《终极理论之梦》读书笔记
[以下摘自：第一推动丛书第三辑：史蒂芬·温伯格《终极理论之梦》P169。原书：Steven Weinberg, "Dreams of a Final Theory"P211]
终极理论也许远在几个世纪以外，也许完全不同于我们今天想象的任何东西。不过，我们姑且假定它就在某个角落，那么，根据已经知道的东西，我们关于那个理论能猜想些什么呢？
在我看来，今天的物理学中能够不变地在终极理论中保留下来的部分是量子力学。这不仅因为量子力学是我们今天关于物质和力的一切知识的基础，经过了非常严格的实验检验；更重要的是，没有人能想出什么办法来改变量子力学，使它能以任何方式保留那些成功而不带来逻辑的荒谬。[荒唐－－我也觉得量子力学精美绝伦。但现状似乎是如果放弃量子力学，那么我们在物理学上的知识基本上就全军覆没，包括那些最前卫的理论。即便在那个“终极理论”中连量子力学也需要彻底修改，可能也根本没人知道应该怎么办。不过我不反对赌赌运气。Penrose对量子力学的不可动摇的根本地位持怀疑态度，但是怀疑归怀疑，除非有充分的理由逼我们寻找量子力学替代品，否则不妨继续赌下去。补充一下，我对作者对于“终极理论”的态度并不赞同。]
虽然量子力学为一切自然现象提供了表现的舞台，但它本身却是一个空空的架子。量子力学使我们能想象大量不同的可能的物理学系统：由通过任何形式的力发生相互作用的任何粒子组成的系统，甚至还有任何根本不是由粒子组成的系统。近百年的物理学历史已经证明了是逐步认识对称性的历史，是对称性原理导演了我们在量子力学舞台上看到的形形色色的戏剧。我们今天关于弱力、电磁力和强力的标准模型所一来的也是对称性：狭义相对论的时空对称性，它要求标准模型应该建成一个场的理论；还有一些内在是对称性，它们决定了电磁场和承载标准模型的力的其它场的存在。引力也可以在对称性的原理的基础上来认识，那是爱因斯坦广义相对论中的对称性，它决定了无论我们描写时间和空间位置的方式如何变化，自然定律都不会改变。
根据一个世纪的经历，大家都相信最后的理论应该建立在对称性原理的基础上。我们期待着这些对称性能把引力与标准模型的弱力、电磁力和强力统一起来。但是几十年来我们仍然不知道那是什么样的一些对称性，而且我们也没有一个能在数学上满意的包括了广义相对论基本对称性的引力的量子理论。
现在的情况大概有些不同了。近十年来，一个关于引力甚至也许包罗万象的崭新的量子理论框架已经发展起来了－－那就是弦理论。弦理论为我们推出了第一个可能的终极理论的候选者。
……（跳到下一章→P184中译|P230原版）
很难想象我们能拥有一个不需要任何更深层的原理来解释的终极物理学原理。许多人想当然地认为，我们将得到一个无穷的原理链，每个原理后面都跟着更深的原理。例如，现代的科学哲学大家波普尔（Karl Popper）就拒绝“终极解释的思想”。他坚持“每一个解释都能通过普适性更高的理论或猜想得到进一步的解释，不可能有不需要解释的解释……”[荒唐－－我的想法是，我们并不知道这个链条是否无穷，也并不知道这条链条上更深层的理论是否一定会更简单。但是，即便我们已经找到了终极理论，我们也无法确认这一点。我们可能找到一个理论，这个理论把我们现在已知的所有理论全都统一了，没有任何例外，甚至可能今后永远都无法发现例外。但我们无法绝对确认这一点。因为是否还有更深层的规律，这些规律是否一定会被我们找到，这是由造物主或者这个宇宙本身说了算的，并不是由我们说了算的。波普尔不一定正确，他犯了把假设当作真理或者信仰的错误。但是作者对待终极理论的态度似乎也有类似的问题，只不过走到了另外一个极端。]
波普尔跟其它许多相信无限基本原理链的人可能最终是正确的，但我想这个观点不能从迄今还没有人发现一个终极理论的事实来讨论。那样的话，就像19世纪的探险家们说的，因为过去几百年的北极探险总是发现，不论他们深入北极多远，北方总还有更多的汪洋和冰雪，要么没有北极点，要么谁也没有到过那儿。但最后还是有人走来了。
似乎许多人都有那样的印象，过去的科学家常常自以为发现了终极理论。他们就像哪位想象自己在1908年到达了北极点的探险家柯克（Frederick Cook）。人们想象，科学家惯于精心构筑他们宣扬的所谓终极理论的蓝图，并顽固地捍卫它，直到如山的实验证据向新一代科学家们证明那些蓝图全都错了。但是，据我所知，本世纪还没有那个著名的物理学家宣布过已经发现了终极理论。不过，物理学家有时确实忘了达到理论的终点还需要走过漫漫长路
