| 这是一本破天荒的书，著名物理学家斯莫林在书中指出作为所有其他科学的基础的物理学迷失了方向。为什么物理学突然陷入了困境？我们能为它做些什么？斯莫林以清晰、热情和权威的文字记述了弦理论的兴起和衰落，并展望了可能取代它的理论。一群年轻的理论家已经开始探索一些激动人心的思想，它们和弦理论不同，是可以用实验来检验的。斯莫林不但告诉我们未来几年该关注哪些人、哪些事，还为找寻新的优秀人才提出了新的解决办法——给我们一个机会，我们总能找到下一个爱因斯坦 |
绪言
致谢
第一篇 未完成的革命
第一章 理论物理学的五大问题
第二章 美的神话
第三章 几何世界
第四章 统一成为科学
第五章 从统一到超统一
第六章 量子引力：岔路
第二篇 弦论简史
第七章 孕育革命
第八章 第一次超弦革命
第九章 第二次革命
第十章 万物之理
第十一章 人类的选择
第十二章 弦理论解释了什么
第三篇 弦论之外
第十三章 真实世界的惊奇
第十四章 站在爱因斯坦肩头
第十五章 弦论后的物理学
第四篇 向经验学习
第十六章 奈何社会学
第十七章 什么是科学
第十八章 预言家和工艺师
第十九章 科学到底是怎么运行的
第二十章 我们能为科学做什么
译后
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物理学的困惑／（美）斯莫林著；李泳译.—长沙：湖
南科学技术出版社，2008.4
(第一推动丛书)
书名原文:The Trouble with Physics
ISBN 978-7-5357-5240-6
I. 物… Ⅱ.①斯…②李… Ⅲ.物理学－普及读物
Ⅳ.O4-49
中国版本图书馆CIP数据核字（2008）第049996号 |
斯莫林，在哈佛大学获物理学博士学位，然后在耶鲁大学和宾夕法尼亚州教书，后来去加拿大帮助建立了圆周理论物理研究所。他的作品有《宇宙的生命》和《通向量子引力的三条路》。
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弦圈之争：基本粒子研究进入战国时代
沈致远
弦代表超弦理论(简称弦论)，圈代表圈量子引力论(简称圈论)。两者均为“万物之理”(theory of everything)之候选者。
万物之本是什么？自古引人遐思。直到19世纪才有实验根据，20世纪步步深入：分子、原子、原子核、核子、电子、夸克……1970年代物理学家根据已知的基本粒子及其三种相互作用力，总结出“标准模型”。这是一个非常成功的理论，为许多实验所证实，有的竟达到百亿分之一精确度！但标准模型有两个缺点：一，其中包含人为设定的几十个参数，不知其所以然；二，虽然在四种作用力中已将电磁力、弱力、强力统一起来，引力却顽固地拒绝统一。引力顽固其来有自，爱因斯坦吃过它苦头。完成广义相对论后，他致力于统一引力和电磁力，穷后半生之力以失败告终。
物理学家深信天道归一：四种力是统一的，在夸克和电子等基本粒子后面肯定有更基本的东西。于是兵分两路向万物之本进军。
一路是弦论的大兵团，人强马壮声势浩大。经过1984年和1995年两次“超弦革命”，聚集了号称“全世界最聪明”的物理学家和数学家逾千人，发表论文以万计！弦论认为：万物之本是极其微小(普朗克长度10-35米)的弦(string)，在9维空间中飞快地振动。现实空间只有前后、左右、上下3维，这难不倒弦论者，他们认为多出的6维空间卷曲成极其微小的拓扑结构，隐藏起来了。弦不同的振动式样相当于不同的粒子。一言以蔽之：万物皆弦。
另一路是游兵散勇，除圈(loop)论外，还有旋子(spinor)、扭子(twistor)及非互易几何(non-commutative geometry)诸论。圈论比较像样，从事者也仅数百人。圈论由宾州州立大学阿什特卡(A.Arshtekar)于1980年代提出。此人就是在2001年“七棵松会议”上讨论“时间是什么？”时，当场背诵老子《道德经》“此二者同出而异名/同谓之玄/玄之又玄/众妙之门”的那位教授[1]。圈论将广义相对论量子化：空间以普朗克长度分割为许多单元，物理现象由这些单元之间的联络决定。圈论认为粒子是空间的拓扑形体。一言以蔽之：万物皆形。
