博客李淼

（《现代物理知识》稿子，勿转）

从纯粹理论的角度，我们对M理论的了解可以说还非常原始。我们知道这个理论应该存在，因为它的存在性与弦论以及弦论的对偶一致，我们却不知道如何用数学语言来表述这个理论的逻辑结构。这种尴尬的局面过去在物理学史上从来没有出现过。我们熟悉的物理学发展的模式是，要么实验将我们引向新概念和新的物理结构，要么旧的理论与实验发生矛盾迫使我们修改它。现在的情况是，我们已经知道存在一些逻辑上自洽的量子引力理论，即多种多样的弦论，但我们并不知道这些理论和现实世界的联系。不仅如此，这些理论之间并不互相独立，统一在一个未知的逻辑框架下，这个逻辑框架叫做M理论，虽然还没有人能够写出一个数学上完整的M理论。

弦论家们在十年前别无选择，只能从逻辑上尽量了解M理论的一些动力学，以期有一天能够完整地写出M理论的表述来，再进一步研究它与现实世界的关系和其他有趣的物理推论。1996年，想这么做的人并不多，因为那个时候大家都在忙于寻找更多的弦论对偶的例子，以及忙于研究D膜的动力学性质。当时在罗格斯大学的几位有眼光的人开始寻找M理论的逻辑结构，有班克斯（Thomas Banks）和申科（Steven Shenker）。他们和另外两位弦论家开始觉得D膜可能被用来构造M理论，因为那时大家普遍觉得D膜可能是弦论中所有的自由度了，因为很多黑洞都可以用D膜来构造了。96年10月，一篇用矩阵理论来表述M理论的文章就出笼了，在这篇文章出现之后，很多人将信将疑，因为文章中的一些基本想法看起来既不新奇也不熟悉。

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（《现代物理知识》的稿子，勿转）

我在《超弦史话》一开始就描述了弦论第二次革命开始的情形，多年后的现在回顾起来，也还是充满刺激。弦论第二次革命发端于1994年中的两篇文章：威藤和塞伯格（Nathan Seiberg）关于超对称规范理论的文章，以及胡尔(Christopher Hull）和汤森（Paul Townsend）关于弦论中的所谓U对偶的文章。在美国，第一篇影响的效应是即时的，甚至纽约时报都在第一时间报道了这个进展。一时之间，网上的物理文库充满了关于超对称场论的工作。与威藤和塞伯格工作的遭遇相反，在开始的时候，没有太多的人重视胡尔和汤森的工作。从某种角度看，西方特别是美国的理论工作基本上为少数几个学术牛人主导，而真正影响深远和原创的工作在开始的时候往往被忽视。不仅胡尔和汤森的工作被忽视了，更早的印度人森（Ashoke Sen）等人关于弦论中对偶的工作也被忽视了。还有，我们前面提到的关于膜的工作都被忽视了。

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惠勒同学以97岁高龄去世了。

《新发现》的王艳同学让我写写惠勒，我还在收集材料中。所以，专栏稿子大概还要等几天才能出来-但这里写的将会收集到稿子中去。《南方周末》第一时间写了惠勒，我读了，仿佛回到了我的学生时代。我第一次见到惠勒还是在北大读书的时候，那时科大的一些老师请他来访问中国。我对他的报告的印象非常深刻，因为他的话题非常富于想象力，如关于双缝干涉的延迟选择实验，关于宇宙的过去能够被现在所影响，关于时空泡沫，等等。所有这些，都被收集在他的一本书中，我本来有一本，现在找不到了，我估计市场上也很难找到了。这本书对触发年轻人的想象力无疑会有很大帮助，虽然其中的一些想法未必正确。

我第二次见到惠勒，是我在加州大学圣芭芭拉分校做博士后的时候。那时候，他看上去已经很老，他报告了什么东西现在已经完全忘记了，唯一记住的就是他的明星效应-是的，即使在美国，他也是一个科学明星。

