如果終極理論在我們有生之年被發(fā)現(xiàn) ,那是多么不可思議啊 !自然的終極法則的發(fā)現(xiàn) ,標(biāo)志著人類智力史的間斷 ,標(biāo)志著自 17世紀(jì)近代科學(xué)肇始以來最漂亮的理論的出現(xiàn)。我們現(xiàn)在能想象出那會(huì)是什么樣子嗎 ?

———史蒂文 ·溫伯格

物理原理是美麗的嗎 ?

雖然超弦理論為我們提供了一個(gè)關(guān)于宇宙理論的令人信服的公式 ,但最根本的難題是 ,這個(gè)理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證似乎超出了我們目前所掌握的技術(shù)水平。事實(shí)上 ,這個(gè)理論預(yù)言所有的力的統(tǒng)一是發(fā)生在普朗克能量的條件下,即10²⁸電子伏特的能量上。這個(gè)能量大約是我們可以從實(shí)驗(yàn)室的加速器中提取的最大能量的 10¹⁵倍。

物理學(xué)家戴維 ·格羅斯在談到產(chǎn)生這個(gè)巨大能量的資金成本時(shí)曾說 , “即便將世界上所有國家金庫中的錢放在一起 ,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。它是一個(gè)天文數(shù)字 ”。

這是令人失望的 ,因?yàn)樗馕吨?,靠我們現(xiàn)有的機(jī)器或可想象的將來的機(jī)器對(duì)該理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成為了奢望。反過來 ,它還意味著十維理論并非通常意義上的理論。由于受限于我們星球上現(xiàn)有的技術(shù)水平 ,它將不能得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。于是 ,我們留下了這樣的疑問 :物理原理自身的美麗可以代替實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎 ?

對(duì)于某些人而言,答案是一個(gè)響亮的 “不”字。他們不屑一顧地嘲弄這些理論,稱它們?yōu)?“戲劇物理學(xué)”或 “趣味數(shù)學(xué)”。最刻薄的批評(píng)家是哈佛大學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)得主謝爾登 ·格拉肖 (SheldonGlashow)。他在這場辯論中扮演了牛虻的角色,他向其他支持高維觀點(diǎn)的物理學(xué)家發(fā)起了攻擊。他反對(duì)這些物理學(xué)家,并將當(dāng)下流行的這種思想比作艾滋病毒,無可救藥。他還將當(dāng)前的弦理論的時(shí)尚效應(yīng)與美國前總統(tǒng)里根的 “星球大戰(zhàn)”計(jì)劃相提并論:

這里有一個(gè)難題:如何為兩個(gè)宏偉的設(shè)計(jì)命名。這兩個(gè)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜,它們可能需要幾十年甚至更長的研究開發(fā)時(shí)間,也許在現(xiàn)實(shí)世界它們根本就無法實(shí)現(xiàn)——— “星球大戰(zhàn)”與弦理論 ……這兩個(gè)野心勃勃的設(shè)計(jì)既不能用現(xiàn)有的技術(shù)來實(shí)現(xiàn),也不可能達(dá)到既定目標(biāo)。就當(dāng)下稀缺的人類資源而言,這兩個(gè)項(xiàng)目都是代價(jià)高昂的。此外,俄羅斯正在這兩個(gè)項(xiàng)目上拼命追趕。

為了攪起更大的爭論,格拉肖甚至寫了一首詩,詩的結(jié)尾處如下:

如果你敢大膽猜想,

萬物理論也許超出了弦的軌形。

你們的一些領(lǐng)導(dǎo)已經(jīng)年老僵化,

不要獨(dú)自輕信異端事物。

請(qǐng)注意我們的忠告,不要太陶醉———

這本書還未寫完,最后一個(gè)詞不是威滕。

格拉肖發(fā)誓,他將阻止這些理論進(jìn)入他任教的哈佛大學(xué),卻未能如愿。他承認(rèn),在這個(gè)問題上他常常寡不敵眾。他遺憾地說,“在暴發(fā)的哺乳動(dòng)物世界中,我發(fā)現(xiàn)自己是一條恐龍”。 [格拉肖的觀點(diǎn)難以得到其他諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的認(rèn)同。如默里 ·蓋爾 -(MurayGel-Mann)和溫伯格等人就反對(duì)格拉肖的觀點(diǎn)。事實(shí)上,物理曼學(xué)家溫伯格說:“弦理論為終極理論提供了唯一的候選來源———不可思議的是,竟有人阻止聰明的年輕物理學(xué)家研究它?”]為了理解這場涉及所有力統(tǒng)一的爭論的意義,也為了理解它的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問題 ,考慮以下 “寶石的寓言故事 ”的類比是有益的。

