Fashion, Faith, and Fantasy in the New Physics of the Universe

Roger Penrose

宇宙新物理学中的时尚、信仰和幻想

彭罗斯（2016）

本书名称因2003年彭罗斯到普林斯顿大学所作的演讲题目而名。其英文版出版于2008年，2016年再版。

作者简介

   罗杰.彭罗斯是世界上最前卫的理论物理学家之一，曾多次获奖，包括阿尔伯特.爱因斯坦奖章，以表彰他对广义相对论和宇宙学的基础贡献。他（与斯蒂芬.霍金）是《时空本性》（普林斯顿出版）畅销书的作者。彭罗斯的其它著作包括《时间的轮回：非同寻常的宇宙新观念》、《通向实在之路：宇宙法则的完全指南》（二者皆佳作）。他是牛津大学数学系Rouse Ball荣誉教授，居住在英国牛津。63岁时，他被授勋为爵士。

罗杰·彭罗斯简历

彭罗斯生于1931年8月8日，比生于1942年的霍金大了11岁。彭罗斯和霍金合作研究过物理，包括著名的奇点定理的证明。

1957年被授予剑桥大学博士学位。与其父亲一起合作，设计出非凡的几何铺砌。他的铺砌设计被荷兰艺术家埃舍尔（1898－1972）（因创立光学幻影而闻名）收入石版画中。

1964年在美国奥斯丁的德克萨斯大学工作时，罗杰·彭罗斯开始提出一种观点，他在牛津大学工作时，继续发展了这一观点——即应用扭量理论来研究量子引力。他认为四维时空可以完美应用复几何理论，因此有其几何独特性。因此，他认为弦论引入额外维来研究物理是对这一独特性的忽视。

1965年，他的以著名论文《引力坍塌和时空奇点》为代表的一系列论文，和著名数学物理学家斯蒂芬.霍金的工作一起创立了现代宇宙论的数学结构理论。

1966年任伦敦大学伯克贝克学院应用数学教授。

1972年被选为伦敦皇家学会会员。

1973年任牛津大学Rouse Ball数学教授。

1975年与史蒂芬·霍金一起被授予伦敦皇家天文学会艾丁顿奖。

1985年被授予伦敦皇家学会皇家奖。

1994年被伊利莎白二世封为爵士。同年，出版《心灵的阴影：探索缺失的意识科学》。

1996年继续在牛津大学研究扭量理论。

1998年出版《皇帝新脑：计算机、心智和物理学定律之间的联系》。

2003年彭罗斯到普林斯顿大学演讲，题目为“宇宙新物理学中的时尚、信仰、幻想”。其中时尚指弦论，信仰指宇宙由量子力学构筑，幻想指共形轮回宇宙模型。

2004年出版《通向实在之路：宇宙法则的完全指南》。

2008年出版《宇宙新物理学中的时尚、信仰、幻想》，可视为他毕生主要数学物理思想的总结，当引起物理学界反思。

2010年出版《时间的轮回：一种非常寻常的宇宙新观念》，详细阐述了他的共形轮回宇宙学思想。

内容简介

时尚的思想，盲目的信仰，还是纯真的幻想，面对理解宇宙的科学追求，怎么办呢？的确，理论物理学家们不受微小趋势、教条信念或幻想之翼所影响吗？实际上，受人喝彩的物理学家和畅销书作者罗杰·彭罗斯认为：物理学最前缘的研究工作恰恰受到其他人的这些力量所影响。在这本挑衅性著作中，他认为时尚、信仰和幻想有时在物理学中有创造性的，甚至是必要的，在场论最重要的三大思想（弦论、量子力学和宇宙学）中，可能领导着当代研究潮流。弦论通过假设的六个额外的隐卷维，已改道偏离了物理现实了，彭罗斯警告理论的时尚性可能隐蔽我们对其可信度的判断。在量子力学情况中，它在解释原子宇宙中的惊人成功，导致非严格信仰必然也可合理地应用于质量客体，而彭罗斯回应，建议量子理论可发生改变。转向宇宙学，他认为关于宇宙起源的当代时髦的思想，大多数不可能正确，甚至更狂热的真实可能隐藏在它们背后。最后，彭罗斯描述了时尚、信仰和幻想如何也讽刺意味地改变他自己的研究工作，从扭量理论（开始时尚的弦论的一种可能替代方案），到“共形轮回宇宙学”（一种如此玄幻的思想，可谓共形疯狂宇宙学）。结语中，根据他最杰出的图解之一，对当代物理学中的一些最明显发展提出重要批评。

