波粒二象性：物理学的穿山甲

为了解决本领域那些难以对付的矛盾，物理学家煞费苦心地提出各种解释现实的模型。然而，这些模型越来越令人惊异……

理论物理学正遭遇一种矛盾的困扰。100年前，科学家发现，在亚原子层面，物体既是粒子又是波。这个问题在当时很神秘，而且这种神秘性经久不衰。正像波兰裔美国心理学家约瑟芬·贾斯特罗于1899年绘制的鸭兔幻觉图一样，亚原子世界对我们来说就是两种不同范畴的存在。

但是，还有一个矛盾在作怪：物理学本身被量子力学和广义相对论分裂开来。这两个对立的体系关于我们世界的描述不同，却神奇地反映着波与粒子之间的这种张力。在物理学界，说到非常巨大和极其微小时，似乎不是一个事情，而是两个：一方面是量子力学，它将亚原子世界描述为狂蹦乱跳的个体量子的领域；另一方面则是广义相对论，它将宇宙尺度的事件描绘成时空宏伟庄严的舞蹈，平滑流动。广义相对论就像施特劳斯，深沉、庄重、典雅；量子理论则像爵士乐，不连贯、不完整，摩登得让人头晕目眩。

物理学家对物理学这种分裂的性质非常清楚，并且渴望能够将其融合或统一，这就是所谓“万物理论”的目标。不过，对非物理学学者来说，这些观点碰撞的历史及其产生的种种矛盾，看上去既扑朔迷离，又荒谬可笑。我是一名科学作家，在我的经历中还没有见过其他哪门学科会引发如此矛盾的反应。

在弦宇宙学里，目前宇宙的总数超过我们宇宙中粒子总数400多个数量级。

几个月前，我才搞明白这种分裂性。当时我花了两个星期的时间，参加了两场公开讨论，一场是和帕萨迪纳加州理工学院的一名宇宙学家讨论，另一场则是和南卡罗来纳大学的一名文学研究员讨论。我很欣赏这位宇宙学家的研究，那场讨论的话题是“时间”，他刚完成了一本这方面的很精彩的书。物理学家和哲学家一样，几个世纪以来一直在拼命研究“时间”这个概念，目前他们已经将时间在数学上锁定，到了最终理解的边缘。在他看来，物理学通向无所不包的真理，而且越来越精密。

但那位文学理论家不这么想。他是研究刘易斯·卡罗尔的专家，和我讨论的是数学与文学、艺术与科学的关系问题。对他来说，数学是一种令人愉悦的娱乐，是一种值得赞赏和享用的游戏形式，而物理学家有关真理的任何观点在他眼里都是“胡说八道”。他说，以数学为基础的科学只不过是“讲故事的另一种方式”。

在一些人眼中，物理学是理解现实的终极途径，另一些人却认为在对现实的理解上，物理学的重要性与神话、宗教，甚至文学没有什么差异。因为我在文科和理科领域花费的时间相当，所以遇到了许多这样的双重性。我发现自己能够参与这两种截然不同的对话，和文科专家在一起就是文科的观点，与理科专家在一起就是理科的那一套。我们谈论的究竟是不是相同的话题呢？

许多物理学家都属于柏拉图学派，至少在与外行人谈话时总是这样表白。他们相信自己发现的有关我们这个世界的那些数学关系是某种超级真理，独立于物理世界而存在，也许还可以说先于物理世界而存在。如果这样看问题，宇宙是按照数学方式产生的，这个方式就是英国物理学家保罗·戴维斯所说的“宇宙蓝图”。发现这个“方案”是很多理论物理学家的目标，因此，理论框架基础上的分裂性让他们感到极其懊恼，就好像宇宙工程师设计了一个恶魔似的谜题，一定要把两个水火不容的东西套在一起。两部分都是必需的，缺一不可，因为二者所做出的预测都被证明可以精确到小数点后十几位。而且，正是因为有了这些理论基础，我们才能创造出微芯片、激光器和全球定位卫星等奇迹。

除了广义相对论和量子力学之间的物理张力外，二者还各自提出了一些哲学问题。空间和时间是广义相对论认为的宇宙基本性质，还是某个更基本的、产生于量子过程的副产品？看看量子力学，最简单的问题周围都会有激烈的争论。是不是每当电子改变在原子内的轨道，或者每当光子穿过一条狭缝时，宇宙就会裂变出几个副本？有些人说会，有些人则说绝对不会。

理论物理学家对量子理论中著名的波的含义，至今都不能统一意见。是什么在“波动”？这些波是物理现实还是概率分布的数学算式？是“波”引导“粒子”吗？如果是，如何引导？波粒二象性造成的两难境地是认识论冰山露出的一个角，已经有许多船只在这里撞沉了。

有些理论物理学家并未因此停步不前，借助于越来越大胆的方法，他们试图挣脱这些枷锁。量子理论的“多世界”观点认为，亚原子层面每发生一次事件，宇宙就会分裂成多个稍微不同的副本，而每一个新的“世界”代表一个可能的结果。

美国物理学家休·埃弗里特1957年首次提出这个想法时，同行们认为它几近疯狂。即使20年过后，在我读物理专业的时候，我的好些教授依旧认为走这条路是有些疯狂的。然而，近些年来“多世界”观点已经成为主流。准无限、永增殖的宇宙链观念一旦被弦论家接受，这些观念就变得更为可信。弦论家认为，弦论方程中每一种可能的数学形式，都对应真实存在的宇宙。他们估计，有10⁵⁰⁰种不同可能。相比之下，物理学家认为我们的宇宙中大约共有10⁸⁰个亚原子粒子。而在弦宇宙学中，现有宇宙的总数超过我们宇宙中粒子总数400多个数量级。

在我们的经验中，没有什么能与这个超乎想象的巨大数字相比。理论家认为，在弦论参数范围内，数学上可描述的每个宇宙，包括像美国弦论家布里安·格林所说的、能抓住自己尾巴的那种宇宙，都会出现在一个巨大的超空间宇宙链中。这个链超越了我们宇宙的时空泡沫而存在。

这个在认识论上极其大胆的观点，就是把方程当作基本现实。数学上考虑到极大量的变化，就是极大量现实世界存在的证据。

在这里，我们遭遇的也许不是现实的边缘，而是物理学家范畴体系的极限。

把方程这样具体化，在有些人文学者看来就是天真无邪。不过，这样做至少在现实的数学模型和现实本身之间的关系上引出严肃的问题。虽然说物理学史上的很多重要发现是因受到方程的启发而得到的，像保罗·狄拉克关于反物质的公式就是最著名的例子之一，但是，就算我们不是相对论者，也会对这种观点表示怀疑：认为现在前进的唯一方式就是接受一望无际的宇宙图景，里面有各种各样能够想象得到的世界历史，包括中世纪永远不会结束以及希特勒获得胜利的世界历史。endprint