朱清時：用量子力學解釋這個宇宙

作者：朱清時，中國科學技術大學前校長

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二十世紀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創造的巨大物質財富: 核能、激光、電子技術，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謹的科學根據，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］北京2006年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，以至於大多數來自北大、清華的學子都說沒太聽懂。據北京晨報報導，昨天下午，北京國際會議中心排起數百米的長隊。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采。但兩個小時的公眾科普報告尚未結束，已有人提前退場——實在聽不懂。

霍金這次講的《宇宙的起源》，其基礎是當代自然科學的最新成就—弦論。真正懂得這個理論的人,都會產生一種強烈的敬畏、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,並一窺宇宙的奧秘。

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我們從當代著名的哲學家施太格繆勒（Wolfgang Stegmuller）在《當代哲學主流》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:二十世紀的失誤是什麼呢? 對這個問題他們會回答說:在二十世紀,一方面唯物主義哲學(它把物質說成是唯一真正的實在)不僅在世界上許多國家成為現行官方世界觀的組成部分,而且即使在西方哲學中,譬如在所謂身心討論的範圍內, 也常常處於支配地位。 但是另一方面,恰恰是這個物質概念始終是使這個世紀的科學感到最困難、最難解決和最難理解的概念。」這就是說,一方面以「唯物主義」為標記的哲學廣為流行, 而另一方面「物質」究竟是什麼? 卻又說不清。施太格繆勒正是在這裡看到了「二十世紀的失誤」。你可能會問, 究竟什麼是物質? 它為什麼是科學感到最困難、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,物質是構成宇宙的永恆的磚塊，萬物從它所出，最後又復歸於它，它不生不滅，不增不減，是世界過程絕對同—的起點和終點。物質作為普遍的、不變的東西，必然是絕對的實體和基質。實體者,「實實在在」的客體之謂也。物質及其性質必須獨立於人類的意識而存在，是客觀的實體。

後來,以牛頓力學為基礎的經典物理學，繼承了上述古代原子論的觀點，把物質歸結為具有某些絕對不變屬性的質點的集合。質點概念本來是對作整體運動的固體的一種抽象，但它在液體、氣體乃至熱現象中的應用也獲得了成功。對於所有這些能夠具有機械運動的物質形態，物理學稱之為實物。在當時的自然哲學中．又稱之為實體。把物質歸結為物體，進而把物質看成實體，這同質量在牛頓力學中的特殊地位和作用有關。牛頓之所以把質量定義為「物質多少」的量度，就是因為在任何機械運動過程中，乃至在化學反應中，質量始終如一。質量被理所當然地看成是物質本身所絕對固有的，被看成物質不滅或實體不變原理的具體表現。

以牛頓力學為代表的經典物理學在十九世紀末所取得的巨大成功,使得認為物質是絕對實體的唯物主義成了在二十世紀處於支配地位的哲學,正如前面引用的施太格繆勒的名言所講的。

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然而,二十世紀愛因斯坦發明的相對論開始揭示出了物質的實體觀的謬誤。首先,相對論證明質量與速度有關, 同一個物體,相對於不同的參考系, 其質量就有不同的值。

想像一個人在推一輛沒有任何阻力的小板車，只要持續推它，速度就會越來越快，但隨著時間的推移，它的質量也越來越大，起初像車上堆滿了木柴，然後好像是裝著鋼鐵,最後好像是裝著一個地球……當小板車達到光速時，整個宇宙好像都裝在了它上面——它的質量達到無窮大。這時，無論施加多大力，它也不能運動得再快一些。

當物體運動接近光速時，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？其實能量並沒有消失，而是轉化為了質量。愛因斯坦在說明物體的質量與能量之間的相互轉化關係時，提出了著名的質能方程：能量等於質量乘以光速的平方。不久後科學家們發現了核裂變和鏈式反應，把部分質量變成巨大能量釋放出來。現在知道原子彈的人，都相信質量可以轉化成能量。

