我不太明白,在弦理論中弦比夸克小嗎?怎么解釋弦構(gòu)成夸克?

【專家解說】：建議你看看下面這篇文章. 物理學(xué)步入禪境：緣起性空 朱清時(shí) 院士 序言 二十世紀(jì)是人類歷史上一個(gè)有趣的時(shí)期,這個(gè)時(shí)期的人類一面盡情地享受著自然科學(xué)創(chuàng)造的巨大物質(zhì)財(cái)富：核能、鐳射、電子技術(shù),等等,一面卻不了解甚至不接受它的一些基本觀念.其實(shí)這些觀念有大量嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)根據(jù),不過真正懂得它們的人太少,因此沒有被人們重視和接受.下面這則消息就說明了這種狀況： ［中新網(wǎng)］北京8月19日消息：霍金在昨天的科普?qǐng)?bào)告過程中只贏得了兩三次掌聲,全場(chǎng)幾乎沒有會(huì)心的笑——他的理論太玄奧,以至于大多數(shù)來自北大、清華的學(xué)子都說沒太聽懂.據(jù)北京晨報(bào)報(bào)導(dǎo),昨天下午,北京國(guó)際會(huì)議中心排起數(shù)百米的長(zhǎng)隊(duì).門口有人私下兜售門票——最少500元一張.詢問退票的人也不少,大家都期待著一睹霍金風(fēng)采.但兩個(gè)小時(shí)的公眾科普?qǐng)?bào)告尚未結(jié)束,已有人提前退場(chǎng)——實(shí)在聽不懂. 霍金這次講的《宇宙的起源》,其基礎(chǔ)是當(dāng)代自然科學(xué)的最新成就—弦論.真正懂得這個(gè)理論的人,都會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的敬畏、驚訝和震撼感.本文嘗試用大家聽得懂的語言,大致解說一下弦論的主要概念,以期讓讀者體會(huì)些敬畏和震撼,并一窺宇宙的奧秘.我們從當(dāng)代著名的哲學(xué)家施太格繆勒（Wolfgang Stegmuller）在《當(dāng)代哲學(xué)主流》［1］一書中寫的一段名言開始.他寫道：“未來世代的人們有一天會(huì)問：二十世紀(jì)的失誤是什么呢?對(duì)這個(gè)問題他們會(huì)回答說：在二十世紀(jì),一方面唯物主義哲學(xué)（它把物質(zhì)說成是唯一真正的實(shí)在）不僅在世界上許多國(guó)家成為現(xiàn)行官方世界觀的組成部分,而且即使在西方哲學(xué)中,譬如在所謂身心討論的范圍內(nèi),也常常處于支配地位.但是另一方面,恰恰是這個(gè)物質(zhì)概念始終是使這個(gè)世紀(jì)的科學(xué)感到最困難、最難解決和最難理解的概念.”這就是說,一方面以“唯物主義”為標(biāo)記的哲學(xué)廣為流行,而另一方面“物質(zhì)”究竟是什么?卻又說不清.施太格繆勒正是在這里看到了“二十世紀(jì)的失誤”［2］.你可能會(huì)問,究竟什么是物質(zhì)?它為什么是科學(xué)感到最困難、最難解決和最難理解的概念?早在古希臘時(shí)代,原子論者就猜想,物質(zhì)是構(gòu)成宇宙的永恒的磚塊,萬物從它所出,最后又復(fù)歸于它,它不生不滅,不增不減,是世界過程絕對(duì)同—的起點(diǎn)和終點(diǎn).物質(zhì)作為普遍的、不變的東西,必然是絕對(duì)的實(shí)體和基質(zhì).實(shí)體者,“實(shí)實(shí)在在”的客體之謂也.物質(zhì)及其性質(zhì)必須獨(dú)立于人類的意識(shí)而存在,是客觀的實(shí)體. 后來,以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué),繼承了上述古代原子論的觀點(diǎn),把物質(zhì)歸結(jié)為具有某些絕對(duì)不變屬性的質(zhì)點(diǎn)的集合.