道-弦-場對偶性研究

李賢彬 李后強

〔摘要〕 本文在綜述道、弦、場理論發端相關文獻的基礎上，重點闡述了道、弦、場作為本體論的基本單元特征，及其對物質世界構成要素理論的重要貢獻。運用對偶性分析原理，分析了道-弦、道-場、道-弦-場之對偶性特征，得出了道學原理較早地預示與啟發了現代物理學相關理論體系的基本結論，為刻畫物質世界的大一統理論提供了基本思想要素。

〔關鍵詞〕 道，弦，場，對偶性

〔中圖分類號〕B223.1 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1000-4769（2020）02-0158-06

一、引言

一切事物因其內在本質之間存在相互關聯，相互關聯的本質形成事物之間的統一性，那么對于人類可以感知到的所有現象都應該是某個基本統一體的外在表現。單個事物就是構成宇宙整體的既相互依賴又不可分割的一部分，是同一終極實在的不同表現載體，它表現在一切事物之中，一切事物都是它的部分，這一終極實在就是“道”“弦”“場”。

老子所著《道德經》是全人類公認的千古名篇。“道可道，非常道”。究竟什么是“道”呢？學界努力探索，論爭時間跨度長范圍廣，但長期無公認權威解答。作家冰心在“巴金這個人……”一文中以“淡交如水，大道若弦”來描述她與巴金之間真誠親密純樸的友誼。大道無形，在《道德經》德篇之“中和”一章中有“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的經典表述。道學的中心思想認為“道”是事物發展運行的規律，是世界的起源。隨著現代自然科學的快速發展，人們對物質世界的認識更加深刻和細致，特別是統一場、超弦理論的相繼誕生，為學界破解“道”謎提供了依據與指南。我們認為，“道”有類別品種與高低層次之分，既有物道、人道、事道，或者天道、地道、人道之分，更有宏觀道、中觀道、微觀道之別。比如，物道就是道路，人道就是道德，事道就是道理等。從高低層次而言“道”有本體、認識、境界三層意義。“道”的本質是弦，就是組成宇宙世界的“超弦”，是宇宙的起點，不同振蕩頻率與幅度的弦構成不同類別的物質。“道”的形式是場，就是構成宇宙世界的統一場，包括電磁場、引力場、量子場等，宇宙四種力統一在場中就構成了愛因斯坦探索并建立的統一場。2017年人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，進一步證實了統一場的正確性與完備性。場，既是能量分布，又是相互作用，主要是非線性耦合作用，呈現最為簡單的對立統一規律。由非線性可以產生復雜性，多樣性，世界就豐富多彩。簡單講，“道”的本質是弦，“道”的形式是場。弦與場，亦呈現為某種形式的二象性，類似波粒二象性，可稱為“弦場二象性”，這就是千古之謎的謎底所在：“道”。日常生活中，人們有時談“道”的內容，有時論“道”的形式，加之內容與形式多樣、層出不窮，且可以相互轉化（弦場轉化），因此這就增加了人們對“道”認識的難度與維度。

就道是弦場的論述而言，有必要深刻分析道、弦、場作為客觀世界基本構成要素的本質特性，亦即開展道、弦、場的對偶性研究。

賽德勒認為“對偶性的概念不論在數學還是物理學中都是極其重要的”。對偶性在哲學上通常稱為二元性、雙重性，在數學與物理學中通常稱為二象性，因弦論中對偶性的再次發現而進一步印證了對偶性的重要性。

現代數學理論體系中，對偶性作為一種普遍的原則，總是與變換或操作概念相關聯，一個理論或結構體系與另一個理論或結構體系一一對應，彼此互為對偶，雖然互不相同，但密切相關。隨著現代數學與物理學體系結構的逐漸完善，對偶性扮演著越來越重要的角色，在理論物理學高度數學化的演化趨勢之下，對偶性在物理學和數學中密切相關的結構體系之間建立了一種強關聯，為物理學不同體系結構的統一提供了有效的方法論基礎。