。回想一下迈克尔逊1902年的预言：“从众多表面相隔遥远的思想领域出发的路线汇聚到……一片共同的土地上来的日子看来不会太远了。”最近，霍金在接受剑桥大学的数学卢卡西讲座教授（牛顿和狄拉克坐过的席位）的就职演说里提出，那时正流行的“扩张的超引力”理论即将为某个终极理论提供基础。我怀疑霍金今天还会那样说。但是，不论迈克尔逊还是霍金，都没有说终极理论已经在手了。
……（跳过一段→P186中译|P232原版）
我们相信，由一个比一个更简单的基本理论构成的链条，既不会无限延伸，也不会有一个终点，但是这不太可能发生。剑桥的哲学家雷赫德（Michael Redhead）认为，那些链条有可能绕回去。他指出，正统的量子力学的哥本哈根解释需要一个观测者的宏观世界，需要测量仪器，而这些宏观的东西本身也需要量子力学来解释。这个观点在我看来又提供了一个例子，让我们看到，量子力学的哥本哈根解释和它对量子现象与研究那些现象的观测者的不同处理方式，都存在什么问题。在埃弗雷特等人最现实的量子力学方法里，只有一个包括实验和观测者在内的一切现象的波函数，而基本定律描述的是这个波函数的演化。[荒唐－－感觉这段话的逻辑有混乱。首先，更基本的理论未必更简单，没有任何理由让我们坚信这一点。其次，后面所举的用来说明链条构成回路的量子力学哥本哈根解释的例子似乎跟基本理论本身的层次无关，只不过说明了量子理论自身的自指特性。]
……（跳过几段→P188中译|P236原版）
尽管不难设想一个没有更深的原理来解释的终极理论，但是很难想象一个不需要那样的解释的终极理论。不管终极理论是什么，它在逻辑当然是不可避免的。即使最后证明终极理论是能用几个简单方程表达的弦理论，即使我们能够证明这是既能描写引力和其它力又没有数学矛盾的唯一可能的量子力学理论，我们还是要问，为什么会有引力那样的东西？为什么自然会服从量子力学的法则？为什么宇宙不喜欢跟着牛顿力学那飞旋不停的点粒子？为什么存在天下万物？雷赫德（Michael Redhead）不相信“在逻辑上自我辩护的科学基础的目标”，也许代表了多数人的观点。
另一方面，惠勒曾经说过，当我们走近终极理论时，我们会惊讶它们为什么不从一开始就显而易见呢？我想惠勒可能是对的，不过那只是因为我们发现那些定律显而易见的时候，已经历了几百年的科学失败和成功。即使这样，我想那个“为什么”的老问题，虽然形式上不那么强硬，仍然伴随着我们。哈佛的哲学家诺兹克（Robert Nozick）曾抓住这个问题，他建议我们不要在纯逻辑的基础上导出终极理论，而应该寻求使它比简单粗野的事实更令人满意的论证。
在我看来，沿着这样的路线，我们最好能希望证明终极理论尽管不是逻辑必然的，却是逻辑孤立的。就是说，也许到头来我们还是总可以想象跟真正的终极理论完全不同的其它理论（如牛顿力学统治的无聊的粒子世界），但是我们发现的终极理论却是非常刚强的，任何微小的修正都将带来逻辑的荒谬。在一个逻辑孤立的理论中，每一个自然常数都可以根据第一原理计算出来；任何常数值的微小改变都将破坏理论的和谐。终极理论就像一个精美的瓷器，要扭曲它就只能打碎它。在这种情形下，尽管我们可能还不知道为什么终极理论是对的，我们却可以在纯数学和逻辑的基础上知道那个理论为什么不是别的样子。
这不单是一种可能－－我们已经走在这条通往逻辑孤立的理论的路上了。已知的最基本的物理学原理是量子力学的法则，是我们所知的关于物质及其相互作用的其它一切事物的基础。量子力学不是逻辑必然的；它的前身牛顿力学似乎并没有什么在逻辑上不可能的东西。不过，物理学家却没能成功地找到改变量子力学法则的任何路线，哪怕微小的改变也会引出像负几率那样的逻辑灾难。
但是量子力学本身不是完备的物理学理论。它没有告诉我们任何关于可能存在的粒子和力的任何东西。翻开任何一本量子力学的教科书，我们能看到许多奇怪的假想粒子和力的例子，多数都不像我们真实世界里存在的东西，但它们都完全符合量子力学的原理，可以用来教会学生使用那些原理。如果我们只考虑与狭义相对论一致的量子力学理论，可能的理论就不会很多。多数理论都将因为产生无穷大的能量或者无穷大的反应率等无意义的东西而被逻辑排除出去。即使这样还会留下很多在逻辑上可能的理论，如关于强力的量子色动力学，除了夸克和胶子，它没有宇宙的其它东西。但是，如果我们坚持理论应该把引力包括进来，那么大多数那样的理论又将被排除了。也许我们可以在数学上证明这些要求只留下唯一一个逻辑可能的量子力学理论，也许那就是一个关于弦的理论。如果真是那样，虽然可能还有很多其它逻辑可能的终极理论，但是只有一个描写了与我们自己的世界相关的事物－－尽管那关系还有些遥远。