質(zhì)點(diǎn)概念本來是對(duì)作整體運(yùn)動(dòng)的固體的一種抽象,但它在液體、氣體乃至熱現(xiàn)象中的應(yīng)用也獲得了成功.對(duì)于所有這些能夠具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)形態(tài),物理學(xué)稱之為實(shí)物.在當(dāng)時(shí)的自然哲學(xué)中．又稱之為實(shí)體.把物質(zhì)歸結(jié)為物體,進(jìn)而把物質(zhì)看成實(shí)體,這同品質(zhì)在牛頓力學(xué)中的特殊地位和作用有關(guān).牛頓之所以把品質(zhì)定義為“物質(zhì)多少”的量度,就是因?yàn)樵谌魏螜C(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中,乃至在化學(xué)反應(yīng)中,品質(zhì)始終如一.品質(zhì)被理所當(dāng)然地看成是物質(zhì)本身所絕對(duì)固有的,被看成物質(zhì)不滅或?qū)嶓w不變?cè)淼木唧w表現(xiàn). 以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)在十九世紀(jì)末所取得的巨大成功,使得認(rèn)為物質(zhì)是絕對(duì)實(shí)體的唯物主義成了在二十世紀(jì)處于支配地位的哲學(xué),正如前面引用的施太格繆勒的名言所講的.然而,二十世紀(jì)愛因斯坦發(fā)明的相對(duì)論開始揭示出了物質(zhì)的實(shí)體觀的謬誤.首先,相對(duì)論證明品質(zhì)與速度有關(guān),同一個(gè)物體,相對(duì)于不同的參考系,其品質(zhì)就有不同的值.想像一個(gè)人在推一輛沒有任何阻力的小板車,只要持續(xù)推它,速度就會(huì)越來越快,但隨著時(shí)間的推移,它的品質(zhì)也越來越大,起初像車上堆滿了木柴,然后好像是裝著鋼鐵,最后好像是裝著一個(gè)地球……當(dāng)小板車達(dá)到光速時(shí),整個(gè)宇宙好像都裝在了它上面——它的品質(zhì)達(dá)到無窮大.這時(shí),無論施加多大力,它也不能運(yùn)動(dòng)得再快一些. 當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)接近光速時(shí),不斷地對(duì)物體施加能量,可物體速度的增加越來越難,那施加的能量去哪兒了呢?其實(shí)能量并沒有消失,而是轉(zhuǎn)化為了品質(zhì).愛因斯坦在說明物體的品質(zhì)與能量之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí),提出了著名的質(zhì)能方程：能量等于品質(zhì)乘以光速的平方.不久后科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng),把部分品質(zhì)變成巨大能量釋放出來.現(xiàn)在知道原子彈的人,都相信品質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成能量. 既然品質(zhì)不再是不變的屬性,那種認(rèn)為品質(zhì)是物質(zhì)多少的量度的概念就失去了意義.既然物質(zhì)與能量是可以相互轉(zhuǎn)化的,能量并非“實(shí)體”,物質(zhì)也就不能再被看作是實(shí)體.與此同時(shí),科學(xué)家對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也迅速深入發(fā)展.在本世紀(jì)30年代以前,經(jīng)典物理學(xué)一直認(rèn)為：物質(zhì)是由分子構(gòu)成的,分子是由原子構(gòu)成的.