打個(gè)比方 ,有一塊美麗的寶石 ,它在三個(gè)維度上是完全對(duì)稱的。然而,這塊寶石卻并不穩(wěn)定。一天 ,它崩裂開來 ,碎片飛向四面八方。它們最終落在平地上 (二維世界)。平地居民好奇地試圖重組這些碎片。他們將此原始爆炸稱為宇宙大爆炸 ,但他們不明白的是 ———為什么這些碎片會(huì)散落在他們的整個(gè)世界中。他們最終鑒定出了兩種碎片。一些碎片的表面被打磨得非常光滑 ,平地居民將它們比作 “大理石 ”;一些碎片的表面呈現(xiàn)鋸齒狀 ,丑陋且沒有規(guī)律可言 ,平地居民將它們比作 “木頭 ”。

多年之后 ,平地居民分成了兩大陣營。第一陣營打算將磨光的碎片拼湊起來。慢慢地 ,那些打磨光滑的碎片開始拼接。這一陣營里的平地居民開始驚嘆于這些光滑碎片的組合 ,他們堅(jiān)信一定有一種強(qiáng)大的新型幾何在起作用。這些平地居民稱他們部分組合的碎片為 “相對(duì)論 ”。

第二陣營的人致力于裝配那些參差不齊的碎片。他們?cè)趯ふ疫@些碎片的模式方面取得了有限的成功。然而 ,鋸齒狀的碎片組合在一起 ,只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大更不規(guī)則的團(tuán)塊。他們將其稱為 “標(biāo)準(zhǔn)模型 ”。但標(biāo)準(zhǔn)模型太丑陋 ,沒人為這個(gè)丑陋的團(tuán)塊感到欣慰。

經(jīng)過幾年的艱苦努力 ,人們?cè)噲D將這些不同的部分拼在一起。然而 ,人們對(duì) “光滑的碎片 ”與 “參差不齊的碎片 ”的拼接毫無辦法。

有一天 ,一個(gè)聰明的平地居民想出了一個(gè)絕妙的主意。他宣稱 ,如果從二維平地 “向上 ”移動(dòng)兩套碎片 ,它們就會(huì)被重新組合起來。即在第三維度中 ,這些碎片將能徹底結(jié)合。大多數(shù)平地居民被這種新方法弄暈了 ,因?yàn)闆]人能理解 “向上 ”是什么的意思。這個(gè)聰明的平地居民能夠通過計(jì)算機(jī)證明 “大理石 ”碎片可以被看作是某些物體的外部碎片 ,因此是光滑的;而 “木頭 ”碎片是內(nèi)部碎片 ,因此是凹凸不平的。當(dāng)兩組碎片在第三維度中重組時(shí) ,平地居民開始驚嘆于計(jì)算機(jī)中顯示出的圖案 :具有完美三維對(duì)稱性的光芒四射的寶石。兩組碎片之間的人為界限 ,瞬間被純幾何的方法解決了。

然而 ,這個(gè)解決方案留下了幾個(gè)問題 ,平地居民無法對(duì)這些問題進(jìn)行解答。一些平地居民希望得到實(shí)驗(yàn)證明而不只是理論計(jì)算 ,這些碎片真的可以組裝成這種寶石嗎。這個(gè)理論給出了一個(gè)巨大的能量數(shù)值 ,只有擁有了這個(gè)能量才能建立強(qiáng)大的機(jī)器并將這些碎片 “向上 ”拋出地面。這些碎片將在三維空間中重新組裝。遺憾的是 ,這個(gè)能量大約為平地居民能夠提 供的最大能量的千萬億倍。

而另一些平地居民認(rèn)為 ,有理論計(jì)算就足夠了。雖然他們知道這缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ,但他們認(rèn)為物理原理本身的 “美”足以解決統(tǒng)一問題。他們指出,歷史總是表明 ,自然界最難問題的解通常都是最美的解。他們還正確地指出 ,三維理論沒有對(duì)手 ,它是最好的理論。

然而 ,其他一些平地居民發(fā)出了怒吼。他們憤怒地說 ,理論無法被檢驗(yàn)就不能稱其為理論。他們聲稱 ,檢驗(yàn)這一理論將徒勞無益地耗費(fèi)聰明的頭腦 ,浪費(fèi)有價(jià)值的資源。