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弦论最近的进展甚微。我不知道这话还是不是继续成立。

有人问我为什么谈那么多宇宙学，弦论却谈得很少，就是这个原因。但是有一个例外，就是Bagger-Lambert的非阿贝尔M2膜理论，现在看起来是一个突破，如果还不能称为革命的话。

我们知道，D膜的低能有效理论是超对称规范理论。在D2情形，如果相互作用非常强，那么一方面时空长出一维，实际上有11维时空，D2膜同时变成M2膜，D2膜上的超对称规范理论有一个强相互作用（或者是红外）不动点，该不动点对应于M2膜上的超对称共形不变理论。一直以来，我们虽然知道这个理论的存在性，却没有人能够构造出来。主要原因是，没有人能够写出一个共形不变的作用量，因为一旦涉及相互作用，相关的算子往往不具备正确的维度。例如，在2+1中，标量场的维度是1/2，所以标量场的四次方的维度是2，不是3。但是，标量场的6次方却是3，所以Bagger和Lambert建议用三对易子，即Nambu括号，这正是我9年前研究过的事。

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礼拜五，我还在重庆耍子，DAMA/LIBRA探测暗物质粒子小组在arXiv上发表文章，声称发现暗物质粒子。这个小组由意大利和中国人组成。我记得若干年前他们有类似的发现，但没有得到大家的承认。这一次，综合DAMA/NaI和DAMA/LIBRA的结果，他们声称发现暗物质粒子的置信度在8.2。DAMA/NaI从96年开始运行到2002年，而DAMA/LIBRA开始于2003年。

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（下面是为别人的公文写的一部分，不贴出来觉得有点可惜）

暗能量的观测证据已经积累很多了，其效应几乎是不可置疑的。随着观测证据的积累，理论问题并没有得到很好的解决，虽然理论家们已经写了数以千计的理论文章，提出了上百个模型。这些模型到今天为止基本上是唯象的，也就是说，我们并没有在暗能量的基础理论上取得可见的进展。

要回答暗能量问题，我们至少要理解两个问题。1、暗能量为什么这么小，且是正的？2、暗能量的大小为什么在大爆炸发生了137亿年后的今天，与临界密度的大小相仿。弦论目前流行一种观点，认为存在很多亚稳态“真空”，每个这样的真空对应一个宇宙学常数大小，且有对应的物理如粒子物理中的规范群以及相互作用强度可以是变化的。如果这样的亚稳态真空足够多，那么就会出现接近或等于我们观测到的暗能量密度。这样，用所谓人择原理，就可以解释暗能量的两个问题。这种观点目前争议很大，争议主要围绕对于科学理论的理解和一些技术问题。在科学理论的层次，我们是否应该接受这样一种环境论？即宇宙之所以如此完全是偶然的，就像地球在太阳系的地位一样偶然。这种解释是否是科学的？技术层面上的问题很多。例如，我们真的理解了弦论中的亚稳态真空了吗？这些真空真的存在吗？如果存在，这些真空都会在宇宙中实现吗？实现的几率分布是怎样的？还是存在某种第一原理帮助我们来选择一些亚稳态真空？

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（爱因斯坦和泰戈尔）

（下周去重庆开会，这周多灌些水）

愚人节那天，麻省理工学院的M. Tegmark同学和Flora Lopis在网络物理文库发表了一篇文章，以诗歌的方式代替相对论课程8.033。

Relativity Revisited

发现这些老外同学的文学才能真是不错，例如这首诗比我在中文网络经常见到的诗强多了。中文诗人的一大缺陷是热情有余，才气不足，见识更加不足（加起来，就是没有诗艺）。所以，难怪很多人觉得新诗不是诗。新诗做好了当然是诗，做得不好，还不如不分行。

我本想翻译这首诗，有些长了，决定只翻译两段给大家看看。

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（下面是为《牛顿科学杂志》写的卷首，该杂志将登一篇日本人写的长文宇宙维。惯例，下面的短文请勿转载）

我在科大读研究生的时候，那是25年前吧，同学中有一位生活上比较笨拙的，某一天进门没看到那玻璃门是关着的，一头撞了上去。事后就有了一个传说：四牌楼一声巨响，某某某进入四维空间。