原子是組成物質(zhì)的最小“磚塊”.1932年,科學(xué)家經(jīng)過研究證實(shí)：原子是由電子、中子和質(zhì)子組成的.以后,科學(xué)家們把比原子核次一級(jí)的小粒子,如質(zhì)子、中子等看作是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第三個(gè)層次,統(tǒng)稱為基本粒子.1964年,美國(guó)物理學(xué)家馬雷?蓋爾曼大膽地提出新理論：質(zhì)子和中子并非是最基本的顆粒,它們是由一種更微小的東西——夸克構(gòu)成的.為了尋找夸克,全世界優(yōu)秀的物理學(xué)家奮斗了20年,雖然一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)了夸克的存在,然而單個(gè)的夸克至今未找到,人們始終不識(shí)廬山真面目.對(duì)此,粒子學(xué)家們的解釋是：夸克是極不穩(wěn)定的、壽命極短的粒子,它只能在束縛態(tài)內(nèi)穩(wěn)定存在,而不能單個(gè)存在. 不僅如此,迄今人們所知道的300多種基本粒子中,除少數(shù)壽命特別長(zhǎng)的穩(wěn)定粒子（如光子、中微子、電子和質(zhì)子）外,其他都是瞬息即逝的,也就是說,它們往往在誕生的瞬間就已夭折.例如,通過弱相互作用衰變的粒子有20余種.其中,π±介子的壽命大致為2．6 ×10－8秒,即π±介子經(jīng)過一億分之一秒就衰變成了其他粒子.通過電磁相互作用衰變的粒子共兩種,它們的壽命就要短得多了.π0介子的壽命是0．84×10－16秒,η介子的壽命是3×10－19秒.比起π±介子來,它們的壽命竟分別要短8～11個(gè)數(shù)量級(jí).壽命最短的,則要算通過強(qiáng)相互作用衰變的“共振態(tài)粒子”（如Δ粒子、Σ粒子等）.它們的伙伴特別多,占基本粒子家族成員的一半以上,共200多種.它們的壽命之短達(dá)到了驚人的地步,以致于人們很難用確切的形容詞來描述它們的衰變過程；粒子物理學(xué)家即使利用最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)手段也已無法直接測(cè)量它們,而只能用間接的方法推算出它們的壽命.它們只能生活一千萬億億分之一秒左右,即壽命大致是10－28秒. 為什么絕大多數(shù)基本粒子都如此短命?如何理解我們的物質(zhì)世界就是建立在這些瞬息即逝的“磚塊”上? 在二十世紀(jì)的后期,物理學(xué)的一個(gè)前沿領(lǐng)域－弦論的發(fā)展又使我們對(duì)物質(zhì)的看法更進(jìn)了一步.什么是弦論呢?愛因斯坦在后半生中,一直在尋找統(tǒng)一場(chǎng)論,即一個(gè)能在單獨(dú)的包羅萬象的數(shù)學(xué)框架下描寫自然界所有力的理論.他渴望以前人從未成功達(dá)到過的清晰來揭示宇宙活動(dòng)的奧秘,由此而展示的自然界的動(dòng)人美麗和優(yōu)雅.愛因斯坦未能實(shí)現(xiàn)他的夢(mèng),因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們還不知道自然界的許多基本特征.但在他去世以后的半個(gè)世紀(jì)中,人們已構(gòu)筑起越來越完整的有關(guān)自然界的理論.如今,相當(dāng)一部分物理學(xué)家相信他們終于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)框架,有可能把這些知識(shí)縫合成一個(gè)無縫的整體－－一個(gè)單一的理論,一個(gè)能描述一切現(xiàn)象的理論,這就是弦論.