本书简评

   “我不会推荐《宇宙新物理学中的时尚、信仰和幻想》，它对基本物理问题中的严肃兴趣的任何人都太高深了。”——皮德·沃伊特（Peter Woit），甚至不错博客（Not Even Wrong blog）

   “（彭罗斯的）执着于寻找灵巧实验来验证新理论是唯一道路，物理学将从它的死亡时刻获得自由。”——康斯坦丁·卡卡斯（Konstantin Kakaes），《华尔街》杂志

   “站在吵架旁边，批评基础物理学的核心教条，彭罗斯正在扮演着爱因斯坦的角色，他迫使量子理论家们防御并磨炼他们的思想，而弗瑞德·霍伊尔（Fred Hoyle）先生执着挑战大爆炸理论家以重塑他们的思想。这是一位极其重要的角色，而彭罗斯可能长期在践行之。”——马库斯·乔恩（Marcus Chown），《时代高等教育》

    “制作精美，图文优美…不可能有比彭罗斯更好或更原汁原味的注解了。如果现代物理学理论对于你是有趣的，那么你必然不会忽视此书。”——马斯·夫拉里克（Math Frolic）

   “阅读彭罗斯对物理学的不妥协的独立认识，总让人受启迪。”——瑞察德·戴维德（RichardDawid），《自然》期刊

   “一种极为原创、多产的富有思想的研究，破解对宇宙极小极大尺度上的当代最时尚的企图。”——马瑞欧·李维欧（Mario Livio），《科学》期刊

   “本书充满物理学的现象视觉表示，彭罗斯的提醒能以一种统一方式来理解和描述物理学…最终，本书最有价值的是他在如何提问中提供的优秀例子。”——禅达·普瑞斯科德-维因斯坦（ChandaPrescod-Weinstein），《物理世界》

   “有些事情的物理状况是堕落了…杰出的数学物理学家罗杰·彭罗斯辨识出物理堕落的几种可能原因…他不是被压倒一切的大多数所吓倒的那种人，不管如何它如何显赫和鼓噪。他委婉地摆出他的目标，面向物理正统坚持者采取为人典范的耐心…时代将告诉他的判断是否正确。同时，他的批判容易使人想起乔吉·贝尔纳德·肖（George Bernard Shaw，萧伯纳）的警告：有时少数是正确的，多数总是错误的。”——格拉哈恩·法弥罗（Graham Farmelo），《卫报》

后封面

   “这本宝书是罗杰·彭罗斯的代表作：每页都是雄辩论证，深刻而原创。他对当代物理学和宇宙学的危机和未来希望的认识，对科学关键时刻的时尚思想提供了重要矫正。本书值得在专家和大众之中获得最广泛的可能聆听”——李·斯墨林（Lee Smolin），《时间重生：从物理学的危机到宇宙的未来》的作者

读者长评

创造性、原创性和怪异性——但确实瞄准了他的同行

奈吉尔·斯尔（NigelSeel）

   罗杰·彭罗斯现在85岁高龄了，他的这本书可能是他世界观的最终表达。虽然他对“外行”作为他的谈话听众，但是潜在的读者应该想起《通向实在之路》。在亚马逊评论中，退休数学教授、物理学博士汤姆排队等候，碰到他们知识的局限的那章，也不得不放弃。本书不是如此困难吧。简而言之如下：

