“好的科學(xué)家解決問題，偉大的科學(xué)家定義問題”
（本文摘錄于《賽先生》）
將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來，成為包羅一切基本粒子和相互作用的“萬有理論”，是理論物理學(xué)家的終極夢(mèng)想。目前，在通往這條路的候選理論中，弦論是廣為人知的一種，但也有一群科學(xué)家相信存在別的途徑，如圈量子引力論。圈量子引力論的奠基人、理論物理學(xué)家阿貝·阿西提卡是這樣講的。
（第一、 二部分從略）
圈量子引力理論的挑戰(zhàn)
？圈量子引力，您已經(jīng)研究了它很長(zhǎng)時(shí)間
將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)理論進(jìn)行統(tǒng)一的問題確實(shí)由來已久。圈量子引力論的考慮基于多個(gè)方向：
首先，從技術(shù)層面講，這和彭羅斯關(guān)于扭量空間的想法密切相關(guān)。彭羅斯對(duì)于螺旋度或者自偶所扮演角色的關(guān)鍵想法是：引力場(chǎng)方程存在某些解的對(duì)稱性，彭覺得這種對(duì)稱性與對(duì)偶有關(guān)。例如，如果你有一個(gè)光子，就像每個(gè)靜止質(zhì)量為零的粒子一樣，它有兩個(gè)螺旋度：要么在四維動(dòng)量的方向上旋轉(zhuǎn)，要么在相反的方向上旋轉(zhuǎn)，即得到兩個(gè)螺旋態(tài)；同理，引力子在弱場(chǎng)極限下也是如此。所以彭羅斯試圖在非線性的背景下推廣此想法。
我當(dāng)時(shí)覺得，扭量理論中這些正在發(fā)生的變化極為有趣，但它發(fā)展的方向似乎不太合理：過于強(qiáng)調(diào)復(fù)流形，而不是實(shí)流形。我覺得可以吸收該理論的精髓，基于實(shí)時(shí)空、實(shí)度量來構(gòu)建模型，這才是與客觀物質(zhì)世界直接相關(guān)的?？傊?，我認(rèn)為那些深刻的想法沒有通過最合適的方法體現(xiàn)出來，是一個(gè)技術(shù)性的問題。也就是說，圈量子引力論一個(gè)深刻的發(fā)展契機(jī)直接來源于扭量理論的一些重要想法，它現(xiàn)在正再一次變得重要。
第二，圈量子引力論發(fā)展的第二個(gè)契機(jī)，來自這樣一個(gè)基本思想：在廣義相對(duì)論里，引力源于時(shí)空結(jié)構(gòu)。如果存在一個(gè)引力的量子理論，那它應(yīng)該也是一個(gè)幾何的量子理論，即我們所看到的連續(xù)幾何應(yīng)該只是一個(gè)近似。比如一張桌子，肉眼看上去非常平滑連續(xù)，但在電子顯微鏡下看它就不同了：在格點(diǎn)上有原子，其間是真空。類似，時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)也應(yīng)該存在相似的基本組分，幾何結(jié)構(gòu)就起源于其中。受扭量啟發(fā)所產(chǎn)生的想法最終是，幾何的基本激發(fā)同引力子并不一樣，但它是更深層次的，而引力子將會(huì)成為一個(gè)近似概念。
幾何的基本激發(fā)是一維的，這種一維有點(diǎn)像高分子聚合物。如果我們透過一個(gè)放大鏡去看這件“襯衫”，從根本上來說這襯衫是一維的，因?yàn)榫€是一維的，只不過那些線如此緊密地堆積以至于讓我產(chǎn)生了它是二維的錯(cuò)覺。圈量子引力論中所呈現(xiàn)出來的圖像也如此一般，由一維的纖維所編織，就像高分子聚合物。但這個(gè)高分子聚合物編織得如此錯(cuò)綜復(fù)雜并且緊密相連，以致我們以為是連續(xù)的。也就是說，在原子尺度上，它根本不連續(xù)，但如果從粒子化的意義上看，它包含的原子如此之多，以至于在我們實(shí)際考慮它的時(shí)候，看上去就成了一個(gè)連續(xù)體。愛因斯坦的廣義相對(duì)論使用的幾何是個(gè)近似，其中的時(shí)空是光滑的連續(xù)體。超越這個(gè)范疇，就必須著眼于這些時(shí)空的基本構(gòu)件，即它們的“原子”。這就是圈量子引力的基本思想，接下來的工作是提出恰當(dāng)?shù)姆匠獭?span lang="EN-US">