對擁有不同種類的理論客體、不同維度的時空描述、不同參數的拓撲結構的兩種理論，表面上看各自遵循著完全不同的理論形式或描述，而實質上卻導致了相同的物理學內核，這兩種理論所擁有的這一性質就被稱為對偶性。所謂相同的物理學，特指相同的振幅、期望值、可觀察譜等經驗上的可測物理量。亦即可將對偶性理解為一種特殊的對稱，用于連接不同理論或同一理論中不同的量（自對偶）。

對偶性的核心特征包括：可以連接兩種完全不同的理論，對偶量（理論）具有完全不同的物理意義，對偶量（理論）之間是互補而非競爭的，對偶計算得到的是精確解而非近似解。

本文根據對偶性的定義與核心特征，系統化地分析道-弦、弦-場、道-場的對偶性特征，進而整合分析道弦場的整體對偶性，為揭示世界的本原提供方法論基礎。

二、文獻綜述

本文研究的道指道學范圍內的道，是指中國傳統文化中以老子的道的學說為理論基礎形成的學術系統，老子為道學之宗，老子的《道德經》為道學的理論支柱和基本經典。①

道學發展史大致經過了五個階段，其一是先秦的老莊學，《老子》一書問世標志著道家學派的形成，其二是秦漢的黃老學，稷下黃老學派因時制宜、援法入道，道學思想結集為《管子》一書，形成道家內圣外王之學，其三是魏晉的玄學，這一時期玄學的各類代表人物分別從不同角度通過注釋“三玄”（《周易》《老子》《莊子》）以發揮玄學思想，以期達到調和自然與名教或儒道之關系的目的，其四是隋唐的重玄學，從多重視角發展了老莊哲學中心學的層次，在隋唐佛學的背景下將魏晉玄學導入道教心性學之路，作為理論根基促進了五代元丹學的興起，五是宋元及以后的內丹心性學，哲學本體論的思辨向純粹的心性修煉和心理體驗轉型的過程中，形成了道家的內丹生命哲學。

道與現代科學之間的關聯研究從20世紀末、21世紀初開始逐漸豐富，與科學哲學、東方神秘主義與現代物理學的相關概念形式逐漸實現耦合。

1996年公木等從本體論思想、宇宙論思想、物相論思想等方面闡述了道學的自然哲學內涵。②1999年卡普拉出版的專著對近代物理學的概念與東方哲學和宗教傳統中的基本思想之間的聯系進行了探索，其中有專門章節就道家思想與統一場思想的關聯性進行論述。③1999年美國學者格林出版了全球第一本系統講述弦理論的科普讀物。④2000年王勁松就現代物理學與先秦道家思想之間的趨同性進行了研究，該文認為，現代物理學與先秦道家之間在超越常識、超越語言、物質生成觀、時空觀以及物質間存在的隱秘聯系等四個方面存在驚人的趨同性。⑤2006年羅發海等出版了道與現代物理學的專著，系統闡述了道與計算物理學、混沌學、量子力學、亞核粒子學、統一場等物理學理論之間的內在關聯性。⑥2008年吳東好研究了道家哲學對現代物理學的相關啟示，該文從方法論意義及物質觀、時空觀方面進行了比較。⑦2010年古布澤的專著就弦論作為萬有理論的發展進行了闡述，對弦論中的額外維度、量子漲落與黑洞的相互關聯進行了預言。⑧