它正在實(shí)現(xiàn)當(dāng)年愛因斯坦?jié)M懷熱情追求的統(tǒng)一理論的理想. 弦論可以用來描述引力和所有基本粒子.它的一個(gè)基本觀點(diǎn)就是自然界的基本單元,如電子、光子、中微子和夸克等等,看起來像粒子,實(shí)際上都是很小很小的一維弦的不同振動(dòng)模式.正如小提琴上的弦,弦理論中的宇宙弦（我們把弦論中的弦稱作宇宙弦,以免與普通的弦混淆）可以作某些模式的振動(dòng).每種振動(dòng)模式都對(duì)應(yīng)有特殊的共振頻率和波長(zhǎng).小提琴弦的一個(gè)共振頻率對(duì)應(yīng)于一個(gè)音階,而宇宙弦的不同頻率的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于不同的品質(zhì)和能量.所有的基本粒子,如電子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振動(dòng)模式或振動(dòng)激發(fā)態(tài).每條宇宙弦的典型尺度約為長(zhǎng)度的基本單位,即普朗克長(zhǎng)度（10－33厘米）.簡(jiǎn)言之,如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海,那末基本粒子就像是水中的泡沫,它們不斷在產(chǎn)生,也不斷在湮滅.我們現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界,其實(shí)是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂（參見［3］）! 有人會(huì)說,把物質(zhì)世界看是宇宙弦演奏的一曲交響樂,不正是與物質(zhì)的對(duì)立面－意識(shí)有些相同了嗎?是的.按照當(dāng)前流行的觀點(diǎn),意識(shí)是完全基于物質(zhì)基礎(chǔ)（我們的腦）而存在,但意識(shí)不是一種具體的物質(zhì)實(shí)在,因?yàn)闆]有人在進(jìn)行腦科手術(shù)時(shí)在顱骨內(nèi)發(fā)現(xiàn)過任何有形的“意識(shí)”的存在.我們都知道貝多芬的交響樂,可以用一套樂器把它們演奏出來.但這套樂器本身并不是交響樂.意識(shí)是大腦演奏的交響樂.這個(gè)圖像為理解“心物一元”,即意識(shí)和物質(zhì)的統(tǒng)一,開辟了新途徑.有人還可能說,無論宇宙弦多小,無論人們能否觀察到它們,宇宙弦總歸是客觀實(shí)在,它們是組成物質(zhì)世界的基本單元,因此物質(zhì)世界也應(yīng)該是客觀實(shí)在.此話不準(zhǔn)確.組成物質(zhì)世界的基本單元是宇宙弦的各種可能的振動(dòng)態(tài),而不是宇宙弦自身,就像組成交響樂的單本單元是樂器上發(fā)出的每一個(gè)音符,而不是樂器自身一樣. 在弦論之前,物質(zhì)的實(shí)在性體現(xiàn)在組成客觀世界的磚塊是上百種原子,這些原子都是由質(zhì)子、中子和電子等基本粒子組成.這些基本粒子都被當(dāng)作是物質(zhì)實(shí)體,都是組成物質(zhì)世界的“超級(jí)磚塊”,因而可以把物質(zhì)世界看作是物質(zhì)實(shí)體.在弦論之中,情況發(fā)生了根本變化.過去認(rèn)為是組成客觀世界的磚塊的基本粒子,現(xiàn)在都是宇宙弦上的各種“音符”.多種多樣的物質(zhì)世界,真的成了“一切有為法,如夢(mèng)幻泡影,如露亦如電,應(yīng)作如是觀.（《金剛經(jīng)》）”物理學(xué)到此已進(jìn)入了“自性本空”的境界!有人會(huì)想,天啊!物質(zhì)都不是客觀實(shí)在了,那么世界上還有什么東西是實(shí)在的嗎?回答是,有的.事物之間的關(guān)系就是實(shí)在的.