本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
弦可以是宇宙的終極組成部分嗎?——比物質或能量更基本,甚至比空間或時間更基本?如果它們不是由物質或能量構成,那麼它們又是什麼呢?
如果您想在寧靜的星期六下午找些輕鬆的消遣,這裡有一個主意:與我的《大眾科學》網路部落格同行喬治·穆瑟和約翰·霍根一起思考這些終極問題——關於生命、自然、宇宙和一切——觀看他們昨晚在Bloggingheads.tv進行的辯論。
喬治和約翰是一對特別引人注目的組合,因為他們的性格幾乎截然相反。喬治是毫不掩飾的樂觀主義者,在最後他表示相信科學最終會發現關於萬物的終極簡單定律,這會讓每個人都拍拍腦門,說:“我怎麼沒想到呢?”
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
另一方面,約翰幾十年來一直將自己塑造成科學新聞界的“老頑固”,嘲諷科學的文化特性,並在他1997年的著作科學的終結:面對科學時代的暮光中知識的侷限性(以及為《大眾科學》撰寫的眾多文章,他曾是那裡的資深撰稿人)中基本上宣佈遊戲結束。
然而,他們兩人的推理都比那些簡單的描述所暗示的更加細緻和微妙,正如他們在長達一個多小時的討論中所展示的那樣,討論交織著基礎物理學的宏大主題:弦理論、多重宇宙、宇宙暴脹和人擇原理——甚至包括科學本身是什麼的問題。
我發現最有趣的部分是在開始的時候,約翰對弦——那些無限細小且令人沮喪的神秘環,我們的許多讀者要麼又愛又恨,要麼愛之深恨之切——不是由物質或能量構成這一觀點提出了異議。
相反,一些物理學家說,弦將在某種程度上佔據更深層次的現實。是物質和能量是由弦構成的,而不是反過來。同樣,約翰感嘆道,一些物理學家認為弦不存在於空間或時間中,而是空間和時間本身可能由弦構成。
約翰說:“我的問題是,‘那麼弦是什麼?如果它不是可以位於空間和時間中的東西,如果它不是由物質或能量構成的,那麼它到底是什麼?它是一種純粹的數學形式嗎?’”
(數學?我現在開始感興趣了,我對自己說。)
喬治的回答:我們不要操之過急。“談論弦可能由什麼構成可能為時過早,因為談論弦本身已經是一個很大的飛躍。”
但我懷疑約翰的反對更多的是哲學性質的。它觸及了實在論和現象論之間長期以來的爭論的核心,自從阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾爭論量子力學的含義以來,物理學家一直存在這種分歧。簡單來說,可以將這種張力追溯到古希臘的哲學家,從巴門尼德和赫拉克利特開始。
伊曼努爾·康德另一方面指出,科學無法觸及實在的終極本質——本體(或“自在之物”)。我們的眼睛和耳朵,或者我們最精密的科學儀器,只能探測到現象,而不是本體。
在這種觀點中,科學理論不能說明終極組成部分是什麼:只能說明它們按照某些數學規則的預測行為。因此,只要我們能夠透過實驗驗證弦的行為方式與理論弦的行為方式相同,那麼弦是由什麼構成的這個問題就無關緊要。
而理論弦是幾何物件;在現代幾何學中——我所說的現代幾何學是指自卡爾·弗里德里希·高斯,1777-1855,和喬治·伯恩哈德·黎曼,1826-1866以來——幾何物件可以被內在地定義,也就是說,不必將它們視為佔據更大的“空間”。
但正如約翰指出的那樣,弦可能永遠超出科學的範圍。他的反對意見是,弦太小了,無法用任何可以想象的實驗探測到。
喬治(他是弦理論完全傻瓜指南的作者)有一個很好的回答:這種微小性並非弦所特有。任何統一所有自然力的理論都必須包含引力。但與其它力相比,引力非常弱,這意味著探測其量子行為需要用完全超出我們能力範圍的能量進行實驗。對引力量子理論的任何檢驗“都將是間接的,而且沒有一項是決定性的。”
關於關注現象與本體,讓我著迷的一件事是,在我看來,在非常不同的哲學層面上,它與數學的形式結構完美地平行。現代數學完全植根於集合論,從某種意義上說,任何數學物件和構造都可以從集合開始定義。但在我所見過的任何集合論描述中,你永遠不會說集合最終是由什麼構成的。從來沒有一個集合包含任何東西,除了其他集合。