2013年謝清果出版的專著對道家探索宇宙自然、社會和自我身心過程中所萌發、積淀的思想依據與思想方法進行了深入探討。⑨2013年戴維德在專著中用哲學的方法為“弦論是否是客觀實在還是玩具模型？”進行辯護，提出用貝葉斯主義的概率方法來評價弦論的真實性，并提出了三種非實證性論證：無替代性選擇論證、意外的解釋性融貫論證、源于研究進程中其他理論成功的元歸納論證。⑩2013年大栗博司的專著就量子物理基礎、弦理論到超弦理論的最新發展、超弦理論的理論原理及其證明進行了講解，并在超弦理論下重新思考與探索了時空概念。該書認為，超弦理論是繼牛頓力學、愛因斯坦相對論之后，時空概念的第三次革命。2014年沈健等就弦論思想的演化進行了考證與分析，對弦論發展的四個階段進行了厘清，就弦論發展每一個階段的主要觀點進行了闡釋。該文認為弦論是尋求科學大統一最有前途的方法，借助于各種膜概念，弦論可以很好地解釋黑洞和宇宙學中的各種問題。

2016年高策等基于對稱性論述了物理學之本體、認識與方法三者之間的關系，該文認為伴隨著物理學的發展和對稱性研究的深化，物理學的本體、認知與方法三者逐漸交融，到超弦理論中三者幾近融為一體，對稱性正好處于三者融合之處。2017年李后強等以自然界的統一場理論、西方的共同體思想、中國古代的共同體思想、馬克思主義的共同體思想為基礎論述了新時代人類命運共同體的統一性特征。2017年蓋建民就道教之道與科學之道進行了創新論述，從探索自然的思維方法與思維模式上闡釋了道教的科學之道。2017年沈致遠就統一場理論進行了回顧并給出了統一場理論的新版本，該文認為統一場必須從根本上消除廣義相對論與量子場論兩大支柱之間的不相容，才能實現物理學的大統一。

2018年高策等就物理學中對偶性的本體論內涵及其意義進行了研究，該文對數學、物理學中應用最為廣泛的幾種對偶性給出了說明，分析了對偶性的基本本體論內涵，闡述了對偶性與對稱性、規范對稱的異同。2019年高策等提出了“后真相時代的科學哲學”這一新概念，對科學分界問題、范式問題與研究綱領問題進行了初步探討，認為在弦論、圈量子引力為代表的量子革命背景下，傳統的時空、物質觀的概念內涵發生了深刻變化 。

三、道弦場對偶性分析

道學是中國傳統文化的代表，是一個具有多層次、多角度、多結構的信息系統，是一個產生天地萬物的實存性本體。弦是構成自然界各種物質的基本單元，是最有希望將自然界的基本粒子與四種相互作用力統一起來的候選理論。場是指物體在空間中的分布情況，亦是一個以時空為變量的物理量，更是物質存在的空間。因此，雖然道、弦、場具備不同的外在表現形式，但其內在存在著本體論的基本構成要素的含義，與對偶性研究的對象形成嚴格的自洽。

（一）道與弦的對偶性分析

“道”是宇宙的本原，自虛無感生妙一，妙一衍化為三元，第一混洞太無元，第二赤混太無元，第三冥寂玄通元。由三元變化為始、元、玄三氣，再由三氣化生萬物。

中國古代思想家認為一切事物都統一在“道”中，“道”的主要特點就是事物無休止的自發運動與循環性變化，“陰”和“陽”是循環性變化場的兩極，“道”的所有表現形式都是“陰與陽”這兩種對立面相互作用的結果。

在宇宙大爆炸前，道化生出先天混沌一氣，繼而分出陰陽二性，“道”的一切表現形式都由“陰陽”這兩極力量能動地相互作用產生。在有象、有精、有信、有物基礎上，道于不同領域與層次化生出有氣、有形、有質之物，對應于物理學語言而言，就是含有能量、信息、物質三大要素。在宇宙大爆炸中由信息、能量、物質組成萬物紛紜、生機勃勃的世界，這就是“三生萬物”的過程。