在20世紀(jì)90年代，幾位同事，特別是在華沙的Jerzy Lewandowski（我當(dāng)時(shí)的一名博士后），發(fā)展了幾何的量子理論。從那之后，圈理論已經(jīng)被用于黑洞、宇宙學(xué)、大爆炸等領(lǐng)域。目前，全世界約有250～300位科學(xué)家在從事此研究，每?jī)赡暾匍_一次名為“圈”（Loops）的會(huì)議，今年（2015年）剛在德國(guó)舉辦了一次。
？預(yù)見了一些實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)嗎
就量子引力的任何理論而言，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)滯后，獲得實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)都是困難的。廣義相對(duì)論都建立100年了，直到現(xiàn)在我們才有希望看到引力波的確切檢驗(yàn)。以往的實(shí)驗(yàn)大多關(guān)于弱引力，即比牛頓引力強(qiáng)但比愛因斯坦引力弱的引力，而關(guān)于廣義相對(duì)論的強(qiáng)引力場(chǎng)至今沒有任何確切驗(yàn)證。這需要兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生引力波。令人振奮的是，引力波觀測(cè)天文臺(tái)（激光干涉引力波天文臺(tái)）經(jīng)過20年建造已經(jīng)開始投入運(yùn)作，它具備了探測(cè)強(qiáng)引力所需的靈敏度。據(jù)報(bào)道已做了一次探測(cè)，讓我們拭目以待吧。
對(duì)于廣義相對(duì)論，其檢驗(yàn)已經(jīng)耗費(fèi)了長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)，而量子引力甚至要更難。因此我們不太可能立即就得到關(guān)于任何量子引力理論的直接證實(shí)，但應(yīng)該能陸續(xù)獲得一些觀測(cè)證據(jù)?？梢哉J(rèn)為，它隱藏在宇宙學(xué)中，隱藏在早期宇宙的測(cè)量數(shù)據(jù)中。最近三年里，我們均致力于此，試圖推動(dòng)所謂的暴脹設(shè)想：暴脹始于物質(zhì)密度極高時(shí)的宇宙初期，這個(gè)密度相比于顯現(xiàn)量子引力效應(yīng)所需的普朗克密度依然非常低，大約只有普朗克密度的10-12倍。按照普朗克密度，我們的大約是1097kg/m3，但暴脹宇宙學(xué)涉及的密度是1085kg/m3，而原子核密度只不過是大約1018kg/m3。
我們現(xiàn)在討論的已經(jīng)是比原子核密度大約高70個(gè)數(shù)量級(jí)的密度了，而且甚至還可能比這更高，因此非常困難。當(dāng)然也很有成就感，因?yàn)樽罱K我們確實(shí)成功完成了預(yù)期項(xiàng)目。
？你是在宇宙微波背景（CMB）中搜尋證據(jù)
沒錯(cuò)，但證據(jù)也可能最終隱藏在（宇宙）大尺度結(jié)構(gòu)里。從CMB觀測(cè)到大尺度結(jié)構(gòu)實(shí)在不可思議。我們能夠通過CMB所看到的東西存在一定的限制，大尺度結(jié)構(gòu)能顯示的也存在一定限制，能看到的只不過是被放大到大尺度結(jié)構(gòu)的CMB結(jié)構(gòu)而已。因此，我們所觀測(cè)的星系間的關(guān)聯(lián)等現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)是來自CMB的一些關(guān)聯(lián)。CMB的不均勻性（即CMB的各處之間存在偏差，這些偏差源于在暴脹之前的史前時(shí)代）與量子引力有關(guān)。問題是：它們是否可觀測(cè)？
我對(duì)此研究了很長(zhǎng)時(shí)間?，F(xiàn)在，我們能通過實(shí)際觀測(cè)來確認(rèn)這些與標(biāo)準(zhǔn)暴脹的偏差的存在，它是宇宙暴脹之前事件的痕跡，而那必定與普朗克紀(jì)元和量子引力等等有關(guān)。但還沒到可以認(rèn)定這就是確鑿證據(jù)的階段。其實(shí)，即使是暴脹都不能證明什么，因?yàn)槿藗儠?huì)說存在其它的可能。不過，現(xiàn)在還沒有其它原因的解釋可以如此有效，這使得人們非常認(rèn)真地對(duì)待它。這些暴脹的偏差應(yīng)該存在某個(gè)自然的、根本的解釋。
