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 院士 序言 二十世紀(jì)是人類歷史上一個有趣的時期，這個時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：霍金在昨天的科普報告過程中只贏得了兩三次掌聲，全場幾乎沒有會心的笑——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)北京晨報報導(dǎo)，昨天下午，北京國際會議中心排起數(shù)百米的長隊。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。但兩個小時的公眾科普報告尚未結(jié)束，已有人提前退場——實在聽不懂。 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。真正懂得這個理論的人，都會產(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問：二十世紀(jì)的失誤是什么呢？對這個問題他們會回答說：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在）不僅在世界上許多國家成為現(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，恰恰是這個物質(zhì)概念始終是使這個世紀(jì)的科學(xué)感到最困難、最難解決和最難理解的概念?！边@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，是世界過程絕對同—的起點和終點。物質(zhì)作為普遍的、不變的東西，必然是絕對的實體和基質(zhì)。實體者，“實實在在”的客體之謂也。物質(zhì)及其性質(zhì)必須獨(dú)立于人類的意識而存在，是客觀的實體。 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，把物質(zhì)歸結(jié)為具有某些絕對不變屬性的質(zhì)點的集合。質(zhì)點概念本來是對作整體運(yùn)動的固體的一種抽象，但它在液體、氣體乃至熱現(xiàn)象中的應(yīng)用也獲得了成功。對于所有這些能夠具有機(jī)械運(yùn)動的物質(zhì)形態(tài)，物理學(xué)稱之為實物。在當(dāng)時的自然哲學(xué)中．又稱之為實體。把物質(zhì)歸結(jié)為物體，進(jìn)而把物質(zhì)看成實體，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，就是因為在任何機(jī)械運(yùn)動過程中，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)本身所絕對固有的，被看成物質(zhì)不滅或?qū)嶓w不變原理的具體表現(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)是絕對實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)明的相對論開始揭示出了物質(zhì)的實體觀的謬誤。首先,相對論證明品質(zhì)與速度有關(guān)，同一個物體，相對于不同的參考系，其品質(zhì)就有不同的值。 想像一個人在推一輛沒有任何阻力的小板車，只要持續(xù)推它，速度就會越來越快，但隨著時間的推移，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地球……當(dāng)小板車達(dá)到光速時，整個宇宙好像都裝在了它上面——它的品質(zhì)達(dá)到無窮大。這時，無論施加多大力，它也不能運(yùn)動得再快一些。 當(dāng)物體運(yùn)動接近光速時，不斷地對物體施加能量，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，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?，F(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“實體”，物質(zhì)也就不能再被看作是實體。 與此同時，科學(xué)家對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識也迅速深入發(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：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)的第三個層次，統(tǒng)稱為基本粒子。1964年，美國物理學(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，雖然一些實驗現(xiàn)象證實了夸克的存在，然而單個的夸克至今未找到，人們始終不識廬山真面目。對此，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個數(shù)量級。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)的實驗手段也已無法直接測量它們，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)的一個前沿領(lǐng)域－弦論的發(fā)展又使我們對物質(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)一場論，即一個能在單獨(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的奧秘，由此而展示的自然界的動人美麗和優(yōu)雅。愛因斯坦未能實現(xiàn)他的夢，因為當(dāng)時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)了一個框架，有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體－－一個單一的理論，一個能描述一切現(xiàn)象的理論，這就是弦論。它正在實現(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。它的一個基本觀點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，實際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式。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。每種振動模式都對應(yīng)有特殊的共振頻率和波長。