一、弦论为什么吸引了众多的一流学者

人类即将跨入21世纪。乐观的人认为21世纪的科学技术将会得到前所未有的辉煌成就：悲观的人则声称，人类在下个世纪将陷入前所未有的困境，由生态危机、人口危机、能源危机等组成的综合危机将严重地威胁整个人类的生存。这两类人都有自己的理由，但孰是孰非取决于今天和明天的人类对待理性和欲望的态度。究竟理性是欲望的主人，还是奴隶，是关系到人类能否向更美好的未来发展的大问题。前一阶段，国际上曾出现以里根迷恋占星术，勃列日涅夫相信巫师治病为代表的反理性思潮。我国也出现了伪科学横流的现象和数起科学家作伪的事例。年轻的和年长的科学家均有维护理性高于欲望的义务。当前，国际理论物理学界出现的弦论研究热潮正是对这一反理性思潮的反动。

作为基础理论研究的弦论，它的出发点就在于将量子论和广义相对论谐和地统一起来。众所周知，20世纪最伟大的创造是量子论和相对论，而20世纪最大的疑难问题是如何将两者结合起来。在50年代，由费曼（Feynman）、薛温格（Schwinger）、朝永（Tomonaga）和戴逊（Dyson）等人得到了一种自洽的量子论和狭义相对论相结合的理论——量子场论。在本世纪初叶，人们已认识到在原子核外运动的经典电子应发射电磁辐射，并最终以螺旋运动形式落入原子核中，由库伦定律可知，在r趋于零时将会产生无穷大力的奇异性。无穷大力显然是不可以接受的，正因为奇异性排斥了所有物理定律，物理学家将排除奇异性作为己任。抓住这一矛盾，玻尔、海森伯、薛定锷等人创建了量子力学，海森伯测不准原理使得电子的轮廓模糊不清，从而阻止它出现奇异性。在量子场论中同样会出现类似的无穷大，但通过了一种称作为重正化的系统方法解决了无穷大的困扰。

既然人们已经知道如何处理两个点电荷之间力的方法后，自然而然地希望推广这些方法到两个质点之间的引力上去，换句话说，人们企图将量子场论的方法推及到广义相对论上去。但是，由于广义相对论的高度非线性结构，任何引力的量子化尝试均以失败告终了。我们面对的量子论和广义相对论之间的矛盾类似于近一个世纪之前出现的导致量子论的矛盾。许多物理学家相信这一矛盾孕育了一场大变革的风暴。弦论自洽地包含了量子论和引力（广义相对论），或者说，在弦论中，引力与量子理论是谐和地结合起来了。为此，弦论吸引了愈来愈多的物理学家，弦论也已被公众和政府所注视。

从人类认知的角度看，一个基础研究的应用，离不开人们对基础理论本身重视的程度。时至20世纪末，量子力学和相对论这两门基础科学，以及它们为现今人类社会带来不可估量的财富，不但科学家和大众已普遍认识并且广泛接受，就连政策的制订者，包括总统、主席、总理、议会，以及其他政府首脑也广为接受，既然如此，即将跨入21世纪的人类如何理解相对论和量子力学的兼容，无疑是大自然对人类认知的挑战，这不能不说是一种极大的遗憾，如果说弦论为消除这种遗憾作出贡献，那么以英国《自然》杂志（《Nature》）今年9月19日，由威滕（Witten）和格罗斯（Gross）撰写的文章为新的契机，以最近斯特罗明格（Strominger）和伐法（Vafa）今年6月份撰写的文章为发端，以美国《时代周刊》（《Time》）评选威滕为最有影响力人物为标志业已掀起的超弦热潮，我国理论物理学家若作壁上观，采取一种漠然的态度，是不明智的，娃要后悔的，这就是我对现今世界超弦热潮的一点反思。

二、弦论：1996

作为一门基础科学以及作为理论物理研究的一个领域，弦论自有其诞生及发展的内在规律，要阐述1996年的弦论成就，就必须从黑洞物理谈起。

60年代末至70年代初，物理学家霍金（S. Hawking）和数学家彭罗斯（R. Penrose）首次严格证明了广义相对论（GR）中的奇点定理，奇点定理的重要意义在于，物理学家已经认识到，宇宙中必定有黑洞存在，但这仅是奇点定理的经典意义。当初也没有人意识到其中蕴含着一个不自洽的瑕疵：由于其强大的引力场，黑洞只能吸收它捕获的一切物质而不发射任何东西，简言之，黑洞是一个无底洞，如此简单的体系破坏了量子力学的么正性。所谓量子力学的么正性，就是入射态和出射态之和为1，如果要求引力理论的黑洞演化规律遵守量子力学规则，量子么正性就意味着既然黑洞能吸收它所捕获的物质，也应该能抛射它业已捕获的东西！如果物质落入黑洞而出不来，那么黑洞理论就会破坏量子规则。

