波粒二象性：物理學的穿山甲

為了解決本領域那些難以對付的矛盾，物理學家煞費苦心地提出各種解釋現實的模型。然而，這些模型越來越令人驚異……

理論物理學正遭遇一種矛盾的困擾。100年前，科學家發現，在亞原子層面，物體既是粒子又是波。這個問題在當時很神秘，而且這種神秘性經久不衰。正像波蘭裔美國心理學家約瑟芬·賈斯特羅于1899年繪制的鴨兔幻覺圖一樣，亞原子世界對我們來說就是兩種不同范疇的存在。

但是，還有一個矛盾在作怪：物理學本身被量子力學和廣義相對論分裂開來。這兩個對立的體系關于我們世界的描述不同，卻神奇地反映著波與粒子之間的這種張力。在物理學界，說到非常巨大和極其微小時，似乎不是一個事情，而是兩個：一方面是量子力學，它將亞原子世界描述為狂蹦亂跳的個體量子的領域；另一方面則是廣義相對論，它將宇宙尺度的事件描繪成時空宏偉莊嚴的舞蹈，平滑流動。廣義相對論就像施特勞斯，深沉、莊重、典雅；量子理論則像爵士樂，不連貫、不完整，摩登得讓人頭暈目眩。

物理學家對物理學這種分裂的性質非常清楚，并且渴望能夠將其融合或統一，這就是所謂“萬物理論”的目標。不過，對非物理學學者來說，這些觀點碰撞的歷史及其產生的種種矛盾，看上去既撲朔迷離，又荒謬可笑。我是一名科學作家，在我的經歷中還沒有見過其他哪門學科會引發如此矛盾的反應。

在弦宇宙學里，目前宇宙的總數超過我們宇宙中粒子總數400多個數量級。

幾個月前，我才搞明白這種分裂性。當時我花了兩個星期的時間，參加了兩場公開討論，一場是和帕薩迪納加州理工學院的一名宇宙學家討論，另一場則是和南卡羅來納大學的一名文學研究員討論。我很欣賞這位宇宙學家的研究，那場討論的話題是“時間”，他剛完成了一本這方面的很精彩的書。物理學家和哲學家一樣，幾個世紀以來一直在拼命研究“時間”這個概念，目前他們已經將時間在數學上鎖定，到了最終理解的邊緣。在他看來，物理學通向無所不包的真理，而且越來越精密。

但那位文學理論家不這么想。他是研究劉易斯·卡羅爾的專家，和我討論的是數學與文學、藝術與科學的關系問題。對他來說，數學是一種令人愉悅的娛樂，是一種值得贊賞和享用的游戲形式，而物理學家有關真理的任何觀點在他眼里都是“胡說八道”。他說，以數學為基礎的科學只不過是“講故事的另一種方式”。

在一些人眼中，物理學是理解現實的終極途徑，另一些人卻認為在對現實的理解上，物理學的重要性與神話、宗教，甚至文學沒有什么差異。因為我在文科和理科領域花費的時間相當，所以遇到了許多這樣的雙重性。我發現自己能夠參與這兩種截然不同的對話，和文科專家在一起就是文科的觀點，與理科專家在一起就是理科的那一套。我們談論的究竟是不是相同的話題呢？

許多物理學家都屬于柏拉圖學派，至少在與外行人談話時總是這樣表白。他們相信自己發現的有關我們這個世界的那些數學關系是某種超級真理，獨立于物理世界而存在，也許還可以說先于物理世界而存在。如果這樣看問題，宇宙是按照數學方式產生的，這個方式就是英國物理學家保羅·戴維斯所說的“宇宙藍圖”。發現這個“方案”是很多理論物理學家的目標，因此，理論框架基礎上的分裂性讓他們感到極其懊惱，就好像宇宙工程師設計了一個惡魔似的謎題，一定要把兩個水火不容的東西套在一起。兩部分都是必需的，缺一不可，因為二者所做出的預測都被證明可以精確到小數點后十幾位。而且，正是因為有了這些理論基礎，我們才能創造出微芯片、激光器和全球定位衛星等奇跡。

除了廣義相對論和量子力學之間的物理張力外，二者還各自提出了一些哲學問題。空間和時間是廣義相對論認為的宇宙基本性質，還是某個更基本的、產生于量子過程的副產品？看看量子力學，最簡單的問題周圍都會有激烈的爭論。是不是每當電子改變在原子內的軌道，或者每當光子穿過一條狹縫時，宇宙就會裂變出幾個副本？有些人說會，有些人則說絕對不會。

理論物理學家對量子理論中著名的波的含義，至今都不能統一意見。是什么在“波動”？這些波是物理現實還是概率分布的數學算式？是“波”引導“粒子”嗎？如果是，如何引導？波粒二象性造成的兩難境地是認識論冰山露出的一個角，已經有許多船只在這里撞沉了。

有些理論物理學家并未因此停步不前，借助于越來越大膽的方法，他們試圖掙脫這些枷鎖。量子理論的“多世界”觀點認為，亞原子層面每發生一次事件，宇宙就會分裂成多個稍微不同的副本，而每一個新的“世界”代表一個可能的結果。

美國物理學家休·埃弗里特1957年首次提出這個想法時，同行們認為它幾近瘋狂。即使20年過后，在我讀物理專業的時候，我的好些教授依舊認為走這條路是有些瘋狂的。然而，近些年來“多世界”觀點已經成為主流。準無限、永增殖的宇宙鏈觀念一旦被弦論家接受，這些觀念就變得更為可信。弦論家認為，弦論方程中每一種可能的數學形式，都對應真實存在的宇宙。他們估計，有10⁵⁰⁰種不同可能。相比之下，物理學家認為我們的宇宙中大約共有10⁸⁰個亞原子粒子。而在弦宇宙學中，現有宇宙的總數超過我們宇宙中粒子總數400多個數量級。

在我們的經驗中，沒有什么能與這個超乎想象的巨大數字相比。理論家認為，在弦論參數范圍內，數學上可描述的每個宇宙，包括像美國弦論家布里安·格林所說的、能抓住自己尾巴的那種宇宙，都會出現在一個巨大的超空間宇宙鏈中。這個鏈超越了我們宇宙的時空泡沫而存在。

這個在認識論上極其大膽的觀點，就是把方程當作基本現實。數學上考慮到極大量的變化，就是極大量現實世界存在的證據。

在這里，我們遭遇的也許不是現實的邊緣，而是物理學家范疇體系的極限。

把方程這樣具體化，在有些人文學者看來就是天真無邪。不過，這樣做至少在現實的數學模型和現實本身之間的關系上引出嚴肅的問題。雖然說物理學史上的很多重要發現是因受到方程的啟發而得到的，像保羅·狄拉克關于反物質的公式就是最著名的例子之一，但是，就算我們不是相對論者，也會對這種觀點表示懷疑：認為現在前進的唯一方式就是接受一望無際的宇宙圖景，里面有各種各樣能夠想象得到的世界歷史，包括中世紀永遠不會結束以及希特勒獲得勝利的世界歷史。endprint