平地居民的辯論以及在現(xiàn)實(shí)世界中的爭論將持續(xù)一段時(shí)間 ,這是一件好事。正如 18世紀(jì)的哲學(xué)家約瑟夫 ·朱伯特曾說的 ,“‘辯論一個(gè)問題而不解決它 ’明顯好于 ‘解決一個(gè)問題而不討論它?！?/p>

超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī) :創(chuàng)世窗口

18世紀(jì)的英國哲學(xué)家大衛(wèi) ·休謨 (David Hume)提出任何理論都必須建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的觀點(diǎn) ,并因此而聞名。他認(rèn)為創(chuàng)世理論是無法得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的 ,也無法用理論來解釋。他指出 ,實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是再現(xiàn)性。一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間重復(fù)進(jìn)行 ,并得出相同的結(jié)果 ,才可以證明一個(gè)理論的正確性。相反 ,這個(gè)理論是不靠譜的。一個(gè)人怎能用創(chuàng)世本身來做實(shí)驗(yàn)?zāi)??創(chuàng)世本身就是一個(gè)不可重復(fù)的事件。因此 ,休謨得出結(jié)論 ,任何創(chuàng)世理論都是不可驗(yàn)證的。他聲稱 ,“科學(xué) ,幾乎可以回答所有的與宇宙相關(guān)的問題 ,創(chuàng)世是唯一一個(gè)不能被重復(fù)的實(shí)驗(yàn) ”。

從某種意義上說 ,我們遇到了休謨?cè)?18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的問題的現(xiàn)代版本。這個(gè)問題是 :重新創(chuàng)造宇宙之初所需的能量 ,超過了地球上可用的任何能量。然而 ,盡管在實(shí)驗(yàn)室直接驗(yàn)證十維理論是不可能的 ,但我們找到了幾種間接方法來處理這個(gè)問題。最合乎邏輯的處理方法是 ,我們希望超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī) (SSC)能發(fā)現(xiàn)亞原子粒子并能顯示超弦的獨(dú)有特征 ———超對(duì)稱性。雖然超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)不能探索普朗克能量 ,但它也許能為我們提供 “超弦理論正確性 ”的間接證據(jù)。

被強(qiáng)大的政治反對(duì)派扼殺的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)是一個(gè)真正可怕的機(jī)器 ,它也是這種類型機(jī)器中的最后一個(gè)。這個(gè)機(jī)器大約在 2000年在得克薩斯外 的達(dá)拉斯完工,它有一個(gè) 50英里 (80公里)長的巨大管道,管道周圍環(huán)繞著巨大的磁鐵 (如果以曼哈頓為中心,它將擴(kuò)展到康涅狄格和新澤西)。超過3000名全職及來訪的科學(xué)家和工作人員在這里進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并共同分析從機(jī)器中得出的數(shù)據(jù)。

超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的目的是在管內(nèi)加速兩個(gè)質(zhì)子束,直到它們的速度接近光速。因?yàn)檫@些質(zhì)子束是沿著順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的,當(dāng)它們接近最大速度及最大能量時(shí),必然會(huì)在管內(nèi)發(fā)生碰撞。質(zhì)子之間彼此碰撞,當(dāng)能量達(dá)到40兆 (4×1014)電子伏特的能量時(shí),質(zhì)子會(huì)粉碎并產(chǎn)生大量的可供探測器分析的亞原子碎片。宇宙大爆炸之后,這種碰撞就再未出現(xiàn)過 (因此,SSC又有 “創(chuàng)世窗口”的昵稱)。物理學(xué)家們希望在這些碎片中發(fā)現(xiàn)奇異的亞原子粒子,并寄希望于它們可以揭示物質(zhì)的最終形態(tài)。

毫不奇怪,超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)是一個(gè)非凡的工程和物理計(jì)劃,它擴(kuò)展了現(xiàn)代科學(xué)已知技術(shù)的極限。因?yàn)?在管內(nèi)彎曲質(zhì)子和反質(zhì)子所需的磁場是巨大的 (其數(shù)量級(jí)為地球磁場的 10萬倍)。同時(shí),為了產(chǎn)生并保持它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),所需的物理步驟也是非常復(fù)雜的。例如,為了降低導(dǎo)線內(nèi)部的發(fā)熱和電阻問題,磁體必須被冷卻到接近絕對(duì)零度。此外,磁體還需采用專業(yè)手段進(jìn)行特別加固,以防止磁場過強(qiáng)導(dǎo)致金屬磁體本身形變。