   1、彭罗斯不喜欢弦论，因为其额外维允许太多的函数自由度（基本上是可能场构型的数目）。这不能清楚地解释为何函数自由空间尺寸中的超爆炸是存在问题的，虽然他制造了一个联系点，他相信六个“卷曲的”维度实际上是不稳定的，应发生坍缩。也许这是显然的。

   2、量子理论被认为是部分理论或不完善的理论——特别是彭罗斯认为它的线性将在增强的理论中被违背。他相信我们不能观测“薛定谔之猫”发生空间叠加的原因在于叠加的引力效应（他认为空间去局域化（delocalisation）具有一种真实的引力效应，符合量子态的本体论真实主义）。特别是，引力本能（gravitational self-energy）由于叠加产生能量不确定性，等效于时间不确定性，因此叠加的定态（stationary state）很快就坍缩成一个位置本征态（eigenstate）。正如他解释，这背后的数理是相当高等的，需要广义相对论。

   3、彭罗斯在宇宙学上，不是一位膨胀论粉丝，他对热力学第二定律和熵的批评。他的批评有力地说明了膨胀持续是不得已退而其次（faute de mieux，法语）。

   彭罗斯自己认为提出了啥替代方案呢？他认为扭量理论（刻画涌现时空的数学框架）继续富有希望，并相信一种特殊的回弹复发宇宙，它经历反复的大爆炸，可解释138亿年前的非常低熵。

   我认为他写了此书，这对于物理学界是有益的，但不是在广义相对论、复分析、扭量理论、量子场论和张量分析的宏大背景中，故难以评价他的论据的价值。

数学+时尚(弦理论) + 信仰(量子力学) + 幻想(宇宙学) + 彭罗斯(扭量)

迈克·马克阿勒尔（MacMcAleer）

    这是一本描述现代物理学的书籍。它将当代物理学思想分为三类：时尚、信仰和幻想。此书是写给“非专家”的，作为一本入门书，但不可避免数学，附录在书后。在前言中，彭罗斯说“在企图用满意的方式（但不太技术性）寻找所有这些论题的过程中，我不得不面对一个特别基本的障碍。这是任何物理理论中的数学问题及其中心角色，可严肃地声称在任何真实深度描述自然。”（第xv页）作者对所谓的“非专家”和“不太技术”的理解，将可能不同于你对它们的理解。

   时尚（英文版面共120页）、信仰（共122页）和幻想（118页）被用作第一级篇章的标题。第四章是“宇宙的新物理学？”（共63页）。这是作者自己关于宇宙新物理学的思想新贡献。后有数学附录（共72页）、参考文献和索引。

   在时尚篇中，彭罗斯探讨了各种主题和弦论。时尚的科学思想很少剥夺人们对金钱和声望的时尚思想。对于年青的学者而言，难以在非时髦领域立稳一个职业。信仰篇是关于量子力学的。量子理论擅长于解释极小尺度大世界。关于它所有奇怪性“…量子力学的教条通常被当作绝对真理”（英文版第125页），科学信仰出现于其近旁。幻想篇关于宇宙的大尺度、广阔性，从时髦的万有源于虚无的大爆炸思想开始。在第4章中，作者探讨了作为弦论替代方案的扭量理论。

   这是一本详细的著作，需要承诺、但将因其影响而赢得读者。但如果你不熟悉话题，就不宜开始阅读。这远非初学者指南。

皮特尔·沃伊特（PeterWoit）

09/15/2016

简介：皮特尔·沃伊特是哥伦比亚大学数学系的高级讲师，自2004年以来，在http://www.math.columbia.edu/~woit/blog上，发表了大量关于物理数学主题的博文。他是2006年科普著作《甚至不错》（NotEven Wrong）的作者，关于量子力学、表示论的教材即将由Springer出版。

