G弦上的詠嘆調(diào) <p class="ql-block"><b style="font-size:20px;"> 朱明明</b></p> <p class="ql-block"><span style="font-size:22px;">【文】： 物理學(xué)總是和音樂有著太多的不解之緣。量子論鼻祖普朗克彈得一手好鋼琴。相對論巨匠愛因斯坦拉得一手好提琴。兩人常在一起演奏莫扎特的小提琴奏鳴曲，情景感人至深。玻爾、海森堡、波恩、薛定諤、狄拉克等量子力學(xué)大師們也都擅長拉提琴。經(jīng)常會聽到他們在一起演奏貝多芬的弦樂四重奏，勃拉姆斯的鋼琴三重奏等。大師們驚嘆古典音樂中的絕對和諧和絕對美，認(rèn)為物理學(xué)的最高境界具有音樂的神韻。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 由伽利略、牛頓奠定基礎(chǔ)的物理學(xué)理論體系，到了19世紀(jì)后期，由于能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)、法拉弟、麥克斯韋電磁理論的輝煌成就，以及在其它領(lǐng)域中的勝利，使當(dāng)時(shí)不少物理學(xué)家認(rèn)為，物理學(xué)的理論大廈已經(jīng)大功告成，留給后人的只能在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和修正?？删驮谑廊搜笱蟮靡獾臅r(shí)候，經(jīng)典物理學(xué)大廈的上空出現(xiàn)了兩朵“烏云”。一朵是：黑體輻射與“紫外災(zāi)難”。另一朵是：以太之迷和邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)。為了掃除這兩朵“烏云”，爆發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)兩場最偉大的革命：量子力學(xué)和相對論。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 愛因斯坦的狹義相對論發(fā)現(xiàn)牛頓的“絕對時(shí)空”錯(cuò)了。時(shí)間和空間都是相對的。他的廣義相對論進(jìn)一步指出：重力在太空中就成了一片片彎曲的空間，有點(diǎn)像雜技演員的蹦極床，當(dāng)演員落入蹦極床時(shí)，床面向下彎曲的曲面。然而，這位曾經(jīng)的量子論鼓號手，在創(chuàng)建了相對論后，并沒有融入到當(dāng)時(shí)物理學(xué)界洶涌澎湃的歷史潮流中，沒有去參與量子力學(xué)的創(chuàng)建改進(jìn)工作；沒有去享受量子力學(xué)給世界帶來的驚喜和歡樂；而是孤獨(dú)地站在滾滾向前的歷史潮流邊上的淺灘上，埋頭鉆研他的“大一統(tǒng)”理論。他想把重力(引力）和電磁力統(tǒng)一在一組方程內(nèi)。愛因斯坦生命的最后三十年全花在“統(tǒng)一場論”的研究上，結(jié)果無功而返。旁觀者不敢去挫傷這位德高望重，師心自用的老人，只是把他比喻成那位同風(fēng)車開戰(zhàn)的“堂·吉訶德”！當(dāng)時(shí)的人們不知道，也不可能知道：堂，愛兩翁雖然行為相似，性質(zhì)卻完全不同；一個(gè)標(biāo)志著滯后的苦惱，另一個(gè)卻代表著超前的悲哀。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 五光十色，千變?nèi)f化的大千世界究竟是由什么東西構(gòu)成的？十九世紀(jì)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：分割物質(zhì)而不改變其特性的最小單位是分子，而分子又是由原子構(gòu)成的。原子再分割，就分出電子、原子核。原子核由質(zhì)子、中子組成。質(zhì)子伙同幾個(gè)伙伴在中央席地而坐，電子圍著她們旋轉(zhuǎn)舞蹈。這就是微觀世界的小宇宙。人們的思想不免有點(diǎn)惰性；最初，想當(dāng)然地認(rèn)為原子的結(jié)構(gòu)和太陽系相仿。原子核就好比太陽，而電子就像行星那樣在各自的軌道上繞原子核旋轉(zhuǎn)。沒多久，就發(fā)現(xiàn)這種原子結(jié)構(gòu)的“行星模型”存在理論上的矛盾：像電子這樣的帶電粒子在旋轉(zhuǎn)時(shí)會不斷失去能量，軌道會越轉(zhuǎn)越小，很快就落入原子核中。所以這種按經(jīng)典力學(xué)建立的原子模型是不穩(wěn)定的。原子結(jié)構(gòu)不可能是這個(gè)樣子。