由于超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的預(yù)算造價(jià)高達(dá) 110億美元,它成為了一個(gè)令人垂涎之物和政治家施展激烈政治手腕的題材。過去,原子加速器的建造地點(diǎn),由毫不掩飾的政治交易所決定。例如,伊利諾斯州之所以能將費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器建造在巴達(dá)維亞 (芝加哥的外面),是因?yàn)榱诸D ·約翰遜 (LyndonJohnson)總統(tǒng)需要伊利諾斯參議員埃弗里特 ·德克森 (EveretDirkson)投越南戰(zhàn)爭的關(guān)鍵一票 (根據(jù)《今日物理》雜志)。超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的情況也大致相似。盡管美國的許多州都激烈爭奪這一項(xiàng)目,但 1988年,超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目落腳于得克薩斯州。當(dāng)時(shí),美國總統(tǒng)和民主黨副總統(tǒng)候選人均來自得克薩斯州。

雖然美國政府已花費(fèi)了10億美元在超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目上,但它卻永遠(yuǎn)無法完成。令物理界感到震驚的是,1993年,眾議院投票徹底取消了這個(gè)計(jì)劃。物理學(xué)家們努力的游說并未恢復(fù)政府為該項(xiàng)目提供資金。對(duì)國會(huì)來說,昂貴的原子加速器可以從兩方面看待:一方面,它可以是一個(gè) “多汁的李子”,它能產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的就業(yè)機(jī)會(huì),并能為擁有它的州帶來10 億美元的聯(lián)邦財(cái)政補(bǔ)貼。另一方面 ,它也可以是一個(gè) “不可信的吞錢洞 ”,巨大的投入下不會(huì)帶來任何收益。他們認(rèn)為 ,這段時(shí)間的美國正值艱難時(shí)期,這個(gè)昂貴的高能物理學(xué)家的玩具是國家所不能承受的奢侈品。(公平地說 ,為超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)提供資金應(yīng)放在一個(gè)合適的角度下審視?！靶乔虼髴?zhàn) ”基金一年需消耗 40億美元 ;整修一臺(tái)航空母艦需消耗 10億美元 ;一架航天飛機(jī)的造價(jià)為 10億美元 ;一架 B-2隱形轟炸機(jī)的造價(jià)接近 10億美元。)雖然超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目不幸夭折 ,但我們能從中發(fā)現(xiàn)什么呢 ?少,科學(xué)家們希望能找到奇異粒子 ,比如由標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的希格斯粒子。至希格斯粒子產(chǎn)生對(duì)稱性破裂 ,故而 ,它是夸克質(zhì)量的起源。我們希望超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)能發(fā)現(xiàn) “質(zhì)量的起源 ”。所有的我們周圍有重量的物體 ,它們的質(zhì)量均歸功于希格斯粒子。然而 ,物理學(xué)家之間的賭注在于 ,超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的奇異粒子的概率為 50%,即成敗的機(jī)會(huì)各半。(物理學(xué)家或許能找到 “七彩 ”粒子 ,它們正好處于標(biāo)準(zhǔn)模型之外 ;又或許會(huì)找到 “軸子 ”,它們有助于解釋暗物質(zhì)的問題。)物理學(xué)家最希望找到的是 “超粒子 ”,這是一般粒子的超對(duì)稱配偶子。例如 ,引力微子是引力子的超對(duì)稱配偶子 ;超夸克是夸克的超對(duì)稱配偶子 ;超輕子是輕子的超對(duì)稱配偶子。

如果超對(duì)稱粒子最終被發(fā)現(xiàn) ,我們就有機(jī)會(huì)看到超弦本身的殘余。 (像場論的對(duì)稱性那樣 ,超對(duì)稱于 1971年在超弦理論中被首次發(fā)現(xiàn) ,且先于超引力的發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上 ,超弦或許是唯一的可使超對(duì)稱與引力以完全自洽的方式結(jié)合起來的理論。)即便超對(duì)稱粒子的發(fā)現(xiàn)不足以完全證明超弦理論的正確性 ,它仍將有助于安撫懷疑論者 ,因?yàn)樵谒麄兊难壑胁淮嬖谝唤z關(guān)于超弦理論正確的物理學(xué)證據(jù)。