我們根據(jù)二十世紀(jì)自然科學(xué)的進(jìn)展,可以用關(guān)系實(shí)在來取代絕對(duì)的物質(zhì)實(shí)體,即主張事物不是孤立的、由固有質(zhì)構(gòu)成的實(shí)體,而是多種潛在因素緣起、顯現(xiàn)的結(jié)果.每一存有者都以他物為根據(jù),是一系列潛在因素結(jié)合生成的.“現(xiàn)象、實(shí)在和存有被限定在一組本質(zhì)上不可分離的關(guān)系結(jié)構(gòu)中”［4］. 哲學(xué)家們?cè)谡撌觥瓣P(guān)系實(shí)在”時(shí)使用的哲學(xué)辭匯對(duì)你可能生澀難懂,我們還是用例子來解說.我們看見一束紅光,這是一個(gè)事件,是一個(gè)“果”.這個(gè)果是由多種因緣聚合而產(chǎn)生的.首先是光的波長(zhǎng)值,借用哲學(xué)家們熟悉的語言,這是“第一類性質(zhì)”,這類性質(zhì)還有如物體的廣延性等,是物體自身內(nèi)在所固有,它既不依賴于觀察者,也不依賴它物,也就是說,它是無對(duì)而自行確立的.我們把這些第一性質(zhì)又稱為“因”.其次,我們還需要具備一些其他條作,如眼睛正好睜開,沒有色盲,往正確方向看,以及眼與光源之間無障礙物,等等.我們把這些條件稱為“關(guān)系參量”,又稱為“緣”.這些因緣聚合產(chǎn)生了紅光這個(gè)果.“紅色”這類顏色性質(zhì)是“第二類性質(zhì)”,其存在至少部分地依賴于觀察者.“關(guān)系實(shí)在論”就是說,關(guān)系參量是不可消除的,沒有它們,就不會(huì)有“看見紅光”這個(gè)果,因而是實(shí)在的. 再舉一個(gè)更清楚的例子.要得到一顆蘋果樹,首先要有一粒蘋果的種子,這是“因”.但是單靠這粒種子也不會(huì)長(zhǎng)成一顆蘋果樹,比如把種子放在倉庫里,無論放多久也不會(huì)長(zhǎng)出樹來,所以單有因是結(jié)不出果的.一定要將種子放在土壤中,并且要有適當(dāng)?shù)乃?、陽光、溫度、肥料等等的配?種子才會(huì)發(fā)芽長(zhǎng)大,最后長(zhǎng)成一顆蘋果樹,結(jié)出蘋果來.這里的土壤、水分、陽光、溫度、肥料等等,就是“緣”.所以“因”一定要配合適當(dāng)?shù)摹熬墶?在因緣和合之下,才能生出果來. 緣是許多的配合條件.緣有好緣,也有不好的（“惡”）緣.因此即使是同樣的種子,結(jié)出的果也就很不相同了.比如,把種子放進(jìn)貧瘠的泥土里,或者施肥不夠,蘋果樹必然長(zhǎng)得不大,結(jié)出的蘋果也不會(huì)好吃.假如把種子放在肥沃的土壤中,加上細(xì)心照料,結(jié)出的果實(shí)就會(huì)香甜好吃.由此可見,同樣的因遇到不同的緣,結(jié)出的果便會(huì)很不相同.同時(shí),由于緣是由很多條件配合而成的,所以緣會(huì)不停地變化著.既然緣會(huì)影響果,而緣又在那么多條件配合下產(chǎn)生作用,假如某個(gè)條件改變了,甚至消失了,那么果便可能不再存在.在蘋果的例子中,如果天旱缺水,蘋果樹便會(huì)因之枯萎.所以當(dāng)因緣散盡之時(shí),果就會(huì)滅.換句話說：“因緣和合而生,因緣散盡而滅.” 有的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn),以上這些關(guān)于蘋果的文字,是轉(zhuǎn)述潘宗光《佛教與人生》［5］一書有關(guān)緣起法內(nèi)容.所謂“關(guān)系”者,“緣”也,“關(guān)系實(shí)在論”其實(shí)與佛學(xué)緣起說的基本思想一致.總之,在二十一世紀(jì)開始的時(shí)候,以弦論為代表的物理學(xué)真正步入緣起性空的禪境了.