物理学开始探索禅境

二十世纪是人类历史上一个有趣的时期，这个时期的人类一面尽情地享受着自然科学创造的巨大物质财富: 核能、激光、电子技术，等等，一面却不了解甚至不接受它的一些基本观念。其实这些观念有大量严谨的科学根据，不过真正懂得它们的人太少，因此没有被人们重视和接受。

下面这则消息就说明了这种状况:

〔中新网〕北京8月19日消息：霍金在昨天的科普报告过程中只赢得了两三次掌声，全场几乎没有会心的笑——他的理论太玄奥，以至于大多数来自北大、清华的学子都说没太听懂。据北京晨报报导，昨天下午，北京国际会议中心排起数百米的长队。门口有人私下兜售门票——最少500元一张。询问退票的人也不少，大家都期待着一睹霍金风采。但两个小时的公众科普报告尚未结束，已有人提前退场——实在听不懂。

霍金这次讲的《宇宙的起源》，其基础是当代自然科学的最新成就——弦论。真正懂得这个理论的人,都会产生一种强烈的敬畏、惊讶和震撼感。本文尝试用大家听得懂的语言,大致解说一下弦论的主要概念,以期让读者体会些敬畏和震撼,并一窥宇宙的奥秘。

我们从当代著名的哲学家施太格缪勒（Wolfgang Stegmuller）在《当代哲学主流》[1]一书中写的一段名言开始。他写道: “未来世代的人们有一天会问: 二十世纪的失误是什么呢? 对这个问题他们会回答说:在二十世纪, 一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分, 而且即使在西方哲学中,譬如在所谓身心讨论的范围内, 也常常处于支配地位。 但是另一方面, 恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”这就是说, 一方面以“唯物主义”为标记的哲学广为流行, 而另一方面“物质”究竟是什么? 却又说不清。 施太格缪勒正是在这里看到了“二十世纪的失误”[2]。

你可能会问, 究竟什么是物质? 它为什么是科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念?

早在古希腊时代,原子论者就猜想, 物质是构成宇宙的永恒的砖块，万物从它所出，最后又复归于它，它不生不灭，不增不减，是世界过程绝对同—的起点和终点。物质作为普遍的、不变的东西，必然是绝对的实体和基质。实体者,“实实在在”的客体之谓也。物质及其性质必须独立于人类的意识而存在，是客观的实体。

后来,以牛顿力学为基础的经典物理学，继承了上述古代原子论的观点，把物质归结为具有某些绝对不变属性的质点的集合。质点概念本来是对作整体运动的固体的一种抽象，但它在液体、气体乃至热现象中的应用也获得了成功。对于所有这些能够具有机械运动的物质形态，物理学称之为实物。在当时的自然哲学中．又称之为实体。把物质归结为物体，进而把物质看成实体，这同质量在牛顿力学中的特殊地位和作用有关。牛顿之所以把质量定义为“物质多少”的量度，就是因为在任何机械运动过程中，乃至在化学反应中，质量始终如一。质量被理所当然地看成是物质本身所绝对固有的，被看成物质不灭或实体不变原理的具体表现。

以牛顿力学为代表的经典物理学在十九世纪末所取得的巨大成功,使得认为物质是绝对实体的唯物主义成了在二十世纪处于支配地位的哲学,正如前面引用的施太格缪勒的名言所讲的。

然而,二十世纪爱因斯坦发明的相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误。首先,相对论证明质量与速度有关, 同一个物体, 相对于不同的参考系, 其质量就有不同的值。

想象一个人在推一辆没有任何阻力的小板车，只要持续推它，速度就会越来越快，但随着时间的推移，它的质量也越来越大，起初像车上堆满了木柴，然后好像是装着钢铁,最后好像是装着一个地球……当小板车达到光速时，整个宇宙好像都装在了它上面——它的质量达到无穷大。这时，无论施加多大力，它也不能运动得再快一些。