这一疑难问题一直困惑着物理学家，直到1974年才出现了转机，霍金在1974年发表了一篇重要论文，即著名的霍金辐射效应。当时，贝肯斯坦（Bekenstein）为黑洞热力学做了一个极其重要的工作，即黑洞的熵正比于其量子态数目的和，霍金一开始对贝肯斯坦提出批评，但很快又接受了后者的观点，因为他意识到：必须将量子力学规则应用于黑洞物理学，而贝肯斯坦的工作是必经之路。

霍金对上述观点提出了证明没有？没有！这就是一方面人们将霍金尊崇为爱因斯坦的传人，因为他在人类历史上首次把量子力学的规则如此自然地应用到引力理论中去了，但另一方面，若从批评角度看，我们也可认为霍金仅仅作了一个大胆设想，因为将量子规则应用于引力理论，霍金根本没有提出任何严格的证明！因此，一个尖锐问题放在物理学面前 :将量子规则应用于现代引力理论的过程中，量子力学究竟取其修正形式抑或可原封不动地应用于引力理论？因为量子力学的尺度是原子尺度10^-10m，而量子引力则在10^-35m内起作用，那是典型的普朗克（Plank）尺度！这种状况，使我联想起在爱丁顿（A. Eddington）做广义相对论判决性观测的前夕，爱因斯坦曾经被问及他自己对广义相对论有何评价，爱因斯坦用一句妙言回答：“除了我身上的皮肤和我的小指头而外，我不能提供更具权威的证明！”，爱因斯坦是自谦，更是自信，因为他确信广义相对论的成功，霍金呢？当物理学史以新的面貌重新演绎这段喜剧时，面对类似的提问，我想，霍金也会这么回答，

严格证明的第一步最终由斯待罗明格和伐法给出，1996年6月，这两位物理学家运用弦论中的对偶性这种崭新的对称性，证明了弦论等价于膜论，或等于5胚。霍金曾经认为，黑洞的量子性，表现在黑洞热力学熵正比于黑洞量子态对数的性质上，斯特罗明格和伐法通过计算，得到5胚的量子态数目，然后根据对偶性进行论证，他们发现5胚的理论等价于弦论的黑洞；证明的第二步，两位作者又把计算结果与霍金的黑洞热力学假设进行对比，发现计算和霍金假设完全一致：而且十分有趣的是，斯特罗明格和伐法等人还发现，致极黑洞有助于把弦理论几万个解中的几千个联系起来，从而寻找弦理论“正确”解的问题也就变得容易多了。

由此，物理学家第一次利用理性推论证明了：量子力学可以不加任何修改而应用于以广义相对论为基础的现代引力理论中去，这也就是为什么被尊为弦论“教父”（Godfather），并获数学菲尔茨（Fields）奖，以及被《时代周刊》评为美国最有影响力科学家的美国弦论学家威滕，根据斯特罗明格和伐法今年6月发表的工作，在《华尔街日报》上写了一篇文章。他乐观地认为，物理学第三次革命已经来临；此外，1995年，威滕一次学术会议上指出，“我们正朝着对量子力学作出一种解释的方向前进”，并预言“我们今天所知道的物理学概念，将随着故事的展开而完全改观。”

从斯特罗明格和伐法的工作中，我们可以进一步了解弦论的重要意义，我还想补充一句，今年6月以前，包括普林斯顿大学阿德勒（Adler）在内的许多国际著名物理学家认为量子力学应用于现代引力理论之前，必须对其进行扩充和修正，否则量子理论与相对论不能很好地兼容，但斯特罗明格和伐法于今年6月发表在《物理评论B辑》（Phys. Rev. B）的这项工作，给量子力学改良派以不小的冲击。

依我看，基于量子力学改良观点的工作在最近几年中会逐渐冷落下去，而以弦论为代表，用对偶性观点计算各种度规下黑洞行为的工作则会热火起来。

关于胚计算的文章我国还很鲜见，近期我们研究组做过4篇，分别发表在英国《经典和量子引力》（Class. Quant. Gra》.》，欧洲的《物理快报》B辑（Phys. Lett. B），美国的《物理评论》D辑（Phys. Rev. D），以及美国的《数学物理杂志》（Joun. Math. phys.）上。

