道-弦-场对偶性研究

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道-弦-场对偶性研究
李贤彬 李后强
〔摘要〕 本文在综述道、弦、场理论发端相关文献的基础上，重点阐述了道、弦、场作为本体论的基本单元特征，及其对物质世界构成要素理论的重要贡献。运用对偶性分析原理，分析了道-弦、道-场、道-弦-场之对偶性特征，得出了道学原理较早地预示与启发了现代物理学相关理论体系的基本结论，为刻画物质世界的大一统理论提供了基本思想要素。
〔关键词〕 道；弦；场；对偶性
一、引言
一切事物因其内在本质之间存在相互关联，相互关联的本质形成事物之间的统一性，那么对于人类可以感知到的所有现象都应该是某个基本统一体的外在表现。单个事物就是构成宇宙整体的既相互依赖又不可分割的一部分，是同一终极实在的不同表现载体，它表现在一切事物之中，一切事物都是它的部分，这一终极实在就是“道”“弦”“场”。
老子所著《道德经》是全人类公认的千古名篇。“道可道，非常道”。究竟什么是“道”呢？学界努力探索，论争时间跨度长范围广，但长期无公认权威解答。作家冰心在“巴金这个人……”一文中以“淡交如水，大道若弦”来描述她与巴金之间真诚亲密纯朴的友谊。大道无形，在《道德经》德篇之“中和”一章中有“道生一，一生二，二生三，三生万物”的经典表述。道学的中心思想认为“道”是事物发展运行的规律，是世界的起源。随着现代自然科学的快速发展，人们对物质世界的认识更加深刻和细致，特别是统一场、超弦理论的相继诞生，为学界破解“道”谜提供了依据与指南。我们认为，“道”有类别品种与高低层次之分，既有物道、人道、事道，或者天道、地道、人道之分，更有宏观道、中观道、微观道之别。比如，物道就是道路，人道就是道德，事道就是道理等。从高低层次而言“道”有本体、认识、境界三层意义。“道”的本质是弦，就是组成宇宙世界的“超弦”，是宇宙的起点，不同振荡频率与幅度的弦构成不同类别的物质。“道”的形式是场，就是构成宇宙世界的统一场，包括电磁场、引力场、量子场等，宇宙四种力统一在场中就构成了爱因斯坦探索并建立的统一场。2017年人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，进一步证实了统一场的正确性与完备性。场，既是能量分布，又是相互作用，主要是非线性耦合作用，呈现最为简单的对立统一规律。由非线性可以产生复杂性，多样性，世界就丰富多彩。简单讲，“道”的本质是弦，“道”的形式是场。弦与场，亦呈现为某种形式的二象性，类似波粒二象性，可称为“弦场二象性”，这就是千古之谜的谜底所在：“道”。日常生活中，人们有时谈“道”的内容，有时论“道”的形式，加之内容与形式多样、层出不穷，且可以相互转化(弦场转化)，因此这就增加了人们对“道”认识的难度与维度。
就道是弦场的论述而言，有必要深刻分析道、弦、场作为客观世界基本构成要素的本质特性，亦即开展道、弦、场的对偶性研究。
赛德勒认为“对偶性的概念不论在数学还是物理学中都是极其重要的”。对偶性在哲学上通常称为二元性、双重性，在数学与物理学中通常称为二象性，因弦论中对偶性的再次发现而进一步印证了对偶性的重要性。
现代数学理论体系中，对偶性作为一种普遍的原则，总是与变换或操作概念相关联，一个理论或结构体系与另一个理论或结构体系一一对应，彼此互为对偶，虽然互不相同，但密切相关。随着现代数学与物理学体系结构的逐渐完善，对偶性扮演着越来越重要的角色，在理论物理学高度数学化的演化趋势之下，对偶性在物理学和数学中密切相关的结构体系之间建立了一种强关联，为物理学不同体系结构的统一提供了有效的方法论基础。