“道”就是宇宙“弦”的認識，道是起源，是原點，是無形，從物質結構，基本粒子，弦論，波粒二象性，質能轉換E=mc2等視角解析了宇宙世界。弦理論是由美國芝加哥大學的南部陽一郎和日本大學的后藤鐵男提出的，他們認為基本粒子不是“點”，而是具有一定空間延展振動的“弦”，由此能夠清晰地破解基本粒子的構成謎題。弦理論認為所有的基本粒子都是由某種特定的弦組成的，以不同頻率與幅度振動的弦呈現為光子或電子等基本粒子。弦非常渺小，只具有一維空間尺度。弦理論認為弦已經不可再分割了，是組成自然界中萬物的最基本單元。基本粒子的弦也有各種各樣的振動狀態，不同的振動狀態對應了種類不同的粒子。

通過構造一維延展的弦來取代粒子模型，弦理論認為組成所有物質的最基本單位是尺度為10-35米的“能量弦線”，基于能量弦線的拓撲形狀及其動力學結構以區分不同的弦，以此刻畫不同的基本粒子，而一種基本粒子到另一種基本粒子的嬗變亦可通過弦的振動模式的改變來加以刻畫。

弦理論將引力、電磁、弱、強相互作用統一在一個簡單的框架之中，進而可構建一個大統一的理論。弦能夠用來描述的物質大到宇宙星體、小到夸克，在橫跨1042米的尺度范圍內所有可見的物質構成及其間的相互作用都能夠加以刻畫，并且對于宇宙的起源、黑洞、暗物質等終極之問及不可見的物質也將能夠得到圓滿解釋。

道的理論或結構體系與弦的理論或結構體系一一對應，道與弦的變換或操作相互關聯。因此，就物質基本結構而言，道與弦互為對偶。

（二）道與場的對偶性分析

古代東方哲學認為“空”“無”或“道”是產生一切有形實體的基礎。中國哲學中的“道”所表達的思想，與近代物理學中的場極為相似。場是連續的，在空間中無處不在，同時它又是不連續和具有粒子性的。場是物理實體的基本單元，可以在不涉及有形物體的情況下抽象出場這一基本單元來加以研究。

凡是有質量的物體就會有引力場的存在，這種場的表現形式就是物體周圍的空間將發生彎曲。場就是彎曲的空間，二者是無法區分的。

在物理學家用量子場對亞原子世界所作解釋背后的直覺，卻與道家的直覺十分相似，道家用潛在的終極實在來解釋自己對世界的體驗。不同的場均可統一為單一的基本場，這種基本場能將所有的物理現象都包括在內。“道”與“弦”一樣，或許都可以被看作是終極的統一場。

從概念的角度看，“道”與近代物理學中的量子場極為驚人地相似，和量子場一樣，“道”也被看作是一種結構微妙但不可感知的物質形式，它存在于整個空間中，并且能聚集成致密的有形物體。

“場”這一概念是為了解釋場力而定義的。例如，傳遞磁力的場叫作“磁場”，傳遞電力的場叫作“電場”。物理學的定義認為，“場”是空間各點的值（力的大小和方向）決定的。

“道”就是統一場的認識。“統一場”主要特點：宇宙物質世界統一性，各種場的統一，四種基本力的統一，楊米方程等。總體可以分為經典場、量子場。前者是確定性地滿足牛頓力學原理，后者是隨機性地滿足統計學原理。世界分為物質與精神、有形與無形兩大部分，“道”是物質場，但肉眼看不見（如電磁場），道家強調自然性、物質性。“道”的精神場（如道德），是物質的延伸與類推。規范場、量子場、電磁場、引力場、生物場等，都是物質場，道德、紀律、法律是物質場的延伸，是精神場。把權力關進制度的籠子，就是關進規范場，納入制度體系中。