   罗杰·彭罗斯具有漫长的学术生涯，足以作为数学物理领域中最原创性的思想家之一。他的早期研究包括对广义相对论的破天荒的结果，以及爱因斯坦方程解的奇点定理。他后来创立了“扭量理论”，这是关于时空几何的激进的特异途径，根据C4C4中的复双面的经典格拉斯曼簇几何，描述了闵可夫斯基空间和旋量场。他在2005年出版的《通向实在之路》，是一本巨作（超过1000页），关于物理学基础的几何观点的娴熟的通常技术总结，装扮成一本准科普书籍。

   彭罗斯有时被描述为一位“标新立异者”，但他关于物理学和数学的观点在许多方面是相当保守的。在他这本新书《宇宙新物理学中的时尚、信仰、幻想》中，他将怀疑的眼光投降关于理论物理学的一些流行的推测性思想。本书经历了长期酝酿，开始作为计划写完的讲义，2003年在普林斯顿大学引起反响。在发表的那些讲义中，彭罗斯正在步入狮子洞穴（lion’s den），把对弦论的有力批判，带到霸权观念盘踞的学术机构。

   除数学附录之外，本书分为四部分：

   时尚

   此篇对付弦论（作为推测性的物理学统一理论）。彭罗斯的中心目标是作为该理论的关键部分的额外空间维。当试图把弦论当作统一理论时，要假设弦在十维空间内传播。该观念在于把其中的四维当作很大的时空维，而其余维很小，并成功地去耦了大小维度。彭罗斯主张没有理由相信可一致地这样做，这些自由度之间应存在不可忽略的耦合作用，导致理论不稳固，而不是具有大维度的稳定基态。

   因为这是对弦论的另类批判，在识别理论的主要问题中，这与其他人是一致的，它由额外空间维而引入了很新的不可观测的自由度。即使没有，如彭罗斯怀疑，破坏了渴望模式的自洽性，证据就是它们允许建模任何可设想的物理学，摧毁了关于预测性的传统顺序。

   信仰

   在本篇中，彭罗斯探寻了量子力学的测量问题，正确地指出我们关于量子力学的标准“故事”，引入了一个“本体论变迁”（ontological shift），暗示更多事情将要进行，超越良好理解的一致性框架。他喜欢这种思想，引力进入通常框架也许可解决这个问题，因此回来采用维度分析论据：有关效应可来自于引力，然而太小，迄今不可观测。

   这里彭罗斯做了一件卓越工作，解释了通常的物理学事情，以及为何存在问题，但不清楚的是该问题需要新的物理定律、非线性，还是考虑引力效应。“本体论变迁”可能由于标准“故事”不是关于真实测量过程中发生什么的全部理论，但用需要获得可示踪的描述的近似，代替关于什么发生的唯象论近似。当人们构建并研究更复杂的、更大全的量子系统时，关于“测量”的标准“故事”的不足之处，大概会变得更加清楚。关于经典行为如何涌现自量子定律，我们相当可能会获得良好理解，而没必要改变那些定律。

  幻想

   这里彭罗斯详细描述了宇宙学理论中的某些基础问题，以及它们据称如何被膨胀理论所解决。他解释道，用“幻想”来刻画这个问题，不意味着纯粹批判：关于大爆炸时刻的“幻想”是理论家们在缺乏强大证据的情况下之所为。而他恰恰也有他值得花时间思考的其它幻想。

   关于他在本篇中的论据的深邃性和复杂性，这位评论家在此不能作评判。该主题牵涉关于广义相对论行为的微妙问题，彭罗斯在该领域是当代最深邃的思想家和最伟大的物理学家之一。当致谢膨胀理论的一些成就时，他的批判部分关乎泡尔▪斯坦哈德（PaulSteinhardt）及其他人，指出理论并未完全抵达摆出来的目标，采用指数式膨胀，根据绝对的初始条件，不能提供一种观测各向同性的方法。同时，还有更多东西，试图理解描述大爆炸的各种幻想的任何读者，应当阅读本篇。

