国的大学制度。在他看来，中国大学的硬件已经好过了哈佛大学，主要问题是人才和制度。以学术自由、大学自治和教授治校为理念的现代大学制度二百年，在世界各国屡试不爽，甚至包括北洋军阀的中国和国民党的中国，在我们这个“人民当家作主”的国家倒成了不适合国情！我们的学者居然还会大脑灌水似地“建议中央”来干预科学事业（斯塔克再世？）！我就奇了怪了，封建国王能做的好事，我们“人民”做起来咋就这么难？军阀都可以对大学和教授放心，“人民”倒放心不下？办成了官场和商场的大学只能与世界科学主流渐行渐远，发展民族特色的奇技淫巧，也不失为一种自欺欺人的心理平衡术。

然而“沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春”，人类科学依然按照自己固有的逻辑，为内禀的动力学结构所推动，不可遏止的向前发展。美国科学哲学家库恩认为，科学是以范式革命和范式整固交替的形式发展的。经典物理的范式于17世纪在革命中崛起，过了二百年安定团结和谐稳定的范式完善和整固的好日子，到十九世纪末才发生危机。现在以相对论和量子物理为标志的现代科学革命已经百年，“后现代科学革命”的窗口是否已经打开？统一科学版图的“万物之理”必须整合相对论和量子力学，二者深刻的内在矛盾大家就不能视而不见：前者是连续平滑的，后者是间断分立的；前者是严格决定的，后者是随机偶然的——等效性原理，还是不确定性原理，这是一个问题！历史似乎把物理学再一次逼到了绝境。似乎每诞生一个新的原理，都要毁掉一个旧的原理，同时又产生一个新的问题。2011年12月，发现希格斯玻色子的“上帝粒子年”预言眼见落空，在这个月的第二个星期，欧洲核子研究中心突然宣布：大型强子对撞机LHC捕捉到首个希格斯玻色子存在的信号。其实希格斯玻色子不管发现不发现，物理学都没有好日子过：不发现，粒子物理的标准模型从基础上松动，发现了，历史的经验告诉我们，任何一项重大的科学发现都不是缩小而是扩大人类的未知范围，因为刘姥姥又闯进了一个新的大观园。乌云卷积着雷电，我们似乎又闻到了革命的味道！

范式是信念先于认识，革命是勇气优于知识。科学范式革命时期是少年英雄驰骋疆场的好时代。对旧范式的坚定信念，是范式完善的轫性；而对范式革命来说，就往往是一种羁绊。因此年青就有先天优势，胆大妄为，无拘无束。我们常以中国孩子基础扎实为自豪。但基础知识，“有妈的孩子是个宝，没妈的孩子像根草”。这个“妈”，就是科学家最该亲近的自然。一颗无羁的心灵接受到自然电石火光式的神启，五分的知识可以用到十分。而对一颗木讷的心灵，学富五车不过增加前行的负担。如果再一次科学革命来临，我们的这种大学制度和教育模式下，能指望产生我们的19岁的朗道，21岁的费曼，22岁的约尔当，24岁的海森堡，25岁的泡利、费米和钱德拉， 26岁的爱因斯坦、狄拉克和奥本、28岁的波尔和霍金吗？科学在新世纪里必将波澜壮阔依旧，不知有无中国科学人冲浪的身影？自然的海滩上洒落着色彩斑斓的贝壳，不知有无中国孩子拾贝的雀跃？科学的奇峰上珠光闪烁，中国孩子能否拥抱她的笑容？谁能点燃他们的热情，谁能舒展他们的面容，谁能给他们属于自己的梦？

20111219

（全书完）

宇宙的精灵 #b22.1

补丁 22.1

2011——“上帝粒子年”？

无功

据英国《每日邮报》12月8日报道，欧洲核子研究中心（CERN）表示，对被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的搜寻行动取得重大突破，大型强子对撞机（LHC）或已捕捉到了首个希格斯玻色子的信号。

说起“质量”，朋友们也许会认为就是通常说的“重量”。其实质量是重量之源，但还不等于重量，否则只要登上月球，每个人都可以成功减肥到原体重的1/6。准确地说，重量是一定质量的物体在特定引力场（比如地球）中所产生的重力效应。不过在同一引力场中，不太准确地替换使用质量与重量这两个概念也未尝不可，反正在地球上你比我重一倍，咱俩一块登上月球你还是比我重一倍。

如果有爱刨根问底的孩子再追问一句：质量是重量之源，什么是质量之源呢？这就有点尴尬。在牛顿的质点动力学中，物体被视为没有大小的“质点”，它们的唯一属性就是质量，物体就是质量，质量就是物体，还能问什么质量之源？幼稚！可是科学就是在“幼稚”地追问中发展的，到上个世纪的六十年代，质量之源还真成了一个重大的物理学问题。

1900年，德国物理学家普朗克提出“量子”概念，量子物理由此诞生，到1920年代末，公理化的量子力学运动方程建构完成，物理学家就有了认识微观世界的理论武器。1930年代起，物理学中一门专门研究亚原子粒子的学科——粒子物理学诞生。约二千七百年前，古希腊哲学家和科学家德漠克利特就提出：大千世界，无非原子、虚空二物，原子构成了所有的有形物体，而虚空提供了物体的运动和变化的场所。粒子物理学就是要实现自德漠克利特以来人类刨根问底地了解世界的夙愿。

现在物理学家发现，物体确实是由原子构成的，但原子还不是终极之物。原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，而原子核又由核子、即带正电的质子和不带电的中子构成。这还没完，1960年代，美国物理学家盖尔曼等发现，质子和中子还由更小的粒子——红、绿、兰三种“夸克”组成。夸克和电子，此类可以组成复合物（如核子或原子），又不由更小的粒子组成的粒子，就叫“基本粒子”。另外，在质子变成中子或中子变成质子的核子衰变中所产生的电子（与组成原子的电子同类，只是能量更大）和中微子，也属于基本粒子。这些基本粒子统称为“费米子”，这是由于这类粒子符合以意大利物理学家费米的名字命名的费米统计规律而得名的。费米子的特性是服从“泡利不相容原理”，简单地说就是，费米子是相互排斥的，两个费米子不能占据同一个空间。中世纪经院哲学不是有个论题叫“一个针尖上能站几个天使”吗？现在有答案了：如果天使是由费米子组成的，那一个针尖上就只能站一个天使。