既然質量不再是不變的屬性，那種認為質量是物質多少的量度的概念就失去了意義。既然物質與能量是可以相互轉化的,能量並非「實體」,物質也就不能再被看作是實體。

與此同時,科學家對物質結構的認識也迅速深入發展。在本世紀30年代以前，經典物理學一直認為：物質是由分子構成的，分子是由原子構成的。原子是組成物質的最小「磚塊」。1932年，科學家經過研究證實：原子是由電子、中子和質子組成的。以後，科學家們把比原子核次一級的小粒子，如質子、中子等看作是物質微觀結構的第三個層次，統稱為基本粒子。1964年，美國物理學家馬雷蓋爾曼大膽地提出新理論：質子和中子並非是最基本的顆粒，它們是由一種更微小的東西——夸克構成的。為了尋找夸克，全世界優秀的物理學家奮鬥了20年，雖然一些實驗現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，粒子學家們的解釋是：夸克是極不穩定的、壽命極短的粒子，它只能在束縛態內穩定存在，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，除少數壽命特別長的穩定粒子（如光子、中微子、電子和質子）外，其它都是瞬息即逝的，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餘種。其中，π±介子的壽命大致為2．6×10-8秒，即π±介子經過一億分之一秒就衰變成了其它粒子。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個數量級。壽命最短的，則要算通過強相互作用衰變的「共振態粒子」（如Δ粒子、Σ粒子等）。它們的夥伴特別多，占基本粒子家族成員的一半以上，共200多種。它們的壽命之短達到了驚人的地步，以致於人們很難用確切的形容詞來描述它們的衰變過程；粒子物理學家即使利用最優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。

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為什麼絕大多數基本粒子都如此短命?如何理解我們的物質世界就是建立在這些瞬息即逝的「磚塊」上?在二十世紀的後期,物理學的一個前沿領域-弦論的發展又使我們對物質的看法更進了一步。

什麼是弦論呢?愛因斯坦在後半生中,一直在尋找統一場論,即一個能在單獨的包羅萬象的數學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雅。愛因斯坦未能實現他的夢，因為當時人們還不知道自然界的許多基本特徵。但在他去世以後的半個世紀中，人們已構築起越來越完整的有關自然界的理論。如今，相當一部分物理學家相信他們終於發現了一個框架，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，一個能描述一切現象的理論，這就是弦論。它正在實現當年愛因斯坦滿懷熱情追求的統一理論的理想。

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有特殊的共振頻率和波長。小提琴弦的一個共振頻率對應於一個音階, 而宇宙弦的不同頻率的振動對應於不同的質量和能量。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態。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, 它們不斷在產生, 也不斷在湮滅。我們現實的物質世界,其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂! 有人會說,把物質世界看是宇宙弦演奏的一曲交響樂,不正是與物質的對立面-意識有些相同了嗎？是的。按照當前流行的觀點，意識是完全基於物質基礎(我們的腦)而存在，但意識不是一種具體的物質實在,因為沒有人在進行腦科手術時在顱骨內發現過任何有形的「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。但這套樂器本身並不是交響樂。意識是大腦演奏的交響樂。這個圖像為理解「心物一元」,即意識和物質的統一,開闢了新途徑。

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,它們是組成物質世界的基本單元,因此物質世界也應該是客觀實在。此話不準確。組成物質世界的基本單元是宇宙弦的各種可能的振動態，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出的每一個音符，而不是樂器自身一樣。

在弦論之前，物質的實在性體現在組成客觀世界的磚塊是上百種原子，這些原子都是由質子、中子和電子等基本粒子組成。這些基本粒子都被當作是物質實體，都是組成物質世界的「超級磚塊」，因而可以把物質世界看作是物質實體。在弦論之中，情況發生了根本變化。過去認為是組成客觀世界的磚塊的基本粒子，現在都是宇宙弦上的各種「音符」。多種多樣的物質世界，真的成了「一切有為法，如夢幻泡影，如露亦如電，應作如是觀。（《金剛經》）」物理學到此已進入了「自性本空」的境界！