对拥有不同种类的理论客体、不同维度的时空描述、不同参数的拓扑结构的两种理论，表面上看各自遵循着完全不同的理论形式或描述，而实质上却导致了相同的物理学内核，这两种理论所拥有的这一性质就被称为对偶性。所谓相同的物理学，特指相同的振幅、期望值、可观察谱等经验上的可测物理量。亦即可将对偶性理解为一种特殊的对称，用于连接不同理论或同一理论中不同的量(自对偶)。
对偶性的核心特征包括：可以连接两种完全不同的理论，对偶量(理论)具有完全不同的物理意义，对偶量(理论)之间是互补而非竞争的，对偶计算得到的是精确解而非近似解。
本文根据对偶性的定义与核心特征，系统化地分析道-弦、弦-场、道-场的对偶性特征，进而整合分析道弦场的整体对偶性，为揭示世界的本原提供方法论基础。
二、文献综述
本文研究的道指道学范围内的道，是指中国传统文化中以老子的道的学说为理论基础形成的学术系统，老子为道学之宗，老子的《道德经》为道学的理论支柱和基本经典。①
道学发展史大致经过了五个阶段，其一是先秦的老庄学，《老子》一书问世标志着道家学派的形成；其二是秦汉的黄老学，稷下黄老学派因时制宜、援法入道，道学思想结集为《管子》一书，形成道家内圣外王之学；其三是魏晋的玄学，这一时期玄学的各类代表人物分别从不同角度通过注释“三玄”(《周易》《老子》《庄子》)以发挥玄学思想，以期达到调和自然与名教或儒道之关系的目的；其四是隋唐的重玄学，从多重视角发展了老庄哲学中心学的层次，在隋唐佛学的背景下将魏晋玄学导入道教心性学之路，作为理论根基促进了五代元丹学的兴起；五是宋元及以后的内丹心性学，哲学本体论的思辨向纯粹的心性修炼和心理体验转型的过程中，形成了道家的内丹生命哲学。
道与现代科学之间的关联研究从20世纪末、21世纪初开始逐渐丰富，与科学哲学、东方神秘主义与现代物理学的相关概念形式逐渐实现耦合。
1996年公木等从本体论思想、宇宙论思想、物相论思想等方面阐述了道学的自然哲学内涵。②1999年卡普拉出版的专著对近代物理学的概念与东方哲学和宗教传统中的基本思想之间的联系进行了探索，其中有专门章节就道家思想与统一场思想的关联性进行论述。③1999年美国学者格林出版了全球第一本系统讲述弦理论的科普读物。④2000年王劲松就现代物理学与先秦道家思想之间的趋同性进行了研究，该文认为，现代物理学与先秦道家之间在超越常识、超越语言、物质生成观、时空观以及物质间存在的隐秘联系等四个方面存在惊人的趋同性。⑤2006年罗发海等出版了道与现代物理学的专著，系统阐述了道与计算物理学、混沌学、量子力学、亚核粒子学、统一场等物理学理论之间的内在关联性。⑥2008年吴东好研究了道家哲学对现代物理学的相关启示，该文从方法论意义及物质观、时空观方面进行了比较。⑦2010年古布泽的专著就弦论作为万有理论的发展进行了阐述，对弦论中的额外维度、量子涨落与黑洞的相互关联进行了预言。⑧