物体搞清楚了，接下来就要研究物体间的相互作用。经典物理发现的作用力有两种——引力和电磁力。由于亚原子层次引力作用微乎其微，因此粒子物理学不研究引力。电磁现象大家都很熟悉——电动机、电灯、电话、无线电，光照也是一种电磁波，也属于电磁现象，但还不仅于此，比如你推一部小车，使它从静止状态变为运动状态，就可以理解为你手掌原子的核外电子与小车原子的核外电子的排斥作用。大家知道，电磁作用的原理是“同性相斥，异性相吸”，我要告诉大家的是这种作用并不是在构成物体的费米子之间直接进行的，而是通过传递光子进行的。相互作用的两个费米子就好比两个坐在轮椅上的篮球运动员，同性相斥的情况下它们互相传递一个光子篮球，反冲力使它俩互相远离；异性相吸的情况下它俩互相拽这个篮球，拉力使它们互相趋近。光子就是传递电磁相互作用信息的“信使粒子”。在粒子物理学中，光子也是一种不被其他粒子复合的基本粒子。怎么听起来怪怪的？光子不就是光线吗？整日那么多光子打在我的脸上怎么就不觉得疼呢？对，这是一种与构成你的费米子不同的粒子叫“玻色子”，因为符合以印度物理学家玻色命名的玻色统计规律而得名。玻色子的特点是不遵从不相容原理，就是说玻色子不像费米子那么小气，它们占据的空间其他粒子还可以来占据。如果天使是由玻色子构成的，则一个针尖上可以站无数个天使。充满玻色子的空间由于玻色子的“虚怀若谷”，也可以像德漠克利特那样称之为“虚空”。光子不仅要传递作用量大小的信息，还要传递“规范”信息（该远离还是趋近？），所以光子这个信使粒子也叫“规范玻色子”。

好，我们现在回到原子内部。在这里，除了正电粒子和负电粒子之间的电磁作用外，还有另外两种相互作用力。一种是管核子衰变的“弱相互作用力”，使质子变为中子或使中子变为质子。另一种是“强相互作用力”，管把夸克吸引在一起组成核子和把核子吸引在一起组成原子核。举一反三，弱力作用和强力作用也是通过传递规范玻色子实现的。现在质量问题出来了！

光子是一种没有静止质量，能量也很小的粒子，其传递的电磁作用力是一种“长程力”，这很合理。但弱力和强力都必须是一种“短程力”，就是说只能在短时间小范围（“双规”）内进行。传递弱力的玻色子必须寿命很短，短到核子还没有作出反应信使粒子就“湮灭”了，保证核子只有很小的概率发生衰变。否则不说别的，我们体内的核子时时刻刻发生衰变咱们就受不了，因为核子衰变会产生一种高能电子——贝塔射线，这种射线对人体有极大的杀伤力，居里夫人的早逝贝塔射线就是主要杀手。强力作用的范围也只能在原子核大小的极小的范围内进行，否则强大的吸引力把核外电子吸引到原子核造成“原子坍缩”，整个世界也就跟着灰飞烟灭！而能对弱力和强力实行“双规”的唯一办法是使传递这二种力的玻色子带有光子所没有的质量，而且还是很大的质量。然而物理学家在建立弱力和强力的数学模型时却发现：弱力玻色子和强力玻色子都必须是像光子一样的无质量的粒子才能成立，而这又与实验结果明显不符。现在手心是理论，手背是实验，如何取舍？唉，两难呐！

为什么理论上非得无质量呢？这跟“对称性”的概念有关。对称性是客观存在的一种普遍现象。自然界中对称产生美，比如人体就是左右对称的，看你一个侧面就可以画出你的整体画像，不对称就被叫做“歪瓜裂枣”。社会中对称产生和谐，比如上学读书，作为“同学”全班人具有对称性，你说“我爸是李刚”，他说“我爸是盖茨”，这个班集体就不会是和谐的。科学中对称产生规律，英国物理学家麦克斯韦在对称性的基础上建构出电磁统一动力方程，预言了电磁现象，才有了欧洲以电力使用为特征的第二次工业革命，否则我现在只能点着油灯用毛笔来写这篇文章，派快马送到北京。同样，信使粒子如果不具有无质量的对称性，我们就无法建构各种作用力的规律，也就无法利用这些规律来为人类的目的服务。

有没有可能理论上信使粒子无质量是对的，实验观测到的信使粒子有质量也是对的？嘿，这是强词夺理嘛！别急，还是有道理讲的。你们全班同学具有对称性不假，但大家总要毕业进入社会，从事不同的行业，成就、财富都会有差别甚至是巨大的差别，所以说同学这种对称性是必然会被打破的，物理学上这叫“对称性自发破缺”。人是进步的，生物是进化的，信使粒子就一定有一成不变的“先天本质”？ 宇宙大爆炸之初，世界多简单呐，只有离散的电子、光子、中微子、质子和中子，传递作用信息任务很简单，三种作用力还无明确分工。以后宇宙冷却，才形成了核子，之后原子、分子，作用力才有了分工。就像以前业务简单时，就一个邮电局，以后量大了，就分出了邮政局和电信局，再复杂一点电信中还分出了移动。对，现在看似不同的信使粒子原本都在同一个邮电局，具有精确的对称性，以后邮电局拆分了，才分配到了不同的单位，对称性才发生了自发破缺。

现在的关键是，建立一个基本粒子的“对称性自发破缺机制”。本文的主角闪亮登场。1964年，35岁的英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）在欧洲核子研究中心的《物理快报》（Physics Letters）上发表了《破坏了的对称性、无质量的粒子和规范场》等两篇论文，提出了 “希格斯机制”， 并预言了这种机制的一个产物——“希格斯玻色子”。根据希格斯的假设，空间弥漫着一个希格斯场，希格斯粒子是这个场的量子化激发态。在早期宇宙中，希格斯场是各向同性的，这也是标准模型中的规范玻色子严格对称的注脚。但是大爆炸之后，由于不确定性微扰，这种对称性很快地就自发破缺掉了，在时空上分化出了四个极化分量——两个带电的两个中性的。前三个分量与基本粒子发生耦合，使基本粒子获得质量和不同的电性，剩下一个电中性的分量就是希格斯玻色子。

1967年，美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆用希格斯的对称性自发破缺机制成功地构造了一个电磁力与弱力统一的理论，这个理论被命名为“温伯格—萨拉姆模型”，在这个模型中，电弱玻色子场与希格斯场耦合，“吃掉”两个带电的分量和一个中性的分量，从而获得质量（约比质子质量大80~90倍），形成三种分别带正电、负电和中性的玻色子，命名为W+、W－和Z0玻色子，而不与希格拉场发生耦合的玻色子依然没有质量，这就是光子。所以三个弱力玻色子和光子本来都是一个班的同学，进入希格斯场这个社会后，由于融入（耦合）与不融入的区别，W和Z粒子为质量所累而步履蹒跚，在“双规”下传递短程的弱力作用，光子出污泥而不染保持无质量本色而秒行三十万里，传递长程的电磁作用，对称性就是这样自发破缺了。