   宇宙新物理学？

   在最后一篇中，彭罗斯描述了他探寻前面章节指出的问题的一些更正面的思想。这开始于一种关于扭量理论的精彩总结，而这位评论家强烈怀疑他是否正确：思考时空几何的这种很特异的方式，将最终成为我们理解量子化和几何学的成功整合的一部分。这种几何学很不同于四维时空，还提供了怀疑具有更多空间维的理论幻想的另一种理由。

   较少的说服力是他关于量子态还原的猜测，以及他引用自己的“共形疯狂宇宙学”，虽然强调共形不变量可能很好，这是正确的。

   本书非常精彩的特征是许多绘图出自彭罗斯之手，它们广泛地展示了物理学和数学的思想。普林斯顿大学出版社为教学目的，将这些绘图放到他们的网站上。

   本书的技术水平逐篇存在变化，在某些地方按照大量读者能欣赏的方式，而其它地方要求有些明显数学物理背景，其中大量值得有关主题的专家所关注。我推荐此书，它对于物理学基础问题有严肃兴趣的任何数学家而言，不会显得太高深。

中文目录

致谢ix

序言xi

是关乎基础科学的时尚、信仰还是幻想吗? xi

1 时尚

1 1.1 数学优雅作为一种驱动力

1 1.2过去的一些时尚物理学10

1.3 弦论的粒子物理学背景17

1.4 QFT中的叠加原理20

1.5 费曼图解的力量25

1.6 弦论的原始核心思想32

1.7 爱因斯坦广义相对论中的时间42

1.8 魏尔电磁规范场论52

1.9 卡鲁扎-克莱因和弦模型中的函数自由度59

1.10 函数自由度的量子阻碍? 69

1.11 高维弦论的经典不稳定性77

1.12 弦论的时尚状况82

1.13 M理论90

1.14 超对称95

1.15 AdS/CFT 104

1.16 膜世界与景观117

2 信仰121

2.1 量子关联121

2.2 马克斯·普朗克的E = hv 126

2.3 波粒佯谬133

2.4 量子层级和经典层级：C、U和R 138

2.5 点状粒子的波函数145

2.6 光子的波函数153

2.7 量子线性158

2.8 量子测量164

2.9 量子自旋几何学174

2.10 量子纠缠与EPR效应182

2.11 量子函数自由度188

2.12 量子实在198

2.13 客观量子态还原：量子信仰的一个极限? 204

3 幻想216

3.1 大爆炸与FLRW宇宙学216

3.2 黑洞与局域不规则性230

3.3 热力学第二定律241

3.4 大爆炸佯谬250

3.5 视界、共动体积和共形图解258

3.6 大爆炸中的现象精确度270

3.7 宇宙熵? 275

3.8 真空能285

3.9 膨胀宇宙学294

3.10 人存原理310

3.11 幻想宇宙学323

4 宇宙新物理学? 334

4.1 扭量理论：弦的替代方案? 334

4.2 量子基础何处去? 353

4.3 疯狂的共形宇宙学? 371

4.4 个人结论391

数学附录397

A.1 迭代指数397

A.2 场的函数自由度401

A.3 矢量空间407

A.4 矢基、坐标和对偶413

A.5 流形数学417

A.6 物理学中的流形425

A.7 丛431

A.8 用丛来研究函数自由度439

A.9 复数445

A.10 复几何448

A.11 调和分析458

参考文献469

索引491

英文目录

Acknowledgements ix

Preface xi

Are fashion, faith, or fantasy relevant tofundamental science? xi

1 Fashion

1 1.1 Mathematical elegance as a drivingforce

1 1.2 Some fashionable physics of the past10

1.3 Particle-physics background to stringtheory 17

1.4 The superposition principle in QFT 20

1.5 The power of Feynman diagrams 25

1.6 The original key ideas of string theory32

1.7 Time in Einstein's general relativity42

1.8 Weyl's gauge theory of electromagnetism52

1.9 Functional freedom in Kaluza-Klein andstring models 59

1.10 Quantum obstructions to functionalfreedom? 69

1.11 Classical instability ofhigher-dimensional string theory 77

1.12 The fashionable status of stringtheory 82

1.13 M-theory 90

1.14 Supersymmetry 95

1.15 AdS/CFT 104

1.16 Brane-worlds and the landscape 117

2 Faith 121

