第二章 弦与空气是这么简单 光落在画布也很简单——李淼《无题》 李淼常常爱反思历史。在他的“人生金三角”里,科学、人文、兴趣构成最最 稳定的态势,而历史,按照二十世纪英国哲学家、历史学家伯特兰·罗素的归纳, 历史科学之成其为历史科学而不同于自然科学,因为历史学是一种文化或人文的科 学。 早在十九世纪,由于自然科学的不断进步,导致人们普遍产生了一种信念,认 为随着科学的进步,一切问题都将被纳入科学的范围之中,科学终将囊括一切并最 终让所有的问题迎刃而解。痴迷于天体物理理论的李淼,显然没有承续这种观念, 他认为历史是偶然的。 罗素的历史哲学被称为“反思的历史哲学”,李淼对历史的理解,倒和罗素比 较一致,是根据他对人性的理解而得出的看法。如果历史唯物主义观点大行其道, 他必然选择的是科学。 2013年8 月,李淼在腾讯大家专栏发表了一篇文章:《历史是偶然的》,他认 为,历史唯物主义作为人类社会发展的“科学”根本不科学。历史不存在一个根本 的规律,因为整个宇宙本身并不存在一个决定论的根本规律。而历史唯物主义的一 个主要观点是,历史的所有事件发生的根本原因是物资的丰富程度,将一切约化为 物质,雅一点的说法是经济决定历史,环境决定意识。 为了阐述清楚观点,李淼从自己的专业领域里取材: 宇宙在热大爆炸发生之前发生了一个极为短暂的暴涨……这个时期的存在极为 重要,没有它,我们的宇宙不可能成长为今天这么大的一个宏观宇宙,尺度达到四 百亿光年以上。 这个时期存在还有另一个重要性,那就是,今天的恒星,数千亿颗恒星组成的 星系,都是在暴涨期就有了诞生的种子。这些种子是怎么来的?物理学家通过量子 论计算告诉我们,在这个极为短暂的时期,真空能量发生了涨落。这些涨落很寻常, 它们还不断地在宇宙中发生,不断地在我们身边发生,涨了就落,落了就涨。但它 们在暴涨时期发生就不寻常了,因为那时宇宙空间膨胀得极为迅速,很多涨落还没 有来得及落回去,就被迅速膨胀的空间拉开并固定下来了。这些涨落从能量密度上 来看非常小,只有十万分之一。可是,就是这些细微的涨落后来在万有引力的作用 下慢慢地成长,最终成长为恒星和星系。 学过一点量子论的人很快就知道了,原来我们在天空看到的恒星以及星系是量 子涨落的结果,而量子涨落是偶然的,我们只能计算某个空域中恒星和星系出现的 概率,却不能预言什么恒星和什么星系会出现。 李淼总结说:“所有和人类活动有关的事情,最终都归结为人的大脑活动,而 迄今为止我们并不能预言大脑的运行,也不知道它做出决定过程的细节。这就将我 们带到一个终极问题,人类是否拥有自由意志。人类是否拥有自由意志?……人类 的自由意志,如果存在的话,则彻底推翻历史唯物主义,因为很多重大的决定可能 与物质或经济完全无关,它们是某些人大脑自由决定的结果。” 李淼的这些文字,从另一个方面佐证了罗素的话:“历史的事实,乃是心理学 上的事实。” 有意思的是,李淼并非从自我出发,但他对历史的看法,和他的命运遭际十分 恰切一致——那就是与F 老师的相遇。 F 老师对李淼人生轨迹的走向产生了根本性的影响。 北大期间,李淼曾经提前参加过一次李政道的CASPEA出国考试,但他非常不适 应美国那种题海和多选择题的方式,也就打消了出国的念头。 大四开始时,他去李老师位于北大蔚秀园的家找李老师,尽管F 老师当时常常 在合肥,偶尔才回北京,他还是坚定地告诉李老师,他要在国内读研,而且只读F 老师的研究生。 李老师家位于高层,得爬楼,每次爬楼的时候,他都既兴奋,又害怕,仿佛就 要走向自己难以预知的未来。 后来,他开始学习广义相对论,再去李老师家拜访时,就有了很多急需和F 老 师讨论的问题,都是些很大的问题,诸如是否存在大统一理论?时空的本质是什么? 等等。 那时候,李淼的心情是迫切的,想迅速地进入一个可以自我发挥的自由领域, 想知道物理学最前沿的发展,驾上自己的理论马车。