电弱统一理论被视作与麦克斯韦统一电磁场理论同样科学奇迹，瑞典皇家科学院一激动就把1979年的诺贝尔物理学奖以“对基本粒子弱相互作用理论的贡献”的名义授予了格拉肖（电弱统一模型的最早提出者）、温伯格和萨拉姆。一向处事谨慎的诺奖委员会这次可是冒了个天大的风险——“温伯格—萨拉姆模型”预言的W和Z粒子还没有被实验证实呢！1983年，位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），在意大利物理学家鲁比亚领导下的100多位世界各国科学家协作，通过质子—反质子对撞机发现了这三种玻色子，诺委会的委员们这才如释负重，长吁了一口气。下一年，就神速地把1984年的诺贝尔物理学奖授予了鲁比亚，这大概也包括了感谢他对诺委会的救赎。

其实何止规范玻色子需要对称性破缺机制？宇宙大爆炸之初，世界就是一混沌的能量团，也需要一个对称性的破缺机制，分化成质量和电性各异的费米子，以构建千姿百态的宇宙万物。有希格斯机制为后盾，物理学家就有信心像化学元素表一样建立一个逻辑严整的基本粒子表，这就是“粒子物理的标准模型”。在这个模型中，包括三代夸克和三代轻子（电子及其中微子），以及它们的反粒子，总共48种费米子；此外还有三类信使粒子：传递电磁力的光子、传递弱力的W±和Z0粒子和传递强力的八种胶子，总共12种规范玻色子。合起来总共60个基本粒子，据此我们就可以解释天上地下，一切物质和一切运动。如果说宇宙是一座大厦，费米子就是砖块，玻色子就是混凝土。这是一个很漂亮的模型，具有优美的逻辑流形和完美的对称性。神奇的是，这个模型逻辑需要的所有粒子，全部都被观测验证，具有扎实的经验基础。从粒子加速器被发明以来，半个多世纪物理共同体积累下来数以万亿计的实验事例，居然全部符合标准模型，无一例实验反常！粒子物理的标准模型不愧是二十世纪物理学天空最耀眼的一颗明星！

且慢！我们说标准模型具有优美的对称性是排除了质量考虑的。考虑这一因素，似乎就不太雅观。同样是夸克，最大的和最小的居然有70000倍之差，同样是玻色子，光子0质量而弱力玻色子是比质子都要大近百倍的巨无霸，把姚明们和侏儒们参差地排成一个队列，能好看吗？为什么可以忽略质量呢？那不是还有希格斯嘛，希格斯机制把质量形成的秘密说出来，这一切就会变得无比优美。这就是标准模型的第61个基本粒子——希格斯玻色子。物理学家已经见到的那60个基本粒子可不能与这一个等量齐观，这一个希格斯玻色子可是全部标准模型大厦的基石，没有她，整个大厦就会轰然倒塌。可是，恰恰是这个最重要的希格斯正色子，是标准模型里唯一一个没被观测证实的基本粒子！该死的！

因此希格斯玻色子令人又爱又恨。爱的是她把握着一个宇宙的终极秘密，这可是无价的精神财富呐！恨的是她老那么遮遮掩掩，像一个绝色美女，只向你抛媚眼却不让人你亲热。1988年的诺奖得主美国物理学家莱德曼将她称为“一个无处不在的幽灵一样的大坏蛋”。为了寻找她必须建造巨无霸式的粒子对撞机，那巨额的投资连美国财政部长的手都要打哆嗦。因此只好各发达国家凑份子建造，多国科学家合作攻关。莱德曼（Leon Lederman）写过一本介绍希格斯机制的书，书名叫做《该死的粒子（goddamn particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。编辑觉得“goddamn”这种骂人的话出现在书名上也太有失斯文，不同意使用。莱德曼一气之下就把这个词的后四个字母划掉变成了“God”，于是出版时变成了《上帝粒子（God particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。歪打正着，“上帝粒子”这个名词倒很传神——希格斯玻色子既不做宇宙大厦的砖块，也不做混凝土，但她管这些建筑材料的成型，是这座大厦的总设计师和总工程师。她挥动着上帝之手，指挥着宇宙威武雄壮的交响曲！

希格斯玻色子很迷人，但并非所有的物理学家都青睐她，宇宙学大师霍金就不看好，并且公开发表他的反对意见。在2002年9月的一次晚宴上，谈及霍金希格斯不无怨气地对一位记者说：“霍金由于其特殊的名望获得了本不该有的、顺手拈来的权威性，同时他与其他领域的理论家们交流起来很困难。”这事被媒体大肆炒作，希格斯未免尴尬，忙给霍金去信说明自己的本意。霍金表示对此并不介意。

霍金的不介意还有另一层意思，就是他不会因为希格斯的态度而改变观点。CERN于2008年9月启动的大型强子对撞机（LHC），其首要任务就是找寻希格斯粒子。世界科学家都为此激动不已。这一年已经79岁希格斯说，如果发现了希格斯玻色子，他将打开一瓶香槟，还说希望能用这一好消息来庆祝自己的80大寿。霍金在物理圈“嗜赌成性”是出了名的，在接受BBC电台采访时说他已出资100美元赌LHC不会发现希格斯玻色子。但是大师级人物改行做预测往往败绩居多，如前球王贝利，霍金在以往的物理打赌中似乎全无胜绩。

2011年，LHC追寻上帝粒子之旅进入第三个年头，有乐观者预言这一年将会有胜利的结果，这可是物理学史上里程碑式的大事件，因此2011年将会成为物理学的“上帝粒子年”！时间进入12月，眼见这个预言就要落空，近日欧洲核子研究中心（CERN）突然宣布：搜寻行动取得重大突破，大型强子对撞机（LHC）或已捕捉到了首个希格斯玻色子的信号。可是科学法庭跟社会法庭一样，判决要有完整的证据链，孤证不能成立。这个“信号”能否成为希格斯玻色子的出生证，还有赖于今后的重复实验和对比实验的反复证实，以及物理共同体对实验证据的理论研判和公认。于是时间在这里倒流，2011年是不是“上帝粒子年”，由今后的时间决定。我现在最头疼的问题是：已经准备的一瓶庆祝上帝粒子诞生的茅台，现在该不该喝？朋友们，给个意见吧！

20111212

宇宙的精灵 #22.6

六

啊，伟大的二十世纪！量子假设的晨钟，唤醒了在现代物理的黎明；当时间的老人即将敲响世纪的暮鼓时，M理论来了。科学家们欣喜地看到一个万物之理的雏形，二十世纪的晚霞，也许就是物理学胜利终结的庆典！这是二十世纪物理学家的骄傲。十九世纪物理学家留给二十世纪的遗产是“两条乌云”，而我们将在二十世纪的西天，降下一轮俊朗的夕阳。咦，难道是幻觉？跨越世纪门槛的物理学家，现在从天空上看到的，也是“两朵乌云”——暗物质和暗能量！