？借助改良的觀測(cè)技術(shù)，應(yīng)該可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)
是的，事實(shí)上普朗克衛(wèi)星（歐空局發(fā)射的一顆研究CMB的衛(wèi)星）的數(shù)據(jù)也許有幫助。普朗克合作組織計(jì)劃一年之內(nèi)公布我們需要的數(shù)據(jù)（注：普朗克衛(wèi)星最近一次公布數(shù)據(jù)是在2015年2月）。所以，這是個(gè)有趣的時(shí)代！
弦論有點(diǎn)妄自尊大
？最近在一個(gè)超弦會(huì)議上，有人說弦論是量子化引力的唯一方法
有很多事情我不得不說。首先，我認(rèn)為弦論確實(shí)極大地豐富了我們的認(rèn)知，特別是新的數(shù)學(xué)上的聯(lián)系，以及所謂的AdS/CFT對(duì)偶。在某種意義上，它拓展了愛因斯坦引力理論的范圍，例如某些在黑洞背景時(shí)空上的格林函數(shù)，用來計(jì)算超導(dǎo)中的某些量。但這是很不可思議的，凝聚態(tài)物理學(xué)家會(huì)說雖然那很有用，不過是一個(gè)在某種程度上模擬了超導(dǎo)的模型，并非實(shí)際在材料中所看到的高溫超導(dǎo)。我估計(jì)80%到90%的凝聚態(tài)物理學(xué)家都會(huì)這么說。
毫無疑問，弦論豐富了我們的認(rèn)識(shí)。不幸的是，在我看來，弦論研究者普遍極度偏狹。何必如此，在科學(xué)里應(yīng)該允許不同思想的爭(zhēng)論，百家爭(zhēng)鳴，而不是只有一家之言?？茖W(xué)不是信仰，當(dāng)你說這是唯一正確的觀點(diǎn)時(shí)，我認(rèn)為這已經(jīng)與某些古魯說他才代表著唯一正確的道路沒什么兩樣了。
？有人聲稱弦論是唯一正確的理論，其他方法都被整合進(jìn)來了
約瑟夫·波欽斯基（Joe Polchinski），一位著名的超弦理論家，確實(shí)說過類似的話。那是多年前，在圣巴巴拉KITP（卡弗里理論物理研究所）建立25周年紀(jì)念時(shí)，他說弦論已經(jīng)整合了一切，像微軟公司（當(dāng)時(shí)的微軟公司正在整合一切）。他說圈量子引力論更像蘋果公司（說得很直白），我想這是個(gè)極好的補(bǔ)充，我說我能接受把圈量子引力論比作蘋果公司，至少微軟公司不會(huì)吞并我們！
弦論取得了很大成功，我不明白為什么科學(xué)需要類似“弦論是唯一的量子引力理論”這樣的論點(diǎn)？科學(xué)家應(yīng)該讓事實(shí)來證明它是唯一的理論、它比其他理論優(yōu)越，或者它的預(yù)測(cè)比其他理論更多地被重復(fù)出來?？茖W(xué)不應(yīng)該成為神學(xué)，他們的論點(diǎn)帶有一股強(qiáng)烈的神學(xué)味道，我不喜歡。
？甚至有“后經(jīng)驗(yàn)主義科學(xué)”的言論
是的，2001年在印度TIFR有另一個(gè)弦論會(huì)議，我正好碰巧在印度。當(dāng)時(shí)科學(xué)家剛發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹，即宇宙常數(shù)可能是正的。而我在報(bào)紙上看到湯姆·班克斯和愛德華·威滕說，不，宇宙常數(shù)不可能是正的，因?yàn)樗`背了弦論，它只能是負(fù)的，這些觀測(cè)是不成熟的。他們錯(cuò)了。事實(shí)上沒有任何人來重新審視這些事情。
提出觀點(diǎn)不存在任何錯(cuò)，但是提出觀點(diǎn)之后又完全無視了你之前提出的觀點(diǎn)，并且之后說這是唯一的理論，那就是錯(cuò)誤的。弦論還沒有確切的實(shí)驗(yàn)／觀測(cè)的成功，并且在量子引力方面也沒有取得很多進(jìn)展。例如，它沒有告訴我們當(dāng)一個(gè)黑洞蒸發(fā)的時(shí)候究竟發(fā)生了什么，有一些關(guān)于它的對(duì)偶描述，但是缺乏時(shí)空描述。它也不能解釋在廣義相對(duì)論的奇點(diǎn)處發(fā)生了什么?？傊?，量子引力里存在的所有難題，弦論都沒有回答。此外，自從1997年胡安·馬爾達(dá)西那提出AdS/CFT猜想，迄今已有18年了。其期弦論的主要進(jìn)展是將引力理論的思想成功應(yīng)用到其它物理領(lǐng)域。這令我印象深刻。那些領(lǐng)域本身的學(xué)者們也許并不會(huì)如此，而我覺得能由此看到某種程度的科學(xué)統(tǒng)一性，是很有意義的。