(有了这一段经历,李淼现在 对待自己的研究生,对于他们同样的急迫心情,就有了深切的理解,会理性地告诉 他们急于求成的坏处,规劝他们好好打基础,有了基础再研究课题。) 对考研经历的回忆,比高考还清晰——李淼告诫自己:考上科大,跟F 老师, 必须的!几门专业课是在北京地质学院考的,他借了别人的自行车,每次都是从北 大赶过去,直冲向考场,风嗖嗖地在耳边响,一些大树从身边掠过,校园空旷、安 静,他在前行中感到身体轻盈,渴望飞翔。 结果是完美的,他考上了。 F 老师的主要研究领域,是天体物理,非常宽,包括大尺度结构,致密恒星的 结构,类星体,宇宙学,甚至涉及引力的基本理论。 那时,著名的科大天体物理教研室附属于物理教研室——简称物教,今天,天 体物理教研室已经发展成一个系了。当时教研室的人都沿用老师们传统的叫法:天 体组。在F 老师的带领下,天体组非常兴旺,两间打通的房间,外间是公共活动用 的,开学术报告会等等,里间是天体组的图书室,里面有很多专业书,有当时的影 印书和学术刊物,也有F 老师通过私人关系与海外联系得到的原版杂志。现在,要 想找到这些东西,是不可能的了。 天体组每周都开研讨会,通常在晚上开。 李淼读研一时就做了一个学术报告,也是他的第一个学术报告:关于日本物理 刊物《理论物理进展》上的一篇研究黑洞的论文。 研一就开始读学术论文,是F 老师指导学生的方法,这个方法,被李淼继承下 来。李淼的研究兴趣和研究能力在这些研讨会上得到提升,后来他自己的最好的学 生,也是用这种方法培养出来的。 有了第一个学术报告,李淼终于感到进入了自己的轨道。他渴望做研究。 他已经不满足组内的研讨交流,又去F 老师在科大的家,表达自己的心愿。老 师从书架上拿出一本《Physics Report》,是1977年的关于超对称的综述文章。从 此,他在通往超对称、超引力和超弦理论的路上起步了。这本刊物,具有特殊的意 义,此后李淼一直将它留在身边。 在这一段特别的时光里,李淼成天啃超对称和卡鲁扎- 克莱因理论,一来他自 己喜欢纯理论,二来,也是老师的提醒,老师希望在天体物理的每个方向都得有人 研究,而老师们基本都在天体物理和宇宙学的方向上,李淼清晰地做了第一个选择, 选择纯理论方向。 李淼爱咖啡,也是读硕士期间培养的。当时,李老师常来科大探望F 老师,也 看望她过去的学生。李淼生平第一次喝咖啡,就是在他们科大的家里,李老师用锅 煮的,是当时国内唯一的一个品牌咖啡,出自上海。 那一夜,李淼痛快地失眠了。 咖啡给他增添了思维方面的活力。 从此,他白天晚上都喝咖啡,不仅不会再失眠,反而感到放松。大凡工作紧张 的时候,他妻子都会给他烧咖啡。只有咖啡才能让他好好休息。 说到咖啡,他还心有牵挂,总想着,要告诉F 老师和李老师,国内的咖啡中, 云南的小粒咖啡是非常不错的。 直到F 老师去世,他都没来得及告诉他们。这是唯一一件让李淼常常会莫名流 泪的事情。 读研期间,等到研究生有了指标本,李淼就拼命复印超引力方面的文章。 那时,超引力是文章最多的方向。如果有人现在去科大图书馆找出那几年的《 核物理B 》,还会看到里面的一些文章被人暗暗地标记了,标记的文章都是李淼复 印过的。 科学,在某些时候,似乎就和牛顿被苹果砸了一样,也是需要直觉和灵感的。 比如说,当李淼看到了研究万有引力常数变化的文章,以及精细结构常数变化 的文章,就开始思忖:万有引力常数还不算是最普适的常数,另一个常数比万有引 力常数更加普适,就是普朗克常数。有什么粒子、场或者物理系统不满足量子力学 法则? 那时李淼已经学了一些路径积分,知道普朗克常数在路径积分中出现在指数函 数的指数的分母上。如果引入可变的普朗克常数,就等于引入一个普适的标量场。 他还不知道超弦理论中有一个伸缩子场,其作用基本就是这个标量场。于是,他又 去找F 老师,和老师讨论这个想法。 就如同他兴奋的期待一样,没有什么是F 老师不知道的,老师很快给了他两个 文献,都是讨论对普朗克常数变化的观测限制的。