丘成桐对话著名数学家 拨动“宇宙的琴弦”与著名数学家丘成桐等对话

新华网北京6月20日电 题:拨动“宇宙的琴弦”——与国际弦理论大会主席、著名数学家丘成桐等对话

新华社记者李斌、吴晶晶

在生命的最后30年里,爱因斯坦一直在寻找统一场论——一个能在单独的包罗万象的数学框架下描述自然界所有力的理论。

历经40年的发展后,越来越多的科学家认为,弦理论(又名超弦理论)有望成为爱因斯坦苦苦寻找的这种理论。19日上午,国际弦理论大会在北京开幕,来自各国的600多位科学家云集北京,共同探讨弦理论这一包罗万象、有望“一统天下”的理论。

究竟什么是弦理论?弦理论怎么会认为时空是11维的,而其中6维是“卷曲”的?这个理论和老百姓有什么关系?如此前沿的会议为何会在北京召开?为揭开这些谜团,19日下午,友谊宾馆的咖啡厅里,国际弦理论大会主席、著名数学家丘成桐和美国加州大学洛杉矶分校教授、国际弦理论青年领军人之一的刘克峰接受了新华社记者的独家专访。

苦苦寻觅物理学的“圣杯”

记者(以下简称记):什么是弦理论?

丘成桐(以下简称丘):简单地说,弦理论就是将“弦”看作是物质组成的最基本单元,所有的粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态。

刘克峰(以下简称刘):大自然就这么奇妙,就像小提琴或者其他什么琴,几根琴弦就能弹出许多无比美妙的乐曲。做弦理论研究,你也会感觉很奇妙,就像是在拨动着“宇宙的琴弦”。

记:提起相对论、量子理论,大家都很熟悉。它们和弦理论是什么关系?

刘:量子理论可以解释原子等小的粒子,但是它和相对论中间有一条很大的鸿沟,二者都无法解释一些自相矛盾的现象。爱因斯坦后半生就是想弥补这条鸿沟,试图寻找一个大统一理论,将引力等4种力统一起来,上到宇宙,下到粒子,都可以解释。但是最终没有实现。上午,诺贝尔奖得主格里斯教授在报告中提出,弦理论可能就是大家苦苦寻觅的物理学“圣杯”。

丘:弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和引力等四种相互作用力统一起来的理论,它第一次将二十世纪的两大基础理论——广义相对论和量子力学结合到一个数学上自洽的框架里,有可能解决一些长期困扰物理学家的世纪难题,如黑洞的本质、宇宙的起源等。弦理论的实验证实,将从根本上改变人们对结构、空间和时间的认识。

“现在是激动人心的时代”

记:这些年,弦理论有什么进展?

丘:历史已经证明,弦理论与数学的交融已经带动了双方革命性的进展,尤其是近年来弦理论、微分几何、拓扑学、代数学、数论和代数几何等数学主流学科的迅猛发展,把我们又一次带到了令人激动的重大革命性突破的前夜。

刘(激动中略带兴奋):近20年数学菲尔兹奖得主的获奖工作,有一半与量子场论、弦理论有关。无论你研究哪一个方向,总会在弦理论中找到用武之地。而弦理论学家们也迫不及待地注视着数学中一点一滴的新进展,迅速理解并加以应用。这种交流激发了数学与物理学的无尽活力。我们有理由猜测:难道上帝是根据数学公式创造了世界?毫无疑问,数学是开启大自然的钥匙。

记:什么叫突破性的前夜?

刘:现在是弦理论发展史上激动人心的时代,总是有激动人心的事情发生。什么都有可能:有可能明天就“统一”起来,也可能还要等一百年。

记:数学和弦理论有什么关系?

刘:近30年来数学领域的革命性进展,许多都和理论物理尤其是超弦有关。不久前,庞加莱猜想被完全破解。其中,俄罗斯科学家之所以将破解猜想的工作往前推进了一大步,也是受到弦理论的启发,运用了一个超弦物理公式。

丘:交叉是很重要的。近代弦理论的发展已经成功将微分几何、代数几何、数论、拓扑学等领域部分地统一起来,数学由此收获了丰富的果实。我相信,在物理面临“大统一”时,拥有诸多分支的数学也将走向统一。

“霍金开始也反对”

问:在常人看来,时空是由三维空间和一维时间组成的。为什么弦理论认为空间是10维甚至是11维,而6个维度是“卷曲”的?“卷曲”是什么意思?

丘:(他拿起一张纸,卷成纸筒)你看,在很远的地方看它,是一个点,但实际上是一根线。我们已经证实,除非时空是10维的,否则整个量子场论是矛盾的。对人类来说,卷曲的6维空间是很小很小的,几乎看不见。如果你变成一个原子,就会看到6维空间。这就像人类对黑洞的认识过程:50多年前,人们不相信黑洞存在。但是现在,大多数人都相信。

问:霍金的研究和弦理论有关系吗?

丘:他开始反对弦理论。但是约10年前,当两位科学家用弦理论证明了一个物理公式以后,他开始承认和相信。他认为,在大爆炸之前不存在时间。当然,霍金提出的概念对不对,需要验证。

问:弦理论迄今还是理论,没有得到实验的证实?

丘:假如欧洲的大型对撞机能够证实超对称现象的存在,将是一个大的突破。那将是弦理论首次得到实验证实。

“中国人不做,太可惜”

记:弦理论和老百姓有什么关系?

丘:能对社会产生什么影响,现在不好说,但是五六十年后肯定会有。量子力学提出时,谁也没有想到会影响这么大,当时谁会想到原子弹?想到现在的人类可以“上天入地”?

记:华人在弦理论中做了什么工作?

刘:从陈省身、杨振宁到丘成桐,华人数学家和物理学家在世界上一直拥有崇高的国际地位,而年轻一代的数学家、物理学家也正在这些领域发挥重要的领导作用。像丘先生和卡拉比提出的“卡拉比-丘成桐流形”,就是非常重要的工作,是大多数弦理论专家必用的工具。

记:国内现在的实力如何?

丘:看看这次会议就明白,能走上台面的中国本土科学家不多,至少比印度人少。像荷兰这样的小国家,在这个领域还有3个“大家”呢!弦理论是“众妙之门”,但现在国内做的没几个。

中国人不能隔岸观火。对整个宇宙和物质的构成,人类都有好奇心,中国人也应如此。我们不应该局限于一些小的课题,要敢于碰真正重要、基本的课题。要有宏观看法,要有大的视野。希望有关部门和年轻科学家能参与到这件事中来。

刘:弦理论在国外是主流学科。我不明白,为什么国内极少有人做这方面的研究?国家这么大,又有这么多杰出的华人数学家和物理学家,条件得天独厚,我们现在不做,那就太可惜了。弦理论发展正处于半经典时期,有许多发现的可能。中国科学家有机会,也应有信心在这方面做出开创性的工作,在这一当前最激动人心的领域里占有最重要的一席。