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有人會想,天啊!物質都不是客觀實在了,那麼世界上還有什麼東西是實在的嗎?回答是,有的。事物之間的關係就是實在的。我們根據二十世紀自然科學的進展,可以用關係實在來取代絕對的物質實體, 即主張事物不是孤立的、由固有質構成的實體，而是多種潛在因素緣起、顯現的結果。每一存有者都以他物為根據，是一系列潛在因素結合生成的。「現象、實在和存有被限定在一組本質上不可分離的關係結構中」。

哲學家們在論述「關係實在」時使用的哲學辭彙對你可能生澀難懂,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生的。首先是光的波長值,借用哲學家們熟悉的語言，這是「第一類性質」, 這類性質還有如物體的廣延性等, 是物體自身內在所固有, 它既不依賴於觀察者, 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又稱為「因」。其次, 我們還需要具備一些其它條作,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「關係參量」,又稱為「緣」。這些因緣聚合產生了紅光這個果。「紅色」這類顏色性質是「第二類性質」,其存在至少部分地依賴於觀察者。「關係實在論」就是說,關係參量是不可消除的,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,所以單有因是結不出果的。一定要將種子放在土壤中,並且要有適當的水分、陽光、溫度、肥料等等的配合, 種子才會發芽長大,最後長成一顆蘋果樹,結出蘋果來。這裡的土壤、水分、陽光、溫度、肥料等等,就是「緣」。所以「因」一定要配合適當的「緣」,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,結出的果也就很不相同了。比如,把種子放進貧瘠的泥土裡,或者施肥不夠,蘋果樹必然長得不大, 結出的蘋果也不會好吃。 假如把種子放在肥沃的土壤中,加上細心照料, 結出的果實就會香甜好吃。由此可見,同樣的因遇到不同的緣,結出的果便會很不相同。同時,由於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,而緣又在那麼多條件配合下產生作用, 假如某個條件改變了, 甚至消失了,那麼果便可能不再存在。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。」 有的讀者可能已經發現, 以上這些關於蘋果的文字,是轉述潘宗光《佛教與人生》一書有關緣起法內容。所謂「關係」者,「緣」也,「關係實在論」其實與佛學緣起說的基本思想一致。

總之,在二十一世紀開始的時候,以弦論為代表的物理學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麼生動的報告，原因就是物質是實體的觀念在人們的心中太執著了!

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佛學認為物質世界的本質就是緣起性空。藏識海（又名如來海）是宇宙的本體。物質世界的萬事萬物，都是風緣引起的海上波濤,換言之,物質世界就是風緣吹奏宇宙本體產生的交響樂。

《入楞伽經》云：「譬如巨海浪。斯由猛風起。洪流鼓冥壑。無有斷絕時。藏識海常住。境界風所動。種種諸識浪。騰躍而轉生。」這句偈語說：譬如一個大海，風平浪靜，澄然湛寂，當陣陣烈風吹來時，使平靜的大海，生起重重無盡的浪波，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。因內外境風的吹盪，便使寂然清凈的本體，隨變為浪潮起伏，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，便轉生一切境界，而無有止境了。如經文所說：「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。」。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，在本質上並非相異，可是當它們形成為萬物之後，卻不能說與心識的作用是無異的了。譬如海水既然轉變成為波浪，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生。又因心與物的和合，發生世間種種事情，於是本來澄清的識海，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。）

這裡海水與波浪的關係，正是弦與音樂的關係。它們也正是物質世界與宇宙本體的關係。當我弄懂了這個道理的時候，心裡充滿了敬畏和震撼。讀到這裡,你可能感到：「科學家千辛萬苦爬到山頂時，佛學大師已經在此等候多時了！」

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