幸而不久迎來了量子力學(xué)，對電子這樣的微觀粒子的行為作了完全不同的描述，原來電子根本沒有一定的位置，也沒有運(yùn)動軌道。原子中的電子就好像云霧般彌漫在原子核外的空間，形成所謂的電子云。電子到底在哪里？科學(xué)家們眾說紛紜。根據(jù)量子力學(xué)，對于單個(gè)的電子，我們只能說，它出現(xiàn)在某處的幾率有多大，而不能說它一定就出現(xiàn)在某處。在量子力學(xué)里還存在“測不準(zhǔn)原理”，即：任何一個(gè)粒子的位置和動量不可能同時(shí)準(zhǔn)確測量，要準(zhǔn)確測量一個(gè)，另一個(gè)就完全測不準(zhǔn)。這就是微觀世界的不確定性。但是，愛因斯坦很討厭這種理論，他的那句名言：“上帝是不會擲骰子的?！本褪轻槍@種理論而發(fā)的。從而引發(fā)了二十世紀(jì)兩位科學(xué)巨匠愛因斯坦和玻爾之間的長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的論戰(zhàn)。遺憾的是，愛因斯坦屢戰(zhàn)屢敗；可敬的是，這位大師屢敗屢戰(zhàn)。正是他這種不屈不撓的科學(xué)精神，才鞭策著量子力學(xué)不斷地改進(jìn)發(fā)展，最終使之成為一門完備的科學(xué)。（詳情請見筆者于2001年發(fā)表在《理論文萃》第4期上的文章“論量子力學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)”）。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 后來，科學(xué)家們又把原子加速到極高的速度，讓它們相互碰撞而且被撞碎，從那些被撞碎的小碎片里尋找更小的粒子，看看物質(zhì)到底是由什么東西所構(gòu)成的。到了上世紀(jì)六十年代終于弄明白了：質(zhì)子，中子等一概都由一種叫“夸克”的更小的基本粒子所組成?；玖Ｗ娱g的相互作用可以歸結(jié)為四種力，即：電磁力、弱力、強(qiáng)力、和萬有引力?，F(xiàn)代物理學(xué)已成功地用量子理論將前三種力統(tǒng)一起來了，但萬有引力還頑固地拒絕統(tǒng)一。當(dāng)年愛因斯坦就曾企圖將他建立的關(guān)于萬有引力的廣義相對論與量子理論統(tǒng)一起來，為此花費(fèi)了他后半生的全部精力，到了晚年，他難免流露出悲壯豪邁之情愫。半個(gè)多世紀(jì)以來，許多物理學(xué)家用各種各樣的方法探索過，也都以失敗告終。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 可喜的是，上世紀(jì)末，出現(xiàn)了可以容納萬有引力的“超弦理論”。物理學(xué)界的勇士們自信可以對愛翁沒解決的“大一統(tǒng)”問題發(fā)起沖擊了。他們重騎駿馬，再舉長矛。于是，一片亙古未有的風(fēng)景突然出現(xiàn)在眼前：微觀世界的切割能手說，電子和夸克根本不是什么圓圓的“基本粒子”，它們實(shí)際上是一團(tuán)團(tuán)弦線構(gòu)成的圈圈！微觀世界實(shí)際上是弦線的圈圈世界。弦理論中的弦線能發(fā)出不同的振動，就分別構(gòu)成了電子及各種夸克，再進(jìn)一步拼構(gòu)成宇宙萬物。所以，宇宙的根本原來是弦線，像小提琴。而大千世界不過是提琴弦線振動的不同音調(diào)。宇宙洪荒，微小極處都是提琴上的弦線奏出的交響樂，或雄渾闊大，或幽雅纖細(xì)。弦線理論的構(gòu)造極其復(fù)雜。首先，弦線世界不是三維，也不是四維，而是有十一維之多。另外，凡物必有其反，這也是一種“對稱”關(guān)系。弦線理論加上這種“超對稱”，就是超弦理論。如果說相對論以理想替代了實(shí)驗(yàn)，量子論以不定替代了確定，那么弦理論的革命在于以多維的基元的運(yùn)動替代了零維的不變的粒子。目前，不少物理學(xué)家都認(rèn)為，這超弦理論正是愛翁當(dāng)年冥思苦想之夢，也正是關(guān)于宇宙構(gòu)造的終極理論。</span></p><p class="ql-block"><span style="font-size:22px;"> 當(dāng)然，依靠超弦理論統(tǒng)一四種力，還有很長的路要走。若真是走通了，全世界的物理學(xué)家一定會開香檳酒慶祝。我想，當(dāng)年那些物理學(xué)大師們的在天之靈一定也會興奮無比；同時(shí)也一定會感到遺憾：他們?nèi)f萬不曾想到，自己終生追求的宇宙之構(gòu)造原來早在自己的手中，就是他們手中小提琴上的弦。此時(shí)，我仿佛聽到了從天堂傳來的物理學(xué)大師們演奏的巴赫的“G弦上的詠嘆調(diào)。</span></p>