根據量子場論的觀點推演，組成物質世界的每一種粒子都是真空的“激發態”。所謂“真空”猶如狄拉克所描述的特殊區域，這一區域中所有負能態都被占據、所有正能態都未被占據，其并非空無一物，而是處于基態的量子場。處于不斷振蕩之中的基態量子場，即“真空零點振蕩”，這種振動能量會隨著量子場體積的變化而變化。基態量子場之間的相互作用而導致各種虛粒子的產生、湮滅與相互轉化，這一轉化過程被稱為“真空漲落”。基態量子場之間的相互作用還將導致粒子束縛態或集體激發態的相干凝聚，這種凝聚現象被稱為“真空凝聚”。真空量子場的激發態的表現形式就是粒子，粒子與真空的關系也如道學中的“有”與“無”之間的關系。粒子即所謂“有”由基態真空的“無”激發而產生，最后又復歸于基態即“無”，也就是所謂的“有創生于無，又復歸于無”。因此可知，激發態與基態都是量子場的不同形態，因而“有”與“無”雖然名稱不相同但均出自量子場。處于不斷運動變化之中的量子場，將產生大量的虛粒子，使得整個亞微觀世界處于一種無法描述的混沌狀態，這一混沌狀態的演化促進了有形物質世界的產生。所以，量子場論對真空也即基態量子場的描述，與老子對“道”所做的描述是極其相似的，雖然量子場論還沒有完全揭開亞微觀世界的所有秘密，而且僅憑它與道家對世界本原描述上的相似性還無法確認“道”是否就是“基態量子場”，但無論如何，兩者結構體系上所表現出的驚人吻合度值得深入研究。

美國物理學家卡普拉認為， 現代物理學中“場”與“道”的概念十分相似，且“道”的概念與原理對于當代化學、物理學、宇宙學、人體生命科學的深入探究等都具有借鑒意義。道教對于老莊之“道”的詮釋做了許多創造性的發展，豐富了“道”的內容。可惜的是，當代科學家只注意到道家之道，而道教所演化發展的“道”尚未被當代科學所充分開發運用。相信不遠的將來科學家可以從道教中挖掘出更多的寶藏，以帶給當代科學新的財富。所以，對道家哲學與現代物理學內涵結構共性的探討，將是人類思想、文化、科學和技術不斷發展、前進的必然結果。因此，就物質基本結構而言，道與場互為對偶。

（三）道-弦-場對偶整合分析

以弦和場為代表的近代物理學遠遠超出了當期的技術或實驗驗證能力，是典型的思想實驗研究的成果。卡普拉曾說過“物理學的道路或曰“道”，乃是一條具有情感的道路，一條通向精神知識和自我實現的道路。” 統一場通稱萬物之理，實際上是現代版萬物之理。弦論主張萬物皆弦，弦代表基本粒子，弦的振動模式決定基本粒子的質量，各種弦相互轉化代表粒子間的相互作用。

對偶性首先超越了經驗主義，理論的建構不是單純在經驗的約束下形成的，更受到邏輯必然性的約束。對偶性超越了非充分決定性論題，揭示了一種更深層的等價性，這些相同的可觀測量，背后是一個必然性的邏輯后果。對偶性也超越了傳統的科學實在論，暗示不同的理論本身可能只是同一實在的不同表現，理論之間本質上是互補關系，而不是不斷還原的過程。

本體論對世界的本原及宇宙的探索無止境，道、弦、場的對偶性研究具備現實與歷史的必要性，綜合分析可知，中國古代道家對世界本源的認識具備極強科學性，現代科學的發展為考察世界本源帶來了多種創新手段與方法，通過對偶性分析發現，道、弦、場對世界本源的論述有著結構與實證的共同性，即對偶性。

“道”就是發展變化規律的認識。萬物歸一，各種現象都是統一的，起源相同，就是弦，運動方式是場，遵循不同規律。道德是內心的規則，道路是行走的規則，道理是辦事的規則，這是微觀規則，社會發展規律、經濟規律、自然規律是宏觀規則，都是場的作用和表現。可見，“道”就是規則、規范、規律，只能在一定區間內活動。黨紀、國法、家規、家訓，本質都是道。習近平總書記的“人類命運共同體”“經濟共同體”就是統一場思想。