來自外層空間的信號(hào)

由于超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)并未建成 ,因此 ,我們無法發(fā)現(xiàn)低能量共振的超弦粒子。這樣 ,物理學(xué)家開始寄希望于另一種可能 ———測量宇宙射線的能量。這些宇宙射線均是高能亞原子粒子 ,它們的來源我們尚不清楚 ,但我們可以明確的是它們必定來源于我們星系之外的外太空。例如 ,盡管沒人 知道宇宙射線來自何處 ,但人們都知道它的能量巨大 ,超過了我們實(shí)驗(yàn)室中任何物質(zhì)所攜帶的能量。

與原子加速器產(chǎn)生的受控射線不同 ,宇宙射線具有不可預(yù)知的能量 ,它不能按要求產(chǎn)生精確的能量。從某種意義上說 ,我們可以將其分別比喻為 “水管滅火 ”與 “暴風(fēng)雨滅火 ”。 “水管滅火 ”相比 “暴風(fēng)雨滅火 ”更方便:我們可以自定義水管開關(guān)的時(shí)間 ,自定義調(diào)節(jié)水流的強(qiáng)度 ,從水管中噴射出來的水均以相同的速度勻速噴出。這正好與原子加速器產(chǎn)生的可控制的射線束相對(duì)應(yīng)?！氨╋L(fēng)雨滅火 ”相比 “水管滅火 ”更猛烈且更有效。但問題是 ,它像宇宙射線一樣不可預(yù)測 :你無法調(diào)節(jié)雨水的大小和流速 ,它們都呈現(xiàn)一種不穩(wěn)定態(tài)的波動(dòng) ,無法預(yù)測。

宇宙射線是 80年前由耶穌會(huì)傳教士特奧多爾 ·沃爾夫 (Theodor Wulf)在巴黎埃菲爾鐵塔進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中被首次發(fā)現(xiàn)。1900—1930年,勇敢的物理學(xué)家們乘坐熱氣球翻山越嶺 ,以求獲得宇宙射線的最佳測量結(jié)果。但宇宙射線的研究在 20世紀(jì) 30年代開始衰落。當(dāng)歐內(nèi)斯特 ·勞倫斯 (ErnestLawrence)發(fā)明了回旋加速器后 ,在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生了能量比大多數(shù)宇宙射線還高的可控光束。例如 ,能量為 1億電子伏特的宇宙射線就像雨滴一般常見 ,它們以每秒每平方英寸 (6.4平方厘米 )的若干速度撞擊地球大氣層。然而 ,勞倫斯的發(fā)明造就了超過該能量 10倍至 100倍的龐大機(jī)器。

幸運(yùn)的是 ,自從沃爾夫首次將電罐 (帶電容器 )放在埃菲爾鐵塔上 ,宇宙射線實(shí)驗(yàn)已發(fā)生了很大的變化?，F(xiàn)在的火箭和衛(wèi)星都能將輻射計(jì)算器發(fā)送至距離地面上空的很高處 ,從而最大限度減小大氣對(duì)計(jì)算的影響。當(dāng)一個(gè)高能量的宇宙射線撞擊大氣時(shí) ,它會(huì)擊碎大氣中的原子 ,從而引發(fā)簇射。然后 ,我們可以靠地面上的一系列探測器進(jìn)行探測。芝加哥大學(xué)與密歇根大學(xué)的合作 ,開創(chuàng)了雄心勃勃的宇宙射線計(jì)劃。1089個(gè)探測器散布在1平方英里 (2.59平方公里 )的巨大沙漠中 ,等待宇宙射線簇射將它們觸發(fā)。這些探測器放置在一個(gè)理想的、孤立的地區(qū) :猶他州鹽湖城西南 80英里 (130公里 )處的達(dá)格韋試驗(yàn)場。

猶他探測器足夠靈敏 ,它們能識(shí)別出一些最有活力的宇宙射線的起源點(diǎn)。今天 ,天鵝座 X-3和武仙座 X-1已被確定為強(qiáng)大的宇宙射線發(fā)射源。它們可能是大型的自旋中子星 ,也可能是黑洞。它們正在慢慢吞噬伴星,形成一個(gè)巨大的能量漩渦 ,并將大量的輻射 (例如質(zhì)子 )噴射到外層 空間。