然而，我們似乎一直是在其他物理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用這些引力理論，而不是用它來解決量子引力本身的問題。我不認(rèn)為量子引力問題已經(jīng)被解決了，在會(huì)議上我與組委會(huì)明確地指出了這點(diǎn)（該組委會(huì)成員包括約瑟夫·波欽斯基、胡安·馬爾達(dá)西那和我）。弦論非常強(qiáng)大，這是好事，但AdS/CFT猜想是目前僅有的非微擾弦論的定義而不是證明。它討論了對(duì)偶，卻沒有對(duì)偶的證明。一個(gè)對(duì)偶首先需要有A和B，它們各自有確定的定義，然后才能說A對(duì)偶于B。我們不能寄希望于證明弦論對(duì)偶于它的共形場(chǎng)論，但把弦論定義成共形場(chǎng)論是允許的?？傊?，你必須編寫一本“字典”，將體里面的弦論和邊界上的共形場(chǎng)論聯(lián)系起來，但這字典還沒有被全面詳細(xì)地編寫出來。
再次重申，沒人想要否定AdS/CFT對(duì)偶所取得的成功，但是這種成功被過度渲染、夸大其辭了。例如，首先，這個(gè)猜想中的時(shí)空是10維的，其物理的時(shí)空是漸近的反德西特（Anti-de Sitter）空間，具有負(fù)的宇宙學(xué)常數(shù)。但當(dāng)我們環(huán)顧周圍，發(fā)現(xiàn)宇宙學(xué)常數(shù)是正的。第二，該猜想中，弦論的內(nèi)部維度，或者說至少在定義上，是宏觀尺度的?？斣?span lang="EN-US">-克萊因（Kaluza—Klein）設(shè)想更高的維度確實(shí)存在，但是它們都卷曲于微觀的、普朗克尺度上，無法看見，這是合理的。但AdS/CFT對(duì)偶要求其內(nèi)秉尺度的半徑和宇宙學(xué)半徑一樣。如果真是這樣，那我應(yīng)該可以看到全部十個(gè)維度，但并非如此。所以，它不可能與我們實(shí)際生活的真實(shí)世界有太多聯(lián)系。所有這些問題都是顯而易見、不容忽視的。
廣義相對(duì)論的世紀(jì)卷冊(cè)剛剛被出版，我是主編。該卷冊(cè)由四個(gè)部分組成。第四部分叫做：超越愛因斯坦研究量子引力。它的開篇是針對(duì)普通讀者的關(guān)于量子引力領(lǐng)域發(fā)展史的通俗介紹。其中一個(gè)子章節(jié)叫做“房間里的大象”，在那我指出：明明問題顯而易見，學(xué)者們卻選擇置之不理。對(duì)我來說這是不合理的，這不是正確的科學(xué)態(tài)度；弦論本身是好的科學(xué)，但對(duì)它的（過度）宣傳超出了科學(xué)的方式。人們應(yīng)該誠(chéng)實(shí)地描述事實(shí)，而不是通過夸飾。
？您怎么評(píng)價(jià)李·斯莫林（Lee Smolin）的書《物理學(xué)的困惑》
我和李共事過，但是我沒有讀過那本書，不具評(píng)論資格。我身邊的一些好友曾讀過，他們都是非常優(yōu)秀的凝聚態(tài)物理學(xué)家，不在引力領(lǐng)域，但都表示喜歡該書，認(rèn)為它言之有理。超弦理論家們則認(rèn)為這本書具有誤導(dǎo)性，包含了錯(cuò)誤、虛假的歷史敘述。我本人沒有讀過，所以無從評(píng)價(jià)。
我覺得人們喜歡像李這樣明白事物又愿意著書表達(dá)他們觀點(diǎn)的人，這很好。我個(gè)人更傾向于“做”科研，而讓其價(jià)值由后人評(píng)說，或許它并不值得后人評(píng)說，但沒關(guān)系。只要我自己感到愉悅，從某種程度上來說，這對(duì)于我就足夠了。當(dāng)然我相信，正如之前告訴你的那樣，除非確認(rèn)有非常好的想法，否則我不會(huì)花費(fèi)如此多的時(shí)間、精力去專注于此。最終的理論不會(huì)是我們今天所講的圈量子引力論，但會(huì)包含它的核心思想，可能也融入了弦論的一些精髓。但無論終極的理論是什么，我都堅(jiān)信量子幾何的思想將長(zhǎng)存，它的形式也許會(huì)被改變，但是它的思想將得到保留?？傊?，我更愿少談些主義，多做些科研。