小提琴弦的一個共振頻率對應(yīng)于一個音階，而宇宙弦的不同頻率的振動對應(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模式或振動激發(fā)態(tài)。每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位，即普朗克長度（10－33厘米）。簡言之，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)實的物質(zhì)世界，其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂（參見［3］）！ 有人會說，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)的對立面－意識有些相同了嗎？是的。按照當(dāng)前流行的觀點，意識是完全基于物質(zhì)基礎(chǔ)（我們的腦）而存在，但意識不是一種具體的物質(zhì)實在，因為沒有人在進(jìn)行腦科手術(shù)時在顱骨內(nèi)發(fā)現(xiàn)過任何有形的“意識”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。意識是大腦演奏的交響樂。這個圖像為理解“心物一元”，即意識和物質(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)出的每一個音符，而不是樂器自身一樣。 在弦論之前，物質(zhì)的實在性體現(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)實體，都是組成物質(zhì)世界的“超級磚塊”，因而可以把物質(zhì)世界看作是物質(zhì)實體。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！ 有人會想,天??！物質(zhì)都不是客觀實在了，那么世界上還有什么東西是實在的嗎？回答是，有的。事物之間的關(guān)系就是實在的。我們根據(jù)二十世紀(jì)自然科學(xué)的進(jìn)展，可以用關(guān)系實在來取代絕對的物質(zhì)實體，即主張事物不是孤立的、由固有質(zhì)構(gòu)成的實體，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)家們在論述“關(guān)系實在”時使用的哲學(xué)辭匯對你可能生澀難懂，我們還是用例子來解說。 我們看見一束紅光，這是一個事件，是一個“果”。這個果是由多種因緣聚合而產(chǎn)生的。首先是光的波長值，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)生了紅光這個果?！凹t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?！瓣P(guān)系實在論”就是說，關(guān)系參量是不可消除的，沒有它們，就不會有“看見紅光”這個果，因而是實在的。 再舉一個更清楚的例子。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長成一顆蘋果樹，比如把種子放在倉庫里，無論放多久也不會長出樹來,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、肥料等等的配合，種子才會發(fā)芽長大，最后長成一顆蘋果樹，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，蘋果樹必然長得不大，結(jié)出的蘋果也不會好吃。假如把種子放在肥沃的土壤中，加上細(xì)心照料，結(jié)出的果實就會香甜好吃。由此可見，同樣的因遇到不同的緣，結(jié)出的果便會很不相同。同時，由于緣是由很多條件配合而成的，所以緣會不停地變化著。既然緣會影響果，而緣又在那么多條件配合下產(chǎn)生作用，假如某個條件改變了，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，蘋果樹便會因之枯萎。所以當(dāng)因緣散盡之時，果就會滅。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)系實在論”其實與佛學(xué)緣起說的基本思想一致。 總之，在二十一世紀(jì)開始的時候，以弦論為代表的物理學(xué)真正步入緣起性空的禪境了?；仡^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的報告，原因就是物質(zhì)是實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。藏識海常住。境界風(fēng)所動。種種諸識浪。騰躍而轉(zhuǎn)生?！? 這句偈語說：譬如一個大海，風(fēng)平浪靜，澄然湛寂，當(dāng)陣陣烈風(fēng)吹來時，使平靜的大海，生起重重?zé)o盡的浪波，從此便如萬壑怒號，天地晦冥，再沒有停息澄清的時候了。宇宙的本體－藏識海（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。七識亦如是。心俱和合生?！保ㄞD(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，也都是由如來藏識一體的變相。這些物體和藏識，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，七種識的分別作用，也都是由如來藏識所轉(zhuǎn)生。又因心與物的和合，發(fā)生世間種種事情，于是本來澄清的識海，便永無寧日了。（按：青赤等種種物色，是指眼根色塵的對象。珂佩是指耳根聲塵的對象。乳及石蜜，是指鼻根香塵的對象。淡味眾華果，是指舌根味塵的對象。日月與光明，是指身根觸塵的對象。） 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)我弄懂了這個道理的時候，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，佛學(xué)大師已經(jīng)在此等候多時了！” ［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)實體到關(guān)系實在》，序言，中國社會科學(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)系實在論：綱要和研究綱領(lǐng)》，載《場與有》（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。 作者簡介： 朱清時 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)前校長