四、結論與討論

李約瑟認為“在某種意義上講，道家的全部思想是一種力場的思想”。道是萬物之宗，是支配物質世界或現實事物運動變化的普遍規律。因此，道是一個本體論范疇，含有本體論的意義，即道是一個產生天地萬物的實在性本體。現代物理學的場論與弦理論亦以揭示世界的本原為其理論的發端，場論與弦理論統一了大與小的定律，大到統領宇宙的盡頭，小到深入物質的核心。人類對本體論、世界的本原及宇宙的探索無止境，通過道-弦-場的對偶性探究或許會對這一探究過程帶來方法論的提示。

（一）中國古代道家對世界本源的認識具備極強科學性

中國歷代道家運用其對自然的長期觀察與思考，逐步形成了仰觀俯察、觀變察機、參驗、勤求試之、析理入微、由易及難、原始反終的科學思維方法與思維方式，聚焦于世界本源的認識論中，具象為道乃萬有的源頭，萬物由道之門而出、由天地之根而長，道陪伴著萬物的始終。這一本原論的認識后被現代科學逐步驗證，體現出超前與極強的科學性。

（二）現代科學的發展為考察世界本源帶來了多種創新手段與方法

現代科學特別是現代物理學的發展動力首先來源于為探索一切事物的本質所做的努力。對物質是由不可分割的原子還是由一種潛在的連續體組成的這一問題推動，場論或量子場論閃亮登場，場既表現為在空間中無處不在的一種連續體，又呈現出不連續的“顆粒狀”結構。還原論思想體系下關于物質基本結構單元的探索遇到了前所未有的困難，原子物理學、亞原子物理學的理論推演表明，基本粒子未必可能存在，至此弦理論應運而生。弦理論認為發生在宇宙間的一切奇妙的事情，都體現著一個偉大的物理學原理、一個偉大的數學方程，這就是弦。以弦、場為代表的理論為考察世界的本原帶來了創新的手段與方法。

（三）通過對偶性分析發現，道弦場對世界本源的論述有著結構與實證的共同性，即對偶性

在不同的理論體系、時空尺度、哲學語境下，道、弦、場均被認為是萬物的統一理論，其分別表現出不同種類的理論客體、不同維度的時空描述、不同參數的拓撲結構，看上去各自遵循著完全不同的理論形式或描述，但內在核心卻是同一個物理學原理，可以用同一個數學方程來表達，這就是道-弦-場的對偶性。從對弦、場與道的對偶性研究中可以發現，道為觀察與解釋世界的本原提供了一個協調一致和盡善盡美的哲學框架，它能容納以弦、場理論為代表的現代物理學領域最先進的理論。

① 胡孚琛：《道學通論》，北京：社會科學文獻出版社，2018年，第3-9頁。

② 公木、邵漢明：《道家哲學》，長春：長春出版社，2007年，第13-14頁。

③ 卡普拉：《物理學之“道”——近代物理學與東方神秘主義》，北京：中央編譯出版社，2012年，第163-177、163-177頁.

④ 布萊恩·R·格林：《宇宙的琴弦》，長沙：湖南科學技術出版社，2018年，第3-22頁。

⑤ 王勁松：《試論現代物理學和先秦道家思想之間的趨同性》，《復旦學報》（社會科學版）2000年第3期。

⑥ 羅發海、程民治：《“道”與現代物理學》，合肥：安徽大學出版社，2006年，第18-31頁。

⑦ 吳東好：《初探道教哲學與現代物理學》，《黑龍江科技信息》2008年第31期。

⑧ 斯蒂文·斯科特·古布澤：《弦理論》，重慶：重慶大學出版社，2015年，第109-128頁。

⑨ 謝清果：《道家科技思想范疇引論》，北京：宗教文化出版社，2013年，第1-17頁。

⑩ Richard Dawid，String Theory and the Scientific Method，New York：Cambridge University Press，2013，pp.9-38。

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（責任編輯：謝 科）