从上世纪中期开始，天文观测就发现了暗物质的迹象，从恒星轨道推算出来的星系总质量和实际观测到的星系的所有恒星、气体和尘埃的总质量不符。天文学家观测了100多个星系，观测值与推算值都不一致，而且还不是小的不符，而是相差了10倍！到了上世纪的70年代，科学界就普遍认同了暗物质的假设，即认为还存在着既不发光也不反射光的暗物质。可是宇宙并没有就此让科学家消停。1998年，美国物理学皮尔姆特（Saul Perlmutter）和澳大利亚物理学家施密特（Brian Schmidt）领导的两个小组分别观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。 换句话说，宇宙是在加速膨胀！但是按照广义相对论方程，137年前大爆炸驱动的宇宙膨胀，按可见物质加上假设的暗物质算，其膨胀速度都应该是减速的！因此只能再假设一种观测不到的暗能量，只有这种能量的内禀斥力大于宇宙质量的内禀引力，才能合理地解释一个加速膨胀的宇宙。现在科学家给我们提供的宇宙模型是：可见物质——4%，暗物质——22%，暗能量——74%。

天呐！还谈什么万物之理？就算都说清楚喽也只是这个宇宙的百分之四，而对这占了宇宙绝大部分的的暗物质和暗能量，尤其是后者，号称万物之理的超弦理论居然不能作出预言，哪怕是一点点暗示。这不就像上个世纪六、七十年代，一个占世界人口三分之一的民族，正走向“国民经济崩溃的边缘”，却在作“解放世界上三分之二受苦人”的梦？

相比之下广义相对论倒有可炫耀之处。它没有预言大爆炸，但它的运动方程逻辑上包含了动态宇宙的模型。爱因斯坦说他的宇宙常数是一生中犯下的最大错误，现在看来还未必是什么错误，我们现在不还是需要一种抗衡宇宙收缩的力量吗？只不过这个力量在爱因斯坦那里叫宇宙常数，现在叫暗能量而已。当然不能说广义相对论逻辑地与新的观测发现相协调。爱因斯坦的宇宙常数是“手动的”，并不能从基本方程逻辑地导出。他当初的设想是，真空能量并不一定严格为0，哪怕有那么一丁点，整个宇宙的真空能量也是不可忽略的，这就是宇宙常数表征的对象。有趣的是，宇宙常数可以是正的，这是一种膨胀的力量；还可以是负的，则是一种收缩的力量。为了平衡宇宙质量的引力收缩，爱因斯坦手动地外加了一个正值的宇宙常数。当人们找到了“大爆炸”这种膨胀力量时，这个常数就变得没有意义了。

真空能量不是量子力学的一个逻辑推论吗？你就甭提这事儿了，直到现在我还不好意思说呢——这是科学史上的一项最糟糕的预言！用不确定性原理计算，正值的宇宙常数是观测值的10^120（1后面加120个0）倍！1998年前的弦论科学家也有探索过弦论中的宇宙常数的，但似乎都在建构负常数模型。这是削理论之足去适应经验之履。削完之后才发现，经验竟然不是小鞋而是大鞋！那就再想办法把脚拉长。于是又开始了包含正宇宙常数的超弦模型的尝试。挺狼狈的哈？是的，宇宙暗能量绝对是现代科学范式的一场真正的危机！

超弦理论就这样寿终正寝了？人类的统一梦就这样彻底破灭了？我们刚开始谈超弦理论时，科学的天空还日朗云白，现在似曾相识地也飘来了“两条乌云”。然而超弦理论与相对论和量子力学究竟同属“现代科学”呢？还是革命的“后现代科学”？对此我也说不好，新的实验反常或危言耸听之“科学危机”，对超弦理论是好事还是坏事？我们现在似乎又回到了这个量子之旅的起点，又一次陷入迷茫困惑的浓云迷雾——物理学大厦是在做最后的装饰呢？还是再一次从基础起的重建？人类能否最终得到一个统一理论，得到一个万物之理？M理论并没有给出一个明确的答案。也许物理学家最终能建构出一个独一无二无所不包的M理论，或许M理论不过是又一个“哥本哈根诠释”，告诉我们这个世界有许多的等价解。但这种等价解肯定不像80年前那么轻松——波动和粒子的双重解，有可能是，10^100或者10^1000个等价解！

说超弦理论寿终正寝可能为时尚早，第二超弦革命诞生的M理论又为弦论研究纲领开拓了开阔的前景。这个世界不仅有弦，还有膜。什么“P膜理论”，“D膜理论”的研究又给科学家们带来新的振奋人心的消息。难道从超弦理论中又会嬗变出超膜理论？如果这样又会给我们带来什么样的理论前景？

不过我是解脱了。诸位交我的团费买的是二十世纪物理学浏览，而超弦理论是二十一世纪物理学偶然落在二十世纪的碎片，我这个蹩脚导游已经为大家提供了超值服务。这是新世纪物理学的序言，光辉的新篇章由新一代人书写，谋篇布局，遣词造句，作者也许有你？我能预言的只有：人类永远有梦，科学家永远有迷，因此一定会有新的荒唐、新的疯狂、新的石破天惊、新的惊世骇俗、新的异彩纷呈和新的波澜壮阔！

（第二十二章完）

宇宙的精灵 #22.5

五

所谓T对偶，指的是目标空间的对偶性（Target-space duality）。这种对偶讲的是大尺度空间与小尺度空间互换中的不变性。

我们想像一个紧致的空间维卷曲成一个半径为R的圆环（这个环在时间中就延伸为管），之前我们都是把弦当作是在这个空间里的一个振动模式，能量与这个振动的波长相关，波长越长，能量越小，波长越短，能量越大。能量跟空间环（管）的半径有关吗？当然有关。半径缩小，意味着弦的位置的不确定性减小，则动量的不确定性变大，我们测得的能量也就变大，反之则变小。我们把这个振动模式想像为图22.10的样子，波谷连线构成的一个圆就是空间环。空间环半径减小，意味着圆周缩短，这个振动要维持振动次数（频率）不变，就只能缩小波长，而短波长对应着大能量，这点你懂的。相反半径加大，波长变长，能量也就变小。因此振动模式的能量与空间半径成反比关系。在这里，弦量子与点量子没什么区别，我们只考虑了弦的类点性质。

图22.10 超弦的振动模式和缠绕模式

如果没有弦，或者只有开弦（有两个端点的线段），对超弦的能量方式的考察就到此为止。但存在着闭弦（没有端点的环），就还有另一种方式：缠绕方式，即弦缠绕在空间管上运动。弦的能量与弦的长度正相关（弦越长能储存的能量就越大），所以缠绕的圈数越多，能量就越大。跟管径半径的关系呢？大家自然会想到，当然也是正相关，半径越大，周长越长，能量当然就越大了。我们把这根闭弦想像为与图22.10中间的那个空间环重合的一根橡皮筋，周长越长，橡皮筋就拉得越长，张力就越大，等价于能量越大。