但是为什么终极理论应该描写与我们世界有关的东西呢？在诺兹克（Robert Nozick）所谓的多生（fecundity）原理中也许能找到解释。那个原理说：逻辑上能接受的所有宇宙在某种意义上都是存在的，每个宇宙有自己的一套基本定律。多生原理本身没有任何解释，但它至少具有一定的令人满意的和谐性；正如诺兹克讲的，多生原理说明了“所有可能的都是现实的，而他本身也是那些可能性中的一种”。[荒唐－－我也有类似于这种“多生”原理的想法，原来诺兹克已经提出过了。这种原理里面所提到的宇宙实际上比那个由真空涨落创生了无数个小宇宙（包括我们生存的宇宙）的“巨宇宙”更巨大，包括了一切数学上允许存在的合乎逻辑的构造。不过这里的表述的一个必须小心处理的地方是：“存在”的含义是什么，几乎可以肯定这不是通常意义上的“存在”。在这个原理之下，许多可能的宇宙之间，甚至连相对位置关系这种关系都无法谈论，只能谈论某些更加底层的数学关系。而在那个“巨宇宙”之中，它所创生的小宇宙至少我们还可以谈论它们在“巨宇宙”之中的相对位置关系的。另外，一个值得一提的地方是：“多生”原理所允许的一切宇宙所构成的“宇宙类”，它本身所遵循的“基本物理规律”是·空·！不会有比这个“宇宙类”所遵循的“空规律”更简单的基本物理规律了。我很清楚许多人会跳起来质疑这种想法有什么意义，我很愿意承认这个想法很可能甚至必然没有任何实践上的意义。但是这个想法很有趣，这就够了，有没有现实意义我并不关心，因为我本来就没有想要拿它去实践什么。如果这种想法能够对我们所思考的问题起到一点开拓思路的作用，就更谢天谢地了。]
如果真像这个原理说的，那么将存在一个我们自己的量子力学的世界，存在永不停息地飞旋的粒子的牛顿世界，存在没有任何东西的世界，也存在我们难以想象的数不清的其它世界。这不仅是说，从宇宙的一个地方到另一个地方，从一个阶段到另一个阶段，或者从一个波函数到另一个波函数，所谓的自然常数在发生改变；正如我们看到的，它还包括了一个真正的基本理论（如量子宇宙学）所有可能发生的情况，但是仍然留下一个问题：为什么基本理论是那样的？另一方面，多生原理则认为存在着完全不同的宇宙，遵从完全不同的定律。但是，假如别的宇宙完全无法接触，完全无法认识，那么关于它们存在的说法，除了避免为什么它们不存在的问题而外，似乎没有任何结果。问题在于，我们想从逻辑来谈论一个对逻辑论证没有真正意义的问题：什么是我们应该或不应该好奇的东西？
我们曾靠人择的理由帮助解释为什么我们宇宙的终极理论是那样的，多生原理从新的途径证明了它的作用。存在着许多可能的宇宙类型，它们的定律和历史使它们不利于智慧生命，但任何追问世界为什么那样的科学家却一定生活在别的某个宇宙中，那里是能够出现智慧生命的。这样，我们马上就可以排除牛顿物理学统治的宇宙（起码的一点，那样的世界里没有稳定的原子）或者什么也没有的宇宙。[荒唐－－我觉得人择原理这个名词本身很无聊，拿人类或者智慧生命来说明这个原理更加无聊。既然我们看到了现在这个宇宙的样子，那么我们所寻找的基本物理规律必须能够允许我们看到宇宙现在这个样子，否则这个规律即便成立至少也不是我们所处的这个宇宙的规律。“终极理论”，仅仅允许智慧生命存在是根本不足够的，还必须让我们看到我们所知道的任何一个观测事实。因此，与其说是人择，还不如说是事实对理论的约束，叫作“实择”才更准确。事实上，数学中已经有了与此对应的概念：条件概率、待定系数、回归分析，虽然都不是很贴切，但是“实择”至少比“人择”更精确一些。]
从极端说，可能只有唯一一个逻辑孤立的理论，没有待定的常数，相应于某种能为终极理论感到惊奇的智慧生命。假如能证明这一点，我们差不多就能如愿地解释为什么世界是那样的。[荒唐－－为什么我们希望一个理论中没有待定的常数？事实上，理论本身可能都可以看作是“泛函空间”中一套待定的方程，与此同时，常数的值本身也能够作为理论的一条基本原理。我觉得常数和方程之间的差别只是层次上的差别。]