到目前為止 ,我們探測到的最有活力的宇宙射線的能量為 1020電子伏特。這個(gè)數(shù)字是一個(gè)令人難以置信的能量 ,比超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)可產(chǎn)生的能量還要高 1000萬倍。這個(gè)能量比探索第十維度所需的能量小 1億倍。我們不指望在 20世紀(jì)內(nèi)用我們的機(jī)器產(chǎn)生出接近宇宙射線的能量 ,但我們希望在我們星系內(nèi)黑洞深處產(chǎn)生的能量將接近普朗克能量。有了大型的軌道航天器 ,我們應(yīng)該能夠深入探測這些能源的結(jié)構(gòu) ,并探測到比這更大的能量。

根據(jù)一個(gè)公認(rèn)的理論 ,我們銀河系的最大的能量來源位于銀河系的中(這個(gè)能量遠(yuǎn)大于天鵝座 X-3或武仙座 X-1產(chǎn)生的任何能量)。它由幾心百萬個(gè)黑洞組成。鑒于國會(huì)取消了超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的建設(shè)項(xiàng)目 ,我們認(rèn)為,探索第十維度的最終地點(diǎn)應(yīng)該是在外層空間。

測試無法檢驗(yàn)的事物

從歷史上說 ,物理學(xué)家曾多次鄭重宣布某些現(xiàn)象是 “不可測試的 ”或 “不可證明的 ”。但也有另一種態(tài)度 ,科學(xué)家們可以認(rèn)為普朗克能量難以得到,但我們也許能通過普朗克能量的周邊進(jìn)行間接實(shí)驗(yàn) ,從而做出意料之外的突破。

19世紀(jì) ,一些科學(xué)家宣稱恒星的組成是無法用實(shí)驗(yàn)測量的。1825年,法國哲學(xué)家和社會(huì)評(píng)論家奧古斯特 ·孔德 (AugusteComte)在《哲學(xué)的進(jìn)程》中寫道 ,“恒星距離我們太遙遠(yuǎn) ,我們除了知道恒星是天空中不可達(dá)到的光點(diǎn)外 ,對(duì)它的其他信息一無所知 ”。他認(rèn)為 ,19世紀(jì)乃至以后的任何世紀(jì)的機(jī)器都無法為人類提供足夠大的力量逃出地球并抵達(dá)恒星。

盡管確定恒星是由什么構(gòu)成的 ,似乎超出了科學(xué)的能力。但具有諷刺意味的是 ,幾乎在同一時(shí)間德國物理學(xué)家約瑟夫 ·馮 ·夫瑯和費(fèi) (Joseph vonFraunhofer)卻正在做這件事。他利用棱鏡和分光鏡分離從遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的白光 ,并確定恒星的化學(xué)組成。由于恒星內(nèi)的每一種化學(xué)物質(zhì)都有一種特征性的 “指紋 ”或光譜 ,這讓夫瑯和費(fèi)很容易地將 “不可能 ”變?yōu)榱?“可能 ”———他確定了氫是恒星中最豐富的元素。

這激發(fā)了詩人伊恩 ·D.布什 (IanD.Bush)的寫作靈感 :

一閃一閃小星星 ,

究竟何物現(xiàn)奇景。

我有光譜分析儀 ,

知道原來你是氫。

因此 ,盡管火箭達(dá)到恒星所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了孔德所知道的一切能量 (或者說 ,超過了現(xiàn)代科學(xué)能提供的一切能量 ),但關(guān)鍵的環(huán)節(jié)并不不涉及能量。解決問題的關(guān)鍵在于觀測來自恒星的信號(hào) ,而不在于直接的測量。同理 ,我們希望找到從普朗克能量發(fā)出的信號(hào) (也許來自宇宙射線或者一個(gè)未知源 )來探測第十維度 ,而不是通過巨大的原子加速器進(jìn)行直接測量。

“不可測試的 ”思想的另一個(gè)例子是原子的存在性。19世紀(jì) ,原子假說被證明是理解化學(xué)和熱力學(xué)定律的關(guān)鍵點(diǎn)。然而 ,許多物理學(xué)家拒絕相信原子的存在。他們認(rèn)為原子也許只是一種數(shù)學(xué)手段 ,碰巧 ,它們偶然給出了這個(gè)世界的正確描述。例如 ,哲學(xué)家恩斯特 ·馬赫就不相信原子的存在,他認(rèn)為原子只是一個(gè)計(jì)算工具。(甚至今天 ,鑒于海森堡的測不準(zhǔn)原理,我們?nèi)匀粺o法直接拍攝原子的照片 ,雖然物理學(xué)家現(xiàn)在已掌握了間接的方法。) 1905年,愛因斯坦給出了最有說服力的 “原子具有存在性 ”的間接證據(jù)。他發(fā)現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng) (即灰塵顆粒懸浮在液體中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng) )可以被解釋為 “液體中的微粒和原子間的隨機(jī)碰撞 ”產(chǎn)生的結(jié)果。