于是弦就有了两种能量方式——振动能的缠绕能。在绝大部分的情况下，二者成反比关系，对同一根弦，测得的振动能越大，缠绕能就越小，反之亦然。假设空间环的半径R＝1（1个普朗克长度），用两种方式来测量超弦的能量，得到振动能＝缠绕能。广义相对论告诉我们，时空是动态的。如果半径变化了呢？比如R＝2，会发生什么情形？圆周长＝2πR，圆周比原先长了，自然，振动能变小，缠绕能变大——缠绕能＞振动能。假设这时的缠绕能为X。

好，现在我告诉你超弦的能量为X，你能反推出空间的半径是多大吗？如果你回答说是2，你就上当了。我会告诉你是1/2，因为这个X的能量是我从半径为1/2的空间测到的振动能。当然你也不是那么好欺负，你会争辩说：“那我也没有错呀，从半径2测到的缠绕能确实也是X呀！”

于是我们的结论就出来了，在通过两种能量模式的替换操作，大空间与小空间（在上面的例子中是半径2和1/2）具有对偶性，即物理性质是等价的。当我告诉你一个能量，但不告诉你测量方式（振动或缠绕）时，你是不知道空间的大小的。换个说法，如果在A空间不方便用一种方式（如缠绕）测量能量时，我们就可以在另一个半径为A空间半径的倒数的空间里用另一种方式（如振动）测量能量，物理结果是决无二致的。咱们走走极端。时空维度原先都是卷曲在普朗克时空中的，大爆炸使其中四维舒展到了半径137亿光年，构成了可见的大宇宙，根据T对偶，这个大宇宙将与一个半径为10^－61普朗克长度的小宇宙对偶。当你告诉我光子的一个极小能量时，如果我理解为缠绕能，我会断定这是来自半径只有10^－61普朗克长度的小宇宙的报告。

这种疯狂的解释可能会越解释越糊涂，不是说普朗克长度是极小的底线吗，怎么会有比这个长度小61个数量级的世界？也许再疯狂一点才能明白。如果真的存在这样的世界，我们在这个人存的宇宙中测量到的振动能将随着半径的缩小放大到无以伦比的程度，于是测量振动能将变成一样很困难乃至不可能的事。根据科学的经济原则，“小宇宙的”科学家肯定是采用更方便的缠绕能方式测量能量，而缠绕空间的半径与振动空间的半径是互为倒数的，而1/10^－61普朗克长度正好等于137亿光年！因此在那个世界里空间依然是宏大的，普朗克长度同样不可突破。而我们报告振动能数据只能来自半径为10^－61普朗克长度的虚似宇宙。这也是普朗克长度不可突破的一个逻辑证明。联想到量子宇宙学关于宇宙命运的探索，T对偶是否暗示了：当我们这个振动模式的宇宙最终走到大挤压时，一个缠绕能的宇宙将对偶地开始爆炸、膨胀？

T对偶实际上在第一次超弦革命爆发时的1984年已经由两位日本物理学家发现了，但不知有什么用，超弦革命的热情也淹没了大家对其他新鲜事物的好奇。现在威滕发现，ⅡA型超弦理论和ⅡB型超弦理论，杂化SO（32）理论和杂化E（8）×E（8）超弦理论，这两个对子，就像两幅对仗工整的对联，彼此间都可以用自己半径R的宇宙模型去描述对方半径1/R的宇宙模型，因此这四个超弦理论实际是两种。加上S对偶实现的Ⅰ型理论与杂化SO（32）理论的统一，五种超弦理论就合并为仅仅两种。而最终合并为唯一的一种，似乎也没有原则上的障碍。

在95弦论会议上，威滕还公布了一个爆炸性的发现，当时与会者的嘴巴都张成了O型。他说，当ⅡA型超弦理论的耦合常数逐渐增大，理论就自动生成一个额外的蜷曲维度——第十一维，而这个新维度的物理意义，正是踏破铁鞋无觅处的“超引力”！

我们知道，爱因斯坦的后半身就是栽在了引力的手上。费曼在完成了QED的建构后，也曾投身量子引力论事业。1962年他在华沙参加了一个引力会议，会议期间他获得了顿悟，没等散会就得妻子写了封信，交待到：“记得提醒我，以后不要参加任何引力会议！”用QED的方法之所以不能将引力纳入标准模型，是因为前面说过的无穷大问题。1970年代末1980年代初，第一次超弦革命前夜，一种新的量子引力模式被发明出来——“超引力论”。大概的思路是：引力存在着超对称性，引力子（现在叫做“超引力子”）还有一个还未被发现的“超伙伴”——一个自旋为半整数的费米子叫“引力微子”。引力作用交换的总是成对成对的超引力子—引力微子。在宇宙现状的低能状态下，引力微子对引力作用的贡献是可以忽略不计的，但在大爆炸之初或黑洞里的高能状态下，它的贡献就变得不可忽略，而这个作用，刚好就把无穷大给吸收掉了。谢尔克也参加了超引力论的建构，他和其他几位物理学家当时就发现，这个模型要能成立，时空维应该是11维，而不是早期弦论认为的10维。接着超弦革命爆发了，革命大军洪流滚滚，这支小股游击队就无人问津了。

一个奇异的观点被不谋而合地提出两次，不定它就有更深刻的玄机。弦理论好歹也二十多年了，第一次超弦革命几乎是人海战术，怎么就没人发现这第十一维呢？威滕说，这是一个很深刻的方法论问题。以前大家都一厢情愿地使用微扰方法，而忽略了超弦的非微扰效应，即耦合常数大于1的问题被回避了。而实际上，当强耦合发生时，量子涨落的贡献是不可忽略的并且是发散的。当考虑到高能条件下的这种发散结果时，某根一维的弦就会展宽为一张二维的膜，就像织布机上一根一根的线叠加起来就成了一片布——新的一维诞生了！看来“无穷大”也不纯粹是灾难。

于是超引力游击队被收编进超弦大军，M理论现在有六大主力——五个10维的超弦理论加上一个11维的超引力理论。M理论现在就是一个六角形（图22.11），每个角驻扎一支主力部队，凭着对偶性的密码本它们互相联络，各自在不同的战区作战，分别解释各种不同极限条件下的物理现象。