2.1 The quantum revelation 121

2.2 Max Planck's E = hnu 126

2.3 The wave-particle paradox 133

2.4 Quantum and classical levels: C, U, andR 138

2.5 Wave function of a point-like particle145

2.6 Wave function of a photon 153

2.7 Quantum linearity 158

2.8 Quantum measurement 164

2.9 The geometry of quantum spin 174

2.10 Quantum entanglement and EPR effects182

2.11 Quantum functional freedom 188

2.12 Quantum reality 198

2.13 Objective quantum state reduction: alimit to the quantum faith? 204

3 Fantasy 216

3.1 The Big Bang and FLRW cosmologies 216

3.2 Black holes and local irregularities230

3.3 The second law of thermodynamics 241

3.4 The Big Bang paradox 250

3.5 Horizons, comoving volumes, andconformal diagrams 258

3.6 The phenomenal precision in the BigBang 270

3.7 Cosmological entropy? 275

3.8 Vacuum energy 285

3.9 Inflationary cosmology 294

3.10 The anthropic principle 310

3.11 Some more fantastical cosmologies 323

4 A New Physics for the Universe? 334

4.1 Twistor theory: an alternative tostrings? 334

4.2 Whither quantum foundations? 353

4.3 Conformal crazy cosmology? 371

4.4 A personal coda 391

Appendix A Mathematical Appendix 397

A.1 Iterated exponents 397

A.2 Functional freedom of fields 401

A.3 Vector spaces 407

A.4 Vector bases, coordinates, and duals413

A.5 Mathematics of manifolds 417

A.6 Manifolds in physics 425

A.7 Bundles 431

A.8 Functional freedom via bundles 439

A.9 Complex numbers 445

A.10 Complex geometry 448

A.11 Harmonic analysis 458

References 469

Index 491

前言（略）摘引

时尚代表着弦论；幻想代表着各种宇宙图景，主要指的是暴胀宇宙（它假设在大爆炸之后很短的时间内宇宙经历了一次指数式的膨胀）。这些东西在现代理论物理中都占有极重要的地位，攻击它们几乎都成了大不敬的事情了。而另一个则更加夸张的则是量子力学，它在各个方面都不容侵犯，它已经成了信仰。

不知何故，人们认为它是不能受到质疑的。

几年前你说是引力分离了经典世界和量子世界。有没有人对量子力学做过这类检验？

虽然这个想法听起来挺令人振奋的，似乎应该有很多人会着手研究它，但是事实上没有。

它被认为是一个不切实际的想法，是人们在老了退休后可以考虑的另类的想法。

好吧，我现在老了，退休了！但是这个想法没能成为物理学的主流，占据中心地位，我感到挺遗憾的。

截图预览（请自己翻墙搜索下载此书电子版）

博主推介

   彭罗斯是世界杰出的数学物理学家，坦诚地说，论数学物理贡献，他比霍金更大，思想更深刻，彭罗斯在物理学领域可谓特立独行，因为他在坚守物理科学不被物理幻想任意侵占，并使驻守者保持头脑清醒。他的著作一向思想新颖而深邃，图解形象而优美，推测此书难度当与他的名著《皇帝新脑》、《时间的轮回》近似。他的大众科学书中的思想含金量相当高，既可作为普通大众、中学生、大学生的科普读物，也可值得研究生、专家、学者收藏细品。严重推荐！

   我喜欢这种有深度的书籍，它本质上不上科普书，属于物理思想论著，最初将这本书推荐给科学出版社，但他们正如许多国企一样，我推介了好几本书，都没啥结果，感觉办事缺乏效率和魄力，其科普部门业绩平淡。

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