当物体运动接近光速时，不断地对物体施加能量，可物体速度的增加越来越难，那施加的能量去哪儿了呢？其实能量并没有消失，而是转化为了质量。爱因斯坦在说明物体的质量与能量之间的相互转化关系时，提出了著名的质能方程：能量等于质量乘以光速的平方。不久后科学家们发现了核裂变和链式反应，把部分质量变成巨大能量释放出来。现在知道原子弹的人，都相信质量可以转化成能量。

既然质量不再是不变的属性，那种认为质量是物质多少的量度的概念就失去了意义。既然物质与能量是可以相互转化的,能量并非“实体”,物质也就不能再被看作是实体。

与此同时,科学家对物质结构的认识也迅速深入发展。在本世纪30年代以前，经典物理学一直认为：物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。原子是组成物质的最小“砖块”。1932年，科学家经过研究证实：原子是由电子、中子和质子组成的。以后，科学家们把比原子核次一级的小粒子，如质子、中子等看作是物质微观结构的第三个层次，统称为基本粒子。1964年，美国物理学家马雷•盖尔曼大胆地提出新理论：质子和中子并非是最基本的颗粒，它们是由一种更微小的东西——夸克构成的。为了寻找夸克，全世界优秀的物理学家奋斗了20年，虽然一些实验现象证实了夸克的存在，然而单个的夸克至今未找到，人们始终不识庐山真面目。对此，粒子学家们的解释是：夸克是极不稳定的、寿命极短的粒子，它只能在束缚态内稳定存在，而不能单个存在。

不仅如此,迄今人们所知道的300多种基本粒子中，除少数寿命特别长的稳定粒子（如光子、中微子、电子和质子）外，其它都是瞬息即逝的，也就是说，它们往往在诞生的瞬间就已夭折。例如,通过弱相互作用衰变的粒子有20余种。其中，π±介子的寿命大致为2．6 ×10-8秒（10的负8次方秒——博主注），即π±介子经过一亿分之一秒就衰变成了其它粒子。通过电磁相互作用衰变的粒子共两种，它们的寿命就要短得多了。π0介子的寿命是0．84×（10的-16次方）秒，η介子的寿命是3×（10的-19次方）秒。比起π±介子来，它们的寿命竟分别要短8～11个数量级。寿命最短的，则要算通过强相互作用衰变的“共振态粒子”（如Δ粒子、Σ粒子等）。它们的伙伴特别多，占基本粒子家族成员的一半以上，共200多种。它们的寿命之短达到了惊人的地步，以致于人们很难用确切的形容词来描述它们的衰变过程；粒子物理学家即使利用最优的实验手段也已无法直接测量它们，而只能用间接的方法推算出它们的寿命。它们只能生活一千万亿亿分之一秒左右，即寿命大致是10的-28次方秒。

为什么绝大多数基本粒子都如此短命?如何理解我们的物质世界就是建立在这些瞬息即逝的“砖块”上?

在二十世纪的后期,物理学的一个前沿领域——弦论的发展又使我们对物质的看法更进了一步。

什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘，由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。爱因斯坦未能实现他的梦，因为当时人们还不知道自然界的许多基本特征。但在他去世以后的半个世纪中，人们已构筑起越来越完整的有关自然界的理论。如今，相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架，有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体--一个单一的理论，一个能描述一切现象的理论，这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子, 实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式。正如小提琴上的弦, 弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作宇宙弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。小提琴弦的一个共振频率对应于一个音阶, 而宇宙弦的不同频率的振动对应于不同的质量和能量。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位，即普朗克长度（10的-33次方厘米）。简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海, 那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐 (参见〔３〕) !