图22.11  M理论统一框架

宇宙的精灵 #22.4

四

历史会戏剧般地重演。正如量子二次革命一下子就产生了两个逻辑自洽的基本方程一样，第一次超弦革命产生的不是一个模型，而是一下子产生了五个超弦理论。它们分别是：Ⅰ型理论，ⅡA型超弦理论，ⅡB型超弦理论，杂化SO（32）理论，杂化E（8）×E（8）超弦理论。这些模型具有许多相同的特征，比弦振动模型决定可能的质量和力荷，需要10维时空，卷曲维是某种形态的卡丘流形，但也有明显的区别，例如包含了不同形式的超对称性，Ⅰ型理论和ⅡB型超弦理论既有闭弦也有开弦，而两种杂化弦理论则强调超弦必须是闭弦。细节我们不必去深究，要命的是每一个理论模型都是逻辑自洽的，而超弦理论一个重要的特征或缺陷就是没有可供实验检验的经验预言。如果几个理论都同样头头是道，那每一个就都不是那么理直气壮了。

费曼在去世前几年刚才经历了第一次超弦革命的爆发。超弦理论从根本上解决了无穷大问题，应该说也解了费曼的一个心结。但这位费曼图的创造者喜欢由繁到简的升华，本能地讨厌超弦理论的艰涩和庞杂。他说不能以解决无穷大问题为正确理论的标准，他相信解决这个问题的方法应当不只一个。不过他也知趣地说，他以前提出新理论时总会遭到老权威的反对，也许现在他自己也成了反对新思想的老权威。

最激烈的反对者是电弱统一理论的首创者格拉肖。他说：“弦理论追求的不是传统的理论与实验的统一，而是一种内在的和谐，以精密、独特和优美来决定真理。……难道数学和美学就这样完全超越实验了吗？”他甚至说弦理论在损害着科学，跟中世纪的神学没什么两样。尽管十年后格拉肖转变了对超弦理论的拒斥态度，但他始终认为他对当时超弦领域的浮燥情绪的批评是正确的，因为“弦理论家曾狂热而野心勃勃地宣扬他们将很快回答物理学的所有问题”。

速胜论确实很快失去了市场。本来以为可以迅速建成一个统一世界的理论，现在发现，统一理论并不比统一世界更加轻松！当理论家们感到江郎才尽的时候，超弦热很快就冷却了下来。到了1990年代初，当初蜂拥而来的科学家又纷纷作鸟兽散，改弦更张做其他行当去了。好在弦论是一个智力的魔鬼训练营，曾经的弦科学家到了固体物理学、生物学、神经科学、计算机甚至金融业，那就是用船坚炮利去对付大刀长矛了，因此不少人在新领域卓有建树，实现了华丽转身。

当然会有些死硬分子坚持下来。普林斯顿大学的犹太裔美国科学家爱德华·威滕（Edward Witten）1951年出生于美国的马里兰州，父亲是一位理论物理学家。1982年，他读到施瓦茨的一篇有关超弦的评论文章，里面谈到，仅仅要求超弦理论的数学自洽性就会导致引力的产生。威滕说，这一认识是他生命中“最伟大的智力震撼”。 他另三位同校的科学家的组合在第一次超弦革命中功勋卓著，被称为“普林斯顿四重奏”。他们创造了“杂化E（8）×E（8）超弦理论”，被视为第一次超弦革命的最高成就。这得益于他深厚的数学功底，有位著名的数学家这样评价威滕：“尽管他肯定是个物理学家，不过他对数学的掌握却少有数学家能与之比肩……他在辉煌的物理运用中凭直觉导出新颖而深刻的数学定理，一次又一次让数学界震惊。”1990年他获得了世界数学最高奖——菲尔兹奖，是获得这个奖项的唯一的物理学家。

第一次超弦革命留下的困局是超弦天下五国分立。一国独大吞并天下如秦灭六国，是最容易想到的解决方案，无奈五论各有优劣，看不出谁有称霸天下的绝对实力。毕竟是光荣的量子革命的后人，曾经的波粒共和是物理建国的光辉典范。问题是，如果找到群雄联合的统一宪章？当这个宪章被威滕发现的时候，“第二次超弦革命”就爆发了！

1995年3月在洛杉矶召开的一次弦论会议上，威滕做了一个历史性的报告。报告中他说，五种不同的超弦理论的分歧并没有我们想像的那么大，它们不过是一个更深层的基本理论的不同表述。这个唯一的基本理论称为M理论，其中M表示魔法，神秘，或矩阵（Magic, Mystery, or Matrix）等意思，随你所好。五种超弦理论不过是M理论的不同极限情况，正如我们看见五座山峰突兀在悠悠白云之上，我们以为这五座山是彼此独立的，实际在云遮雾罩的山脚，它们是绵延相联的同一山脉。而使这五座山峰一脉相承的纽带，就是“对偶性”这个概念，这正是超弦理论统一宪章的核心概念。

图22.8 或者M理论就像这只海星,五个超弦理论不过是它伸向五个极限局域的触角.

“对称性”咱们前面已提过很多，是变换中的不变性，所谓伽利略变换、洛伦兹变换，就是通过变换操作保持不同坐标系物理规律的不变性即等效性。这里再说一个更浅显的例子：当年我上大学读书，每年至少坐四趟火车，当然是最便宜的硬座。人多拥挤，空气浑浊，一个靠窗的位置是最美好的愿望。可是每次拿到车票都是不一样的——不同的车厢、不同的座号。多坐几次我就发明了一个“靠窗变换”：以座号除以5，凡除尽的和余4的座号都是靠窗的。这样，通过这个公式的变换操作，除了1号座是靠窗的“常数”外，4、5、9、10……等座号就具有了靠窗的“对称性”。为了这项“伟大发明”，我获得了某晚报的8元稿酬。别笑！记得当时买一本书也就几毛块把钱。

“对偶性”也是一种对称性，一种特别的对称性，也可称为对偶的对称性。对称性是变换中的不变性，对偶性是替换中的不变性。比如一个南极人从来没见过水，一个赤道人从来没见过冰。两人相约做一个跨越撒哈拉沙漠的旅行。南极人带来了冰，赤道人带上了水，在他们眼里对方带的都与自己带的是截然不同的怪物。可是白天的高温使冰化成了水，晚上的严寒使水结成了冰，俩人才发现这两样东西其实是一样的，替换使用具有物理结果的不变性，因此水和冰具有“对偶性”。又比如我从你的反对者口中了解到你这个人“刚愎自用”和“一意孤行”，于是决定聘用你为公司总裁，因为公司正需要一个“当断则断”和“意志坚定”的领导者，而前后两组词正好具有“对偶性”。掌握对偶替换也是一门做人的艺术，一个姑娘给你的观感是“不漂亮”，你就夸她“有气质”好了，这样既不得罪人，又不至于睁着眼睛说瞎话。呵呵！扯远了。

中国诗词和对联讲究的“对仗”也叫“对偶”： 云对雨，雪对风，晚照对晴空；春对夏，秋对冬，暮鼓对晨钟。现在看威滕怎样用这种修辞术为我们把五个超弦理论拼接成一幅统一优美的诗画？他发现了超弦理论中的两种对偶性——S对偶和T对偶。