同理 ,我們希望找到尚未發(fā)現(xiàn)的間接方法對(duì)第十維度的物理理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。如果不能直接拍攝到我們想要的對(duì)象 ,也許我們能拍攝到其 “影子 ”的照片。用間接的方法仔細(xì)分析從原子加速器得到的低能數(shù)據(jù) ,以判斷是否存在十維物理以某種方式影響了這些數(shù)據(jù)。

物理學(xué)中的第三個(gè) “不可測試的 ”的思想是難以捉摸的中微子的存在。

1930年,物理學(xué)家沃爾夫?qū)?·泡利 (WolfgangPauli)假設(shè)了一個(gè)新的,看不見的粒子 ,并將其稱為中微子。他假設(shè)中微子存在的目的是 ,解釋某些放射性實(shí)驗(yàn)中似乎破壞了物質(zhì)和能量守恒消失的那部分能量。然而,泡利意識(shí)到 ,中微子幾乎不能在實(shí)驗(yàn)中被觀察到。因?yàn)樗麄兣c物質(zhì)的相互作用非常弱且稀少。例如 ,如果我們能建造一個(gè)巨大而堅(jiān)實(shí)的塊鉛 , 從我們的太陽系拉伸出幾光年到半人馬座阿爾法星。我們將它放置在中微子光束的行經(jīng)路徑上 ,其結(jié)果是部分中微子仍會(huì)從塊鉛的另一端穿出來。中微子能穿透地球 ,就好像地球根本不存在一樣。事實(shí)上 ,從太陽發(fā)射出的無數(shù)個(gè)中微子在不停地穿透你的身體 ,即使晚上也是如此。泡利承認(rèn) , “我罪過深重 ,我預(yù)言了一個(gè)不可觀察的粒子的存在 ”。

中微子令人難以捉摸 ,無法被觀察。這激發(fā)了約翰 ·厄普代克寫下一首名叫《宇宙的煩惱》的詩 :

中微子 ,它們非常小。

它們沒有電荷也沒有質(zhì)量 ,

也沒有交互作用。

地球只是一個(gè)糊涂的球。

中微子輕松地穿過地球 ,

就像灰塵落穿過通風(fēng)的大廳 ,

或像光子穿過玻璃板。

它們傲視最緊致的氣體 ,

忽略最堅(jiān)實(shí)的墻壁 ,

輕視鋼和堅(jiān)固的黃銅 ,

蔑視馬廄中的駿馬 ,

不屑種類的障礙 ,

難以置信地滲透你我 !

無痛的斷頭臺(tái) ,

他們會(huì)穿過我們的頭進(jìn)入草地。

晚上 ,他們進(jìn)入尼泊爾 ,

從床的下面刺穿情人和他的姑娘。

太美妙了 ,我什么也感覺不到。

中微子幾乎不與其他物質(zhì)相互作用 ,所以它一直被認(rèn)為是 不“可測試的”。但今天 ,我們時(shí)常在原子加速器中發(fā)現(xiàn)中微子束 ;我們用從核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中微子做實(shí)驗(yàn) ;我們?cè)诰嚯x地面最深處的礦井中檢測到了它們的存在。(事實(shí)上 ,當(dāng)一個(gè)壯觀的超新星在 1987年照亮了南半球的天空時(shí) ,物理學(xué)家注意到一串突然襲來的中微子穿過了他們深埋在礦井中的探測 器。這是中微子探測器首次用于至關(guān)重要的天文測量。)中微子在短短的 3年間,已從 “不可測試的”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要組成。

問題是理論性的,而不是實(shí)驗(yàn)性的

從科學(xué)史的長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看,可能存在一些樂觀的理由。威滕相信,科學(xué)界終將有一天能夠探測到普朗克能量。他說:

哪些是容易的問題,哪些是困難的問題———很難說出。19世紀(jì),為什么水在100攝氏度會(huì)沸騰的問題是無法解決的,也是毫無希望的。如果你告訴19世紀(jì)的物理學(xué)家,到了 20世紀(jì)你就能計(jì)算并解決這個(gè)問題,這聽上去就像一個(gè)童話 ……量子場論太難了,以至于 25年來,沒人能完全相信它。

威滕認(rèn)為,“好主意總會(huì)得到檢驗(yàn)”。

天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓甚至發(fā)出質(zhì)疑,“科學(xué)家認(rèn)為一切事物都應(yīng)接受檢驗(yàn),這或許言過其實(shí)了”。他寫道:“科學(xué)家普遍表示他的信念是基于觀察,而不是理論?！覐奈磁龅綄⑦@一表述付諸實(shí)施的人。……觀察是不夠的 ……理論在確定信念中起著重要作用?！敝Z貝爾獎(jiǎng)獲得者保羅·狄拉克說得更為直白,“方程有美感比方程與實(shí)驗(yàn)相符更加重要。”或者用歐洲核子研究中心物理學(xué)家約翰 ·埃利斯 (JohnElis)的話來說, “幾年前,我打開了一個(gè)糖果包裝紙,里面記錄了這樣一句話:‘只有樂觀主義者才能在這個(gè)世界上有所作為?！液鸵恍岩烧撜咭粯?認(rèn)為我們間接測試十維理論的最好時(shí)間是21世紀(jì)。這是因?yàn)?這個(gè)理論歸根到底是一個(gè)創(chuàng)世理論。因此,如果我們希望檢驗(yàn)它,必然將在我們的實(shí)驗(yàn)室里重新創(chuàng)造一次 ‘大爆炸’”。

就我個(gè)人而言,我不認(rèn)為我們需要等上 100年。我們的加速器、太空探測器、宇宙射線計(jì)數(shù)器,就能足夠強(qiáng)大地間接探測到第十個(gè)維度。也許只需要幾年時(shí)間,在當(dāng)今物理學(xué)家們的有生之年中,某個(gè)聰明的物理學(xué)家能夠通過求解弦場論或通過其他非微擾公式,來證實(shí)或否證十維理論。因此,這個(gè)問題是理論性的,而不是實(shí)驗(yàn)性的。

假設(shè)某個(gè)聰明的物理學(xué)家解決了弦場論 ,并導(dǎo)出了我們宇宙的一些已知性質(zhì)。但仍然存在一個(gè)實(shí)際問題 ———我們什么時(shí)候可以利用超空間理論的威力。有如下兩種可能性 :

1.等到我們的文明掌握了比我們今天能掌握的能量大萬億倍的能量的時(shí)候。

2.遇到已經(jīng)掌握了操縱超空間技藝的地外文明的時(shí)候。

我們回憶一下 ,從法拉第和麥克斯韋的工作到愛迪生和他的合作者實(shí)際掌握電磁力 ,大約經(jīng)歷了 70年的時(shí)間。然而 ,直到今天 ,現(xiàn)代文明的發(fā)展依然在很大程度上依賴于這個(gè)力的運(yùn)用。核力在世紀(jì)之交被發(fā)現(xiàn) ,但 80年過去了 ,我們?nèi)匀粵]有辦法在核聚變反應(yīng)堆中成功地控制它。下一步 ,我們希望掌握并利用統(tǒng)一場論的威力 ,我們的技術(shù)需要有更大的飛躍 ,這或許具有非常重要的意義。

根本性問題在于 ,我們正迫使超弦理論解答關(guān)于日常能量的問題 ,即超弦理論的 “天然歸宿 ”(自然之家 )在于普朗克能量。這個(gè)巨大的能量 ,只有在創(chuàng)世那一時(shí)刻才釋放出來。換句話說 ,超弦理論天生就是一種創(chuàng)世理論。好比籠中的獵豹 ,我們?yōu)榱巳芬筮@個(gè)雄健的動(dòng)物為我們唱歌跳舞。事實(shí)上 ,獵豹真正的 “家 ”是廣袤的非洲平原 ,超弦理論真正的 “家”是創(chuàng)世時(shí)刻。然而 ,如果我們的人造衛(wèi)星技術(shù)足夠先進(jìn) ,或許我們能在太空建造一個(gè)最終的 “實(shí)驗(yàn)室 ”,我們?cè)谀抢镉脤?shí)驗(yàn)探測超弦理論的天然歸宿 ,這就是創(chuàng)世的回聲 !