有人会说, 把物质世界看是宇宙弦演奏的一曲交响乐,不正是与物质的对立面-意识有些相同了吗？是的。按照当前流行的观点，意识是完全基于物质基础(我们的脑)而存在，但意识不是一种具体的物质实在, 因为没有人在进行脑科手术时在颅骨内发现过任何有形的“意识”的存在。我们都知道贝多芬的交响乐,可以用一套乐器把它们演奏出来。但这套乐器本身并不是交响乐。意识是大脑演奏的交响乐。这个图像为理解“心物一元”,即意识和物质的统一,开辟了新途径。

有人还可能说,无论宇宙弦多小,无论人们能否观察到它们,宇宙弦总归是客观实在,它们是组成物质世界的基本单元,因此物质世界也应该是客观实在。此话不准确。组成物质世界的基本单元是宇宙弦的各种可能的振动态，而不是宇宙弦自身，就像组成交响乐的单本单元是乐器上发出的每一个音符，而不是乐器自身一样。

在弦论之前，物质的实在性体现在组成客观世界的砖块是上百种原子，这些原子都是由质子、中子和电子等基本粒子组成。这些基本粒子都被当作是物质实体，都是组成物质世界的“超级砖块”，因而可以把物质世界看作是物质实体。在弦论之中，情况发生了根本变化。过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子，现在都是宇宙弦上的各种“音符”。多种多样的物质世界，真的成了“一切有为法，如梦幻泡影，如露亦如电，应作如是观。

有人会想,天啊!物质都不是客观实在了,那么世界上还有什么东西是实在的吗?回答是,有的。事物之间的关系就是实在的。我们根据二十世纪自然科学的进展, 可以用关系实在来取代绝对的物质实体, 即主张事物不是孤立的、由固有质构成的实体，而是多种潜在因素缘起、显现的结果。每一存有者都以他物为根据，是一系列潜在因素结合生成的。“现象、实在和存有被限定在一组本质上不可分离的关系结构中”〔４〕。

哲学家们在论述“关系实在”时使用的哲学词汇对你可能生涩难懂,我们还是用例子来解说。

我们看见一束红光, 这是一个事件, 是一个“果”。这个果是由多种因缘聚合而产生的。首先是光的波长值, 借用哲学家们熟悉的语言，这是“第一类性质”, 这类性质还有如物体的广延性等, 是物体自身内在所固有, 它既不依赖于观察者, 也不依赖它物,也就是说, 它是无对而自行确立的。我们把这些第一性质又称为“因”。其次, 我们还需要具备一些其它条作, 如眼睛正好睁开, 没有色盲, 往正确方向看, 以及眼与光源之间无障碍物,等等。我们把这些条件称为“关系参量”,又称为“缘”。这些因缘聚合产生了红光这个果。“红色”这类颜色性质是“第二类性质”, 其存在至少部分地依赖于观察者。“关系实在论”就是说,关系参量是不可消除的,没有它们, 就不会有“看见红光”这个果,因而是实在的。

再举一个更清楚的例子。要得到一颗苹果树, 首先要有一粒苹果的种子, 这是“因”。但是单靠这粒种子也不会长成一颗苹果树,比如把种子放在仓库里,无论放多久也不会长出树来,所以单有因是结不出果的。一定要将种子放在土壤中, 并且要有适当的水分、阳光、温度、肥料等等的配合, 种子才会发芽长大, 最后长成一颗苹果树,结出苹果来。这里的土壤、水分、阳光、温度、肥料等等, 就是“缘”。所以“因”一定要配合适当的“缘”,在因缘和合之下,才能生出果来。

缘是许多的配合条件。缘有好缘,也有不好的(“恶”)缘。因此即使是同样的种子,结出的果也就很不相同了。比如, 把种子放进贫瘠的泥土里,或者施肥不够,苹果树必然长得不大, 结出的苹果也不会好吃。 假如把种子放在肥沃的土壤中, 加上细心照料, 结出的果实就会香甜好吃。由此可见, 同样的因遇到不同的缘,结出的果便会很不相同。同时,由于缘是由很多条件配合而成的, 所以缘会不停地变化着。既然缘会影响果,而缘又在那么多条件配合下产生作用, 假如某个条件改变了, 甚至消失了, 那么果便可能不再存在。在苹果的例子中, 如果天旱缺水, 苹果树便会因之枯萎。所以当因缘散尽之时,果就会灭。换句话说:“因缘和合而生, 因缘散尽而灭。”