所谓S－对偶指的是强—弱（Strong-weak）耦合常数的对偶性。前面说过耦合常数是弦的内禀特征之一，表征弦相互作用发生的几率，耦合常数大说明相互作用强，反之说明相互作用弱。图22.9右表示两个电子（e^－）在两根弦的交汇处交换一个光子（碰撞）然后散射。如果到此为止，则平安无事。问题是，由于不确定性原理的作用，从两根弦合并开始到再次分裂之间的那根大弦管中，还可能发生许多故事。比如，它们之间交换的光子会从环境中借来能量分裂出一个正负电子虚弦对——e^＋和e^－（图22.9左，对不起，麻烦大家在观念中把这些线想像为弦），然后湮灭为光子γ，然后又产生虚弦对，然后湮灭，乃至无穷。这种量子涨落会对这个电子碰撞作用产生影响，至于影响大小，则取决于耦合常数的大小。

图22.9 右图为两个电子相互作用的总过程，左图为两个电子交换的光子从被发射后到被吸收前区间精细结构的一个片断：虚电子对产生—湮灭—再产生，这个片断可以无限地拼接下去，反正虚时间不算时间。

耦合常数的大小或强弱的标准为1，大于或等于1则称为大或强，小于1称为小或弱。之前的超弦理论是用近似方法或我们以前讲过的微扰法来解决量子涨落对相互作用过程的影响的，但这种方法只有在小耦合常数的条件下才会有效，因为这条件下多阶近似影响会越来越小乃至可以忽略不计。比如我有一个底标为100万的工程要发包，作为投标方的你恰好也做出了一个100万的标书，但声明可能会有5%（即远小于1的0.05）的不可预见费。我就可以考虑把工程发包给你了，因为这个误差即使发生了，我不过是多付5万元。可是你接着说你的误差是“多阶”的，5%的误差还可能有5%的误差，乃至无穷。那也没什么，到了二阶误差就是（5%）²，就是0.25%，2500块钱，第三阶就百把块钱，再往下算就基本可以忽略不计了，数学上讲就是结果是收敛的。光子弦的耦合常数如果能与这个例子类比，微扰法当然是有效的。

但如果这个常数大于哪怕是等于1呢？也就是标书的误差率大于或等于100%，那么哪怕你的标内价值就是1块钱都不能接受，因为多阶近似的结果是发散的。五个弦理论都有决定耦合常数的方程，但奇怪的是，任何耦合常数都能满足方程的需要。这问题又来了：弦理论为什么没有遭遇无穷大灾难呢？原来第一次超弦革命的英雄们都不约而同地使用了微扰方法，而这种方法无形中就把耦合常数小于1的假设偷放进了方程中。也许五个弦论的耦合常数都大于1呢？这是个令人不寒而栗的质问！好在现在有S对偶。威滕和其他一些物理学家发现，用Ⅰ型理论与杂化SO（32）理论就具有这样的对偶性，当对偶双方的一方耦合常数大到微扰方法失效时，对方的弱耦合刚好就是它的对偶图像，就可以继续用对方的图像来描述自己的物理性质。就像冰化成了水也不影响我们研究它的物理性质（H₂O）一样，反之亦然。两个理论的强耦合与弱耦合交换具有不变性，因此这两种理论实际上是一个，超弦理论就从五种降到了四种。

以后物理学家还发现，ⅡB型超弦理论居然自己跟自己S对偶，即自己的强耦合与自己的弱耦合形成对偶关系。如此一来，当耦合常数大于1微扰法失效时，就可以在这个大于1的常数的倒数（如2的倒数1/2）常数中找到相同的物理结果，就是说，强耦合常数2与弱耦合常数1/2的物理结果是等价的！这样就保证了微扰方法始终有效。

有点晚了，明天再谈T对偶。

宇宙的精灵 #22.3

三

咱们把话再说明白一点。标准模型的每一种基本粒子都是一根一维的弦，它们之间的区别只是振动模型不同。每一根弦都有两个端点，这种弦叫“开弦”（如图22.3左）。基本粒子吸收能量，可图解为两根短弦连接成一根长弦；释放能量，可图解为一根长弦断裂为两根短弦。考虑到量子涨落的虚粒子对的产生和湮灭的现象，弦论物理学家引进了“闭弦”的概念（如图22.3右），闭弦是一个环，没有端点。

图22.3 超弦中的开弦（左）大致对应标准模型中的费米子，闭弦（右）大致对应光子和引力子）

比如虚正负电子对的产生，我们可以理解为开弦的两个端点分别是正负电子，当两个端点接近结合，虚粒子对湮灭，产生一个没有端点的电性为0的光子，开弦变了闭弦，正反电子湮灭产生光子。相反，光子闭弦环断裂，闭弦变为开弦，正反电子对产生。引力子同样也是一种闭弦的无质量模式，这样，被标准模型拒之门外的引力就进入了基本粒子共同体。

图22.4 闭弦断开为开弦——正负电子对产生，开弦连接为闭弦——粒子对湮灭发射一个光子。

加上时间用二维图像描述基本粒子的演化，点粒子在时间中延伸为一条“世界线”，这条线的每一个截面（时间的某一个瞬间）都是一个点（图22.5左）；开弦是时间中展开为一个“世界片”，这张片的每一个截面都是一根弦（图22.5中）；闭弦在时间中延展为一根“世界管”，这根管的每一截面是一个弦环（图22.5右）。

图22.5 点粒子、开弦和闭弦在时间中的存续

别小瞧了这些几何图形的区别，相对论革命归根结底是物理学几何化方法的革命。超弦理论引进了物理学几何化的方法，同样也产生了革命性的成果，自然地克服了紫外灾难就是之一。比如一个粒子获得能量的作用过程，用费曼图表现是两根世界线的耦合体。现在弦论表现为两个世界片的耦合（图22.6）。QED这所以遭遇紫外灾难，盖因为耦合发生在一个没有大小的“奇点”，当相互作用集中在一个点时，灾难性的后果就产生了；而重正化的方法无非是笨拙地用涨落云去模糊这个奇点。弦论则没有这个尴尬，弦的本性就可以把这个点“抹开”成一个片，无穷大自然就被耦合片给吸收掉了，自然就可以得出有限的结果。朋友们可以在思想实验中获得图22.6在不同时间瞬间的截面，从下而上（时间从过去到将来）就是两根弦渐渐靠近，在耦合片处合二为一。如果改为描述你增肥的过程，跟引力子相关，把这两张世界片改为世界管即可，截面将是两个小弦环渐渐靠近，在耦合处结合为一个大环，表征你增大了的腰围。对不起！你是想减肥，把时间前头画反过来就成。