当时对普朗常数的相对变化大约 每哈勃时间小于1 ,这是最粗糙的限制。今天,普朗克常数的相对变化的限制已经 提高了5 到6 个量级。 就这样,李淼完成了研究生期间第一篇学术论文。他并没有将它翻译成英文, 也没有给任何学术刊物投稿。当时恰好有一个科大研究生自己办的刊物,名字就叫 《研究生》,李淼的文章直接在这个非正式刊物上发表了。 李淼一共在《研究生》上发表了三篇文章,一篇是关于普朗克常数变化的文章, 另一篇是超引力综述文章,第三篇是和冯珑珑合作的宇宙学综述文章。 李淼第一篇在正式学术刊物上发表的文章,是关于超对称标准模型中的暴涨宇 宙学的,发表在国内英文刊物《理论物理通讯》上。以他自己今天的眼光看来,那 还是一篇简单的练习。但是通过它,他终于完成了超对称学习的作业。完成这篇文 章的时候,他已经跟随F 老师在科学院研究生院学习,F 老师是国内第一个在暴涨 宇宙学领域发表文章的内容是关于宇宙学相变。 回忆起来,这算是李淼的一个“高产”的时期。 二十世纪八十年代的头几年,哈特尔·霍金的无边界量子宇宙学很时髦,李淼 和他的同学们也在老师引导下,开始往这个方向研究。老师交给李淼一个问题:在 量子宇宙学框架下计算一下极早期黑洞的生成率,随后他和老师合作完成了一篇文 章。 后来,霍金访问中科大,李淼报告了这个研究。霍金问:带宇宙学常数的黑洞 解已经存在了,你们为何不用?李淼回答说:我们直接在欧氏时空中解爱因斯坦方 程,取的是共动坐标,没有和德西特黑洞解直接比较。 再后来,李淼的兴趣转移了,再没思考过他的解和带宇宙学常数的黑洞解之间 的联系。 通过硕士答辩不久,李淼就考上了F 老师的博士生。接下来,他的学术生涯开 始突飞猛进。第一个重要的事情,就是经过老师的推荐,他去位于意大利的里雅斯 特的国际理论物理中心,参加活动三个月。 这是1985年的夏天,李淼才23岁,第一次出国。 他懵懵懂懂地坐飞机从北京出发,路过沙加,在法兰克福转机到了米兰,结果 米兰没有去里雅斯特的飞机,就在米兰住了一晚上,第二天坐汽车到里雅斯特,一 路上的所见,用李淼自己的话说,导致了他的“第一次文化休克”。 一个月后,F 老师也到了里雅斯特。 这个夏天有三年那般漫长,李淼学会了和老外打交道,学会喝意式特浓咖啡不 加糖。并且,他在里雅斯特完成了自己最初的几篇弦论论文。 八十年代初,中国开放不久,科技人才出国深造的机会不多,李淼很珍惜。里 雅斯特的活动结束后,他没有马上回国,而是在老师的推荐下,接着去罗马大学的 鲁菲尼处访问。从罗马访问回国,正好遇到国际天文联合会首次在中国开会。李淼 完成博士论文,不久,又出国了,还是去的里雅斯特。 这次,李淼在里雅斯特待了两个月,然后去丹麦哥本哈根大学的玻尔研究所, 在那里待了一年,期间申请了博士候选人身份,一年后答辩。在答辩之前,他申请 了美国的博士后,在老师的协助下,得到两个工作机会,然后决定去加州大学圣巴 巴拉分校做博士后研究,并很快拿到了去美国的H1签证。 1990年李淼获哲学博士学位,此后先后在美国圣芭芭拉加州大学、布朗大学任 研究助理、研究助理教授,1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。 没想到,这一次出国后的再次归来,就是十年后了。 新千禧年的前夕,李淼终于回到祖国,自1999年起,任中国科学院理论物理研 究所研究员、博士生导师,并任台湾大学客座教授、中国科学技术大学客座教授, 研究领域是超弦中的各种非微扰效应,包括量子黑洞;时空测不准关系与超弦中的 第一原理;非对易几何在超弦中的实现,等等。 早在1984年,国际学术界试图统一包括引力在内的所有基本相互作用的弦理论 兴起之初,李淼就是中国最早投入这一领域的年青学者,相继在Liouville 理论中 关联函数的计算、D-brane 的边界态、黑洞的量子理论、时空测不准关系和超弦中 的非对易几何等方面开展研究。 