早期在研究核子强相互作用时发现，将粒子当作弦可以解释一些物理现象，但存在超光速粒子等问题，故而未引起主流物理学家注意。随后标准模型的“量子色动力学”对强相互作用作出令人满意的处理，弦论失去用武之地。1984年，施瓦茨(J.Schwarz)、格林(M.Green)和萨斯坎德(L.Susskind)等人解决了存在问题，并发现弦论中自动出现引力子。这非同小可！自爱因斯坦以降，多少人试图将引力纳入基本理论未成，这次不请自来，说明弦论可能有更深的含义。物理学家看到苗头蜂拥而至，此为“第一次革命”。弦论从冷门一变而为显学，不久又出现新问题：弦论有五种不同版本，不知何所从。
1995年，威滕(E.Witten)在洛杉矶集会上提出“M理论”：9维空间的五种弦论在10维空间中是等价的，除弦以外还有膜(brane)等。于是人心大振，声势空前高涨，此为“第二次革命”。威滕说M可代表膜、魔术、神秘、朦胧……随你高兴。
第二次革命后又十几年过去了，弦论基本方程仍付阙如，其可能方案竟然有10500之多，相应于10500个不同的宇宙！批评者讥讽说：弦论从万物之理变为“任意之理”(theory of anything)，无论什么实验也无法推翻它，弦论者总可以像变戏法那样变出一个理论使之与实验符合。无法证伪，就不是科学。
弦论从量子论出发向广义相对论靠拢，圈论从广义相对论出发向量子论逼近。出发点不同，探索之途径也大异其趣：弦论依赖于背景，需要有特定的时间空间(时空)作背景，好比演员只能在特定的舞台上演出；圈论不依赖于背景，时空会自行出现，好比演员自己搭台演出。后者在原则上有其优越性。
20多年来，弦论和圈论等各自发展。最近风云突变，圈论者推出两本书。一本是《物理学之困境》[2]，作者斯莫林(L.Smolin)是哈佛大学物理学博士，从事弦论研究多年，后改弦易辙做圈论。他反戈一击：弦论没有实验证明，连实验方案都提不出来，这一击正中要害。另一本是《甚至称不上错》[3]，作者沃伊特(P.Woit)是普林斯顿大学物理学博士，现任哥伦比亚大学数学系讲师。书名就竭尽讥讽之能事：弦论根本不是理论，连错都不够格！
批评弦论不自今日始，不乏大师级人物。诺贝尔物理学奖获得者费恩曼(R.Feynman)说过重话：“弦论者提不出实验，只会找借口。”英国著名科学家彭罗斯(R.Penrose)在近作《现实之路》中，也对弦论进行鞭辟入里的批评[4]。2004年诺贝尔物理学奖获得者、威滕的导师格罗斯(D.Gross)曾是弦论的热烈支持者，最近在一次集会上说：“我们不知道自己在说什么！”
两本书的出版引起了公众的注意。著名弦论学者、哥伦比亚大学教授格林(B.Greene)在2006年10月20日《纽约时报》以长文进行反驳，题为“弦上的宇宙：不要放弃最有希望的物理学理论”。其主要论点是：弦论继承爱因斯坦未竟之遗志，已积累了丰富的经验，建立起美丽而严密的数学体系，是统一四种力的最有希望的理论。格林承认缺乏实验证据是严重问题，他寄希望于将在2008年开始运行的欧洲大型强子对撞机(LHC)或许能作出支持弦论的实验结果。他对“弦论20多年未出成果”的批评嗤之以鼻，骂道：“愚蠢！”平心而论未可厚非，科学史上难题有数百年未解的，“费马大理”（Fermat’s Last Theo-rem）历经350余年才得到证明，何况目标是“万物之理”，如轻易到手反倒是很奇怪的。
弦论的大问题是实验验证，弦的尺度是10－35米，以实验直接验证，所需粒子加速器比银河系还大！弦论提出的一些间接实验方案至今无一成功。个别弦论者甚至宣称：伽利略开创以实验为根据的时代已经结束，弦论只需要数学美就够了。他们忘记了物理学是实证科学，没有实验支持，理论再美只是镜花水月。
说从事弦论者全是“最聪明的人”显然夸大，但其中不乏佼佼者。弦论“教主”威滕就是罕见的天才。父亲是物理学家，他从小耳濡目染，性格非常独立，入大学本科主修历史，副修语言学，读研究生开始是经济学。威滕缺乏物理学本科基本训练直接读研究生，不久就脱颖而出，发表几篇重要论文。他获得普林斯顿大学博士学位后为哈佛大学延聘，29岁当上正教授。后来又回到普林斯顿，哈佛认为未能留住他是最大错误。威滕已发表论文300多篇，主导弦论第二次革命，获得数学最高奖——菲尔兹奖。“教主”一言九鼎，弦论学者唯马首是瞻，只要他略为提示方向，就有许多人跟进发表大量论文。这次批评弦论者尽管言辞激烈，对威滕还是相当尊重的。