  

图22.6 两根世界片合并

用超弦模型描述物质和运动，就变得异常地简单优美、赏心悦目。标准模型的二十的常数，现在弦论只需要两个常数就可以替代：一个是张力常数，表示单位弦长的能量。之所以叫“张力”，可以直观地想像琴弦，一根弦很硬，物理学就叫张力大，我们就必须用很大的力气去拨动它，反之，一根弦比较软，它张力就小，只需要很小的能量就能拨动。另一个是耦合常数，表示弦分裂或结合的几率。原先物理学体系中的许多常数，都可以从这二个常数中演算出来，例如牛顿的引力常数，就是这两个常数的乘积。

超弦理论果真那么简单吗？像泰勒斯哲学一样，水的变形就可以产生万物。如果回答yes，我就是一个大忽悠，也辱没了弦论科学家的艰苦卓绝和超常智力。超弦作为“始基”是严格对称的，但这种严格对称性，还不足以说明基本粒子的千姿百态，还需要一个对称性破缺的后天环境，这是是超弦理论独特的物理几何空间。上面说的那个小提琴家故事的例子显然是不恰当的：一根弦安在提琴或皮靴上怎么可能有同样的音效？共鸣箱乃至每一个部件的型构和材质都会对音调和音色产生重大的影响，要不一把小提琴怎么可能卖到几千万美元？跟那位琴手要一只皮靴得嘞。

如何形构超弦振动的几何空间，这才是真正让超弦科学家头痛的事情。我们知道，一种基本粒子对应于一种超弦的振动模式，而一种振动模式，无非是同一根弦在不同的几何空间中产生的共振。正如一根笛子有七个孔，笛子演奏家灵巧的手指选择打开哪个孔，就决定了气流振动的一种特殊的几何空间，笛膜振动出特殊的音调。在这里，一个笛孔就是一种自由度，七个孔就是七个自由度，对应于七个音调，只有一两个孔的笛子注定是吹不成调的。同样，超弦要能振动出宇宙的各种基本粒子，她的空间也必须有足够的自由度。看图22.5，想像一只蚂蚁在上面爬，蚂蚁在点粒子的一维的世界线上只有一个自由度（前后），而在超弦二维的世界线片或世界管则有两个自由度（前后和左右），再加一维就是人类的三维空间，蚂蚁又多了一个自由度（像蚂蚱一样往上蹦）总共三个自由度。对超弦理论言，自由度就是超弦的独立振动方向，三个自由度（方向）是不够的，前面说了，必须有9维空间（10维时空）。我们在理论上接受就行了，如果试图用直观想像去形构9维空间的情形，过多地损耗了脑细胞可别向我索赔呀！勿谓言之不预哟，呵呵！

10维时空，在宇宙的初始状态曲率都是极大的，所有维都是“卷曲的”（克莱因概念），这没有问题。宇宙大爆炸，四维时空舒展开来，达到现在的半径137亿光年（宇宙的半径），而其他的6维依然卷曲在可以与普朗克长度比拟的紧致区间，所以我们看不见用不着，这些维给超弦的振动提供足够的自由度。1维卷得凭什么6维卷不得？因此6维的紧致空间并不比克莱因的1维紧致空间更荒谬。这就意味着，经典三维空间的每一个点上都要嵌上一个6维的紧致空间。回看上一章的图21.2，二维的紧致空间被描绘为一个二维球面，我们还可以描绘为救生圈一样的二维圈，这些都在我们直观能力范围之内，我们在中学学到的几何知识也足以对它们进行计算。那么6维的紧致空间呢？显然已经超出了我们的直观能力，但其卷曲方式依然要求用数学方程严格确定。还好，现成就有一强大的数学工具可用——“卡拉比—丘成桐流形”（图22.7）。现在，大家该用这个6维的卡丘球替代图21.2的二维球了。

图22.7 六维卡丘流形三维投影图

后来被命名为“卡丘流形”的存在性是著名意大利裔美国数学家卡拉比（Eugenio Calabi）于1954年在一次国际性数学大会上提出来的，被称为“卡拉比猜想”。这一年丘成桐才5岁。他于1949年4月出生于广东汕头，随后大陆政权更迭，丘家举家搬迁到香港。14岁时，当哲学教授的父亲去世，母亲一人含辛茹苦地扶养八个子女。丘成桐也算争气，大三时获得奖学金赴美留学，1971年在美获得博士学位。初出茅庐的丘成桐挑战卡拉比猜想，做其不存在性的证明。在1972年的一次数学会议上，他公布了自己的成果，一时引起轰动。可两个月后，丘成桐受宠若惊接到卡拉比的亲笔信，得知自己的证伪并没有成功。以初生牛犊不怕虎的精神，他又在“一生最痛苦的两周里”（丘成桐语）又做了几十次证明，终了不得不写信给卡拉比投戈求败。之后他又踏上了证明卡拉比猜想的更艰难的旅程。1976年，新婚燕尔的丘成桐如当年玫瑰山谷的薛定谔一样激情燃烧灵感勃发，证明卡拉比猜想事业终成正果。因此在1982年，33岁的丘成桐获得数学界的“诺贝尔奖”——菲尔兹奖，是第一个也是迄今唯一一个获得该奖的华人数学家。

当然丘成桐在证明卡丘流形时并不知道超弦理论为何物，这不重要，黎曼在创造黎氏几何时也不知道广义相对论为何物。重要的是，第一次超弦革命的革命者们发现正好可以用这个工具来做成超弦这把宇宙提琴的共鸣箱！再往下说情况还无比复杂，我们还是简略地结束本节吧。卡丘流形的形构理论上可以有无限种，它们不仅可以满足我们需要的基本粒子的振动模式，还可以满足我们不需要的粒子和力的模式，没有唯一性而有无限可能性。超弦模型是“打包出售”的，正如我买的一台手机，功能可能有几十种甚至几百种，而我用到的可能只有区区几种。这又引伸出一个哲学问题：几千年来我们都在遵循还原主义路线追溯一个宇宙的始基，这种追溯哪怕是成功了也发现还原路线是不可逆的，即从始基重新出发的结果并不是唯一的。这又回到了量子力学多世界诠释的困境。超弦理论使量子力学与广义相对论有机的融合，量子精灵也内禀了相对论高贵的时空属性。可是我们怎么发现她现在比波尔时代更难以驾驭？量子的宏观表现更不能由她自己一元决定，从她自身生成出来的时空环境也参与了她的形像塑造——基本粒子的性质是由环境决定的。于是生物学的进化观念也杀进了物理学领域，使我们的世纪之战的战况变得更扑朔迷离错综复杂。我们现在的宇宙，是否也像生物世界一样，是环境选择长期进化的一个结果呢？

附：图21.2 三维空间的每一点上嵌入的紧致空间