进入四维空间，不是人类近几十年才有的梦想。19世纪就有人想到在我们平常生活的三维空间之外，可能还存在着第四维，不过那时候人们将这种科学幻想看成地地道道的伪科学。进入20世纪，爱因斯坦提出引力其实是时间和空间弯曲的效应，第四维真正成为数理科学研究的对象。既然时空可以弯曲了，加上一个第四维，使得它很小，完全逃离我们日常经验的感知，是很容易做到的事。卡鲁扎在试图用爱因斯坦的理论统一万有引力和电磁力时，首先引入第四维。在他看来，电磁场无非是一种在第四维方向振动的场，这种统一在几何学上看起来非常完美。可惜，不久人们就发现，引入第四维的代价太大，和我们的实验结果矛盾，于是卡鲁扎的想法沉寂了四十余年。

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（本文是《新发现》的专栏，请勿转载）

进入物理学的人在年轻时或多或少地做过一个梦，就是将来要成为新的爱因斯坦。爱因斯坦和牛顿是物理学史上两个肩挨着肩的巨人，用中国的传统话来说，是两位并肩王，目前还没有见到哪个第三位人物想和他们攀比的。这两位不仅是物理学中，也是整个科学中的并肩王。这么说也许会引起小小的一阵骚动，因为有人会拿出莱布尼兹、达尔文等人来比。牛顿开启了整个现代科学，包括现代科学方法（当然还有先驱伽利略等人），形成了整个经典物理学体系以及发明了微积分，即使是同时发明微积分的莱布尼兹这样的伟大的哲学家也会觉得稍有不如。爱因斯坦则改变了经典物理体系，包括改变了人们的时空观以及参与了量子力学的发现，使得整个现代物理在他的阴影里发展，和牛顿的成就大致相仿。

爱因斯坦距离我们更近一些，所取得的成就对我们造成的影响和震撼更大一些。这么说并不是说牛顿的成就不会给人造成震撼，其实了解科学史的人知道牛顿的三大定律以及万有引力定律完全改变了当时人对地上和天上的物体运动规律的看法。也许是我们在中学就接触到牛顿力学，以及在日常生活中经常接触到牛顿力学的应用，所以对牛顿力学体系造成的震撼有了一定的免疫力。相反，爱因斯坦的相对论效应在日常生活中看不到，中学也不怎么教，所以一个在大学或者研究生阶段刚刚接触相对论的学生会有从难以置信到彻底信服的感受过程。这样，爱因斯坦就很难不成为令人仰慕和企羡的偶像。

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（给《现代物理知识》的稿子，朋友）

早期弦论中最著名的发现，或者毋宁说最让人不快的发现，是时空维度不能任意，特别是，不能等于4。现在最流行的证明是只有当弦论的时空维度等于26（纯粹玻色弦），或者10的时候（超弦），弦论才有狭义相对论的不变性。但最初导致发现玻色弦必须在26维时空中运动的原因与Lorentz不变性无关。Lovelace在研究开弦的单圈图的时候，发现了一个割线奇异点，这和幺正性矛盾，为了将这个割线奇异点变成单极点，时空维度必须是26。这个时候，这个单极点对应于一个闭弦态。所以，在很早的时候，人们就知道了没有一个仅含开弦的理论，因为闭弦态总会作为中间态出现。这个理由当然很形式。一个更加直观的理由是，如果一个开弦可以在中间的任何一点断开形成两个开弦，那么一个开弦的两个端点当然会连接起来形成一个闭弦。

弦论的发展在任何一个时期都充满让后来人觉得难以把握的细节，上面谈到的就是一个例子。西谚说魔鬼在细节里，讲的就是这个意思。后来的教科书总是循着逻辑展开，其实逻辑发展的每一步在真实的历史上都会涉及到曲折的故事。最近流行回忆弦论发展的第一阶段的历史，这很自然，因为40年前对弦论作出贡献的人在那时一般都很年轻，现在则是已经退休或临到退休了，正是适合做回忆的年纪。

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