弦理论认为,组成所有物质的最基本单位是一些“弦”。 就弦理论、宇宙学和粒子物理领域的研究,李淼的成就主要体现在以下五个方 面:暗能量—— 李淼等人建议用超颖材料模拟加速膨胀宇宙,并指出Casimir 能量可能就是暗 能量,至少是暗能量的一部分,前者可能用超颖材料来测量。 如果他们的预言是正确的,将带来对暗能量理论的极大推动。 微波背景辐射谱和暴涨宇宙——用时空测不准解释微波背景辐射谱和暴涨宇宙。 李淼和他的学生研究了弦论中时空测不准带来的对微波背景辐射功率谱的影响, 发现谱指数的跑动可以用非对易暴涨模型来解释。 他们在这方面的研究引起了很多同行的后续研究。 李淼还在考虑一个长弦驱动暴涨的模型,这个工作一旦完成可能会产生较大的 影响。 他和学生一起完成发表的三篇文章被他人引用了两百多次。 全息暗能量模型——李淼的全息暗能量模型,是第一个可以用来拟合实验数据 的基于全息原理的暗能量模型。 他关于全息暗能量模型的文章发表以来受到广泛关注,许多国际和国内同行作 了后续研究。 他和他的合作者在这方面完成的四篇论文,被引用的总次数达千次。 宇宙学矩阵模型——在天体物理学理论中,如何在随着时间变化的背景之下研 究弦论,一直是个没有解决的重要问题。随着一些特别背景下的矩阵模型被提了出 来,李淼和他的合作者在这方面完成的三篇文章,被引用九十余次。 弱引力猜想——弦论中原则上存在多少真空,弦论能不能实现甚至“预言”粒 子物理标准模型以及其中的参数数值、一些宇宙学参数? 这些问题是目前弦论的中心问题。 为了对弦论的预言范围作出限制,阿卡尼·汉姆德等人提出弱引力猜测,在某 种意义上,引力与任何其他规范长程力相比总是最弱的力。 李淼等人的研究指出,将一个4 维理论下降到低维,这个猜测很容易得到一些 简单的证明。 他们将这个猜想推广到有正的宇宙学常数(暗能量)情形,并提出了一个新的 猜想:一个标量场的耦合常数也会受到弱引力的限制。 由于这些工作和弦论的唯象研究相关,可以预见,这个方向将成长为天体物理 学的一个重要方向。 2005年,北京大学出版社出版了李淼的专著《超弦史话》。 该书以时间(年代)为线索,讲述超弦理论的产生和发展,以及相应的人物和 事,并分析理论的内在联系,以及物理学家们研究这一理论的经验教训和功过得失 等。对于如此艰深的科学理论,李淼尽量使用一种生动的、容易理解的讲述方式, 让该书在提供给物理专业学生、教师和研究人员学习阅读的同时,也适宜于关心现 代物理前沿情况的公众的趣味性阅读。 2012年,北京大学出版社出版又出版了李淼的《暗能量》。 暗能量是当今物理学的一大研究热点,同时也是最受关注的未解之谜之一。暗 能量研究的理论渊源可以追溯到爱因斯坦的广义相对论场方程中的宇宙常数项的提 出。其真正为物理学界所格外关注,则是因为宇宙加速膨胀的发现。而宇宙加速膨 胀的发现,正是2011年诺贝尔物理学奖的获奖成果。 《暗能量》是国内暗能量研究方面的第一本专著,内容系统而丰富,涵盖了暗 能量研究的几乎所有方面,包括理论研究和实验观测等,是国内相关研究的独一无 二的参考书,也是引领研究生进入这一领域的优秀的指导材料。 2013年,凤凰联动江苏文艺出版社出版了李淼的《越弱越暗越美丽》。 这是李淼的第一部人文科普随笔集,书中话题深入科技与人文生活的方方面面, 弦论、暗物质、额外维、黑洞高深的物理问题,与散落其中的诗歌、音乐、神话、 科幻、时光机器等奇思妙想构成一部谐和的交响曲。在极具可读性与启发性的文字 之中,李淼用科学之眼透视世界,带领读者走进一场天马行空的奇幻之旅。书中的 篇章谈天说地,从宇宙到人心,从牛顿到王朔,从热巧克力到命运,涉及的知识领 域广阔得惊人。 “弱”,其实是一种强大的力量:“暗”其实是一股巨大的力的存在:“美丽” 其实是科学照进现实后爆发的诗意。为该书作序的《新发现》主编严峰称李淼的文 笔“既冷静又热烈”,文章“既坚实又充满弹性”。 没有人能够拒绝这本充满魅力的书。