回頭再看一下本文起頭的那則消息,不難明白為何人們難以聽懂霍金的那么生動(dòng)的報(bào)告,原因就是物質(zhì)是實(shí)體的觀念在人們的心中太執(zhí)著了! 佛學(xué)認(rèn)為物質(zhì)世界的本質(zhì)就是緣起性空.藏識(shí)海（又名如來海）是宇宙的本體.物質(zhì)世界的萬事萬物,都是風(fēng)緣引起的海上波濤,換言之,物質(zhì)世界就是風(fēng)緣吹奏宇宙本體產(chǎn)生的交響樂.《入楞伽經(jīng)》云：“譬如巨海浪.斯由猛風(fēng)起.洪流鼓冥壑.無有斷絕時(shí).藏識(shí)海常住.境界風(fēng)所動(dòng).種種諸識(shí)浪.騰躍而轉(zhuǎn)生.” 這句偈語說：譬如一個(gè)大海,風(fēng)平浪靜,澄然湛寂,當(dāng)陣陣烈風(fēng)吹來時(shí),使平靜的大海,生起重重?zé)o盡的浪波,從此便如萬壑怒號(hào),天地晦冥,再?zèng)]有停息澄清的時(shí)候了.宇宙的本體－藏識(shí)海（如來藏）本是澄然湛寂,隨緣常住而不變的.因內(nèi)外境風(fēng)的吹蕩,便使寂然清凈的本體,隨變?yōu)槔顺逼鸱?跟著生起前面七識(shí)的種種作用.由此波浪互相撞擊,奔騰澎湃,便轉(zhuǎn)生一切境界,而無有止境了.如經(jīng)文所說：“青赤種種色.珂乳及石蜜.淡味眾華果.日月與光明.非異非不異.海水起波浪.七識(shí)亦如是.心俱和合生.”（轉(zhuǎn)引自［6］）.這句偈語說：須知世間種種色相,乃至如地下的礦物,林中的植物,與天上的日月光華等等,追溯根源,也都是由如來藏識(shí)一體的變相.這些物體和藏識(shí),在本質(zhì)上并非相異,可是當(dāng)它們形成為萬物之后,卻不能說與心識(shí)的作用是無異的了.譬如海水既然轉(zhuǎn)變成為波浪,波浪的形式與作用,和整個(gè)的海水便不同了；可是波浪的根本,還是由海水所轉(zhuǎn)變而來的.由物的方面來說,萬類的分齊差別（分化和歸類）也都是從此一體所化生.由心的方面來說,七種識(shí)的分別作用,也都是由如來藏識(shí)所轉(zhuǎn)生.又因心與物的和合,發(fā)生世間種種事情,于是本來澄清的識(shí)海,便永無寧日了.（按：青赤等種種物色,是指眼根色塵的對(duì)象.珂佩是指耳根聲塵的對(duì)象.乳及石蜜,是指鼻根香塵的對(duì)象.淡味眾華果,是指舌根味塵的對(duì)象.日月與光明,是指身根觸塵的對(duì)象.） 這里海水與波浪的關(guān)系,正是弦與音樂的關(guān)系.它們也正是物質(zhì)世界與宇宙本體的關(guān)系.當(dāng)我弄懂了這個(gè)道理的時(shí)候,心里充滿了敬畏和震撼.讀到這里,你可能感到：“科學(xué)家千辛萬苦爬到山頂時(shí),佛學(xué)大師已經(jīng)在此等候多時(shí)了!”［1］施太格繆勒：《當(dāng)代哲學(xué)主流》,第536頁,商務(wù)印書館,1992年.［2］羅嘉昌：《從物質(zhì)實(shí)體到關(guān)系實(shí)在》,序言,中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社,1996年.［3］B.格林：《宇宙的琴弦》,李泳譯,湖南科學(xué)技技術(shù)出版社,2005年.［4］羅嘉昌：《關(guān)系實(shí)在論：綱要和研究綱領(lǐng)》,載《場(chǎng)與有》（一）,第78頁,東方出版社1994.［5］潘宗光：《佛教與人生》,復(fù)旦大學(xué)出版社,2005年.［6］南懷瑾：《南懷瑾選集》,第九卷《愣伽大義今譯》,第三章,復(fù)旦大學(xué)出版社,2005年.作者簡(jiǎn)介：朱清時(shí) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)前校長(zhǎng)