弦圈之争方兴未艾，半路杀出“程咬金”。澳洲一位名不见经传的博士后比尔森·汤普森(S.Bilson-Thompson)在网上发表论文[5]，他在萨拉姆(A.Salam)等人的基础上提出：夸克和电子等均为由三股先子(preon)梳成的“辫子”，其拓扑性质决定粒子的特性：扭转(twist)代表电荷，交叠(cross)代表质量等其他特性。如此简单的模型居然能用统一的几何观点，将标准模型第一代15个粒子及其相互作用解释得清清楚楚。圈论主将斯莫林发现后，兴奋得“又蹦又跳”，马上将之收编到他所在的“周界理论物理研究所”。两人和马科普洛(F.Markopoulou)一起发表第二篇论文[6]，将“辫子”简化为圈。原先圈论侧重于引力量子化，对其余三种力及基本粒子着墨不多，比尔森·汤普森带了一大群基本粒子入盟，使圈论有希望实现爱因斯坦之梦——对宇宙万物作几何解释。但弦论者不以为然，认为这只是刚起步，还要走着瞧。
最近，我对两位作者进行专访。我问斯莫林：圈论和弦论有无共同之处？他说：“有！圈论可以帮助弦论成为不依赖于背景的理论。”我说：弦论发展出许多数学工具，圈论可以借鉴。他表示同意。我又问：圈论的3维空间和弦论的多维空间是否相容？他说：“圈论并不排斥多维空间。”我再问：圈论有没有提出可行的实验？他说：“有！圈论预言光子速度随其能量增大而变慢，可由天文观察检验。”
我问沃伊特：你对格林的反批评有何评论？他说：“格林会错了意，斯莫林和我都没有要求放弃弦论，只是主张给圈论等以一席之地。”弦论者常用一句话堵批评者之口：“It is the only game in town.（这是镇上唯一的游戏） ”公然无视其他理论的存在，这种霸道对科学发展有害。我说：你在书中批评弦论有10500个不同版本。这说明弦论缺乏选择规则，有朝一日发现选择规则，不同版本定于一尊，可能吗？他说：“从历史看，弦论发展趋势是版本不断增加，这种可能性不大。”我说：科学史上的重大突破有些出乎意料之外：19世纪末，谁也没有预料到量子力学的出现；20世纪初，如爱因斯坦未提出狭义相对论，别人也会提出，但广义相对论没有人料到。沃伊特说：“是的！你说的可能性不能排除。”我说：如“万物之理”确实存在，其生母可能是弦论、圈论，或者现在还不知道的什么论，很可能是诸论之杂交。
我问两人对今后发展的预测，他们认为理论物理学界都在等待，殷切企盼LHC开始运行后，能给出新的实验结果为粒子物理学指明方向。最后沃伊特加了一句：“如LHC未发现新结果，就不知道该怎么办了。”
学派之间互相批评本为正常，可以互相砥砺，有益于科学的发展。但这次的争论有所不同，除学术歧见外，还有社会因素。弦论是显学，占据一流大学物理系要津，几乎囊括了有关的研究经费。圈论等缺乏研究经费，年轻的粒子物理学家如不做弦论，求职非常困难，资深的也难成为终身教授。长期当“小媳妇”受够了，蓄之既久其发亦勃，恐怕不是格林一篇文章就能平息的。
弦圈之争公开化，意味着基本粒子研究进入战国时代，群雄并起百家争鸣当可预期。这是大好事，科学从来就是在不断挑战和竞争中发展的。斯莫林提出识者(seer)和跟随者(follower)之别，跟随者充斥物理学界，他们“萧规曹随”大量制造论文，按部就班就能升迁；识者极少，在大学中一职难求。斯莫林大声疾呼：物理学突破需要识者。我对他说：此论一针见血！其实不限于物理学，如无高瞻远瞩能见人所未见之识者，任何学科都会沉沦。
[1] 沈致远. 七棵松会议花絮——时间是什么//科学是美丽的. 上海：上海教育出版社，2002.
[2] Smolin L. The Trouble with Physics. Boston New York: Hopughton Mifflin Company, 2006.
[3] Woit P. Not Even Wrong. New York: Basic Books, 2006.
[4] Penrose R. The Road to Reality. New York: Vintage Books, 2004.
[5] Bilson-Thompson S O. A Topological Model of Composite Preons, hep-ph/0503213, and preprint for Elsevier Science, May 19, 2006.
[6] Bilson-Thompson S O, Markopoulou F, Smolin L. Quantum Gravity and the Standard Model. hep-th/0603022.
[7] 沈致远. 求诸野. 文汇报·笔会，2003-8-13.
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