三、弦论学家的性格

弦论的第一次高潮发生在1984年，当时许瓦兹（Schwartz）和格林（Green）给出了反常自由（anomaly free）超弦理论的第一批文章，所谓反常理论，就是在经典意义上理论是自洽的，一旦给出其量子形式，理论就不自洽了。而反常自由的超弦理论，完全没有这种缺陷。但是好景不长，到了1985年，物理学家发现了5种反常自由超弦理论以及数目不详的许多解：两难的困境马上放到了理论物理学家面前，“假定我们生活在一种反常自由超弦理论描写的宇宙中，那么其余4种不同的宇宙该由哪些生物居住？”——从哲学上说，这样的理论是难以接受的。由于弦论学家不愿故弄玄虚，如果没有充足的理由，他们绝不会随意处置或者丢弃多余的4种不同形式的宇宙。他们极其痛苦地在困境中挣扎，因此，虽然历经1984年弦论热的辉煌，从1985年开始降温，弦论学家陷入反思。直至1994年对偶性的问世，才使弦论获得新生。在1996年第5期《科学》上我写了一篇题为“物理学未决问题浅说：对偶性”的文章，其中“1995年8月弦理论对偶图”很能说明问题 :超弦理论已走出困境，正掀起研究对偶性的高潮。

国际上的弦论带头人是身世显赫的一批：在美国，超弦理论的舆论大本营之一是普林斯顿，另两个大本营则是芝加哥大学的费米实验室和德克萨斯州的A&M大学；而一些著名的弦论学家，Schwartz在加州理工大学，苏什金（Suskind）在斯坦福大学，Gross在普林斯顿大学，Green则在英国的玛丽皇后学院。

回顾今年6月掀起的方兴未艾的超弦理论热潮，令人痛心的是，同样是第三世界国家，印度塔塔（Tata）研究所最近冒出一位超弦理论的新星，胜（Sen），在对偶性理论方面，他做出了一项决定性的工作。而在我国，尽管研究基本粒子和场论的理论物理学家不少，在这个回合中，虽然也做过一些工作，但这些工作中竟没有一项堪与Sen的工作相媲美：我国的超弦理论研究落伍了，落在印度物理学家后面了。

接下来我还想说一句，我国政府的确为科学家办了许多实事。最近颁发的何梁-何利科学奖就是一例。但我认为青年人更值得扶持，他们是21世纪的希望。我想，作为一名科研工作者，稳定的生活条件和工作条件，与其对社会所作的贡献息息相关，我不想看到大量青年人才的流失。

四、基础研究有别于基础应用研究

我还想谈一个问题，这就是基础研究应该有别于基础应用研究。

还是回到关于量子力学和相对论的讨论。

毫无疑问，量子力学和相对论是本世纪最基本的基础理论，但是离开了基础理论，技术的进步是不可想象的：量子力学导致现代的能带理论，后者则催生出第一代晶体管，经过多次半导体领域的技术革命，于是乎我们就拥有了今日如火如荼的电脑文化；令人印象更为深刻的是量子隧穿理论，该理论则直接导致80年代扫描隧道显微镜的诞生以及著名的约瑟夫森（Josephson）超导电子元件。它们为现代生物以及现代医学工程开创了新的局面。

至于相对论，著名的相对论质能关系则导致了原子弹的爆炸以及原子能的和平利用。今天其发展日益见好的核聚变技术，它的最重要基础之一正是本世纪初诞生的相对论。

那么，什么是基础应用研究呢？激光研究和超导研究是两个著名例子。毫无疑问，与量子力学及相对论比较，激光和超导理论的探索，已经或者正在直接对工业和社会效益作出贡献。但穷根究底，激光和超导研究其最重要基础之一还是量子力学。这有如参天大树，其枝叶及果实代表技术，树干代表基础应用研究，树根则是基础研究。我还想指出，有人曾把基础科学和技术应用比喻作DNA双螺旋结构，它们互相支持，互相依赖，谁也缺少不了谁，我以为这种比喻十分恰当。

那么，超弦理论是什么研究呢？它当然是基础研究。也许有人会问，研究超弦理论，对人类生产力的提高有什么促进作用？我的看法是：当初量子力学和相对论诞生之际，也很难一下子看到它们的实际应用，但因为它们很美，逻辑严密，给人以一种美丽的感觉。自人类有历史记载，自然的美感一直是人类进化的最重要原动力之一，它起源于人类爱美的天性，从人类史前的洞穴壁画即可清晰地看到这一点，因此我认为，只要一种理论是美丽的，并且为解决实际问题而生，就值得我们去追求，对超弦理论的孜孜以求，其内在深邃的美，始终是我内心的原动力，至于它能够为人类社会及其经济建设作出贡献，我认为那是迟早会发生的事情。

（江世亮、罗季雄采访于1996年11月，罗季雄执笔）