2013年谢清果出版的专著对道家探索宇宙自然、社会和自我身心过程中所萌发、积淀的思想依据与思想方法进行了深入探讨。⑨2013年戴维德在专著中用哲学的方法为“弦论是否是客观实在还是玩具模型？”进行辩护，提出用贝叶斯主义的概率方法来评价弦论的真实性，并提出了三种非实证性论证：无替代性选择论证、意外的解释性融贯论证、源于研究进程中其他理论成功的元归纳论证。⑩2013年大栗博司的专著就量子物理基础、弦理论到超弦理论的最新发展、超弦理论的理论原理及其证明进行了讲解，并在超弦理论下重新思考与探索了时空概念。该书认为，超弦理论是继牛顿力学、爱因斯坦相对论之后，时空概念的第三次革命。2014年沈健等就弦论思想的演化进行了考证与分析，对弦论发展的四个阶段进行了厘清，就弦论发展每一个阶段的主要观点进行了阐释。该文认为弦论是寻求科学大统一最有前途的方法，借助于各种膜概念，弦论可以很好地解释黑洞和宇宙学中的各种问题。
2016年高策等基于对称性论述了物理学之本体、认识与方法三者之间的关系，该文认为伴随着物理学的发展和对称性研究的深化，物理学的本体、认知与方法三者逐渐交融，到超弦理论中三者几近融为一体，对称性正好处于三者融合之处。2017年李后强等以自然界的统一场理论、西方的共同体思想、中国古代的共同体思想、马克思主义的共同体思想为基础论述了新时代人类命运共同体的统一性特征。2017年盖建民就道教之道与科学之道进行了创新论述，从探索自然的思维方法与思维模式上阐释了道教的科学之道。2017年沈致远就统一场理论进行了回顾并给出了统一场理论的新版本，该文认为统一场必须从根本上消除广义相对论与量子场论两大支柱之间的不相容，才能实现物理学的大统一。
2018年高策等就物理学中对偶性的本体论内涵及其意义进行了研究，该文对数学、物理学中应用最为广泛的几种对偶性给出了说明，分析了对偶性的基本本体论内涵，阐述了对偶性与对称性、规范对称的异同。2019年高策等提出了“后真相时代的科学哲学”这一新概念，对科学分界问题、范式问题与研究纲领问题进行了初步探讨，认为在弦论、圈量子引力为代表的量子革命背景下，传统的时空、物质观的概念内涵发生了深刻变化 。
三、道弦场对偶性分析
道学是中国传统文化的代表，是一个具有多层次、多角度、多结构的信息系统，是一个产生天地万物的实存性本体。弦是构成自然界各种物质的基本单元，是最有希望将自然界的基本粒子与四种相互作用力统一起来的候选理论。场是指物体在空间中的分布情况，亦是一个以时空为变量的物理量，更是物质存在的空间。因此，虽然道、弦、场具备不同的外在表现形式，但其内在存在着本体论的基本构成要素的含义，与对偶性研究的对象形成严格的自洽。
(一)道与弦的对偶性分析
“道”是宇宙的本原，自虚无感生妙一，妙一衍化为三元，第一混洞太无元，第二赤混太无元，第三冥寂玄通元。由三元变化为始、元、玄三气，再由三气化生万物。
中国古代思想家认为一切事物都统一在“道”中，“道”的主要特点就是事物无休止的自发运动与循环性变化；“阴”和“阳”是循环性变化场的两极，“道”的所有表现形式都是“阴与阳”这两种对立面相互作用的结果。
在宇宙大爆炸前，道化生出先天混沌一气，继而分出阴阳二性，“道”的一切表现形式都由“阴阳”这两极力量能动地相互作用产生。在有象、有精、有信、有物基础上，道于不同领域与层次化生出有气、有形、有质之物，对应于物理学语言而言，就是含有能量、信息、物质三大要素。在宇宙大爆炸中由信息、能量、物质组成万物纷纭、生机勃勃的世界，这就是“三生万物”的过程。
“道”就是宇宙“弦”的认识，道是起源，是原点，是无形，从物质结构，基本粒子，弦论，波粒二象性，质能转换E=mc2等视角解析了宇宙世界。弦理论是由美国芝加哥大学的南部阳一郎和日本大学的后藤铁男提出的，他们认为基本粒子不是“点”，而是具有一定空间延展振动的“弦”，由此能够清晰地破解基本粒子的构成谜题。弦理论认为所有的基本粒子都是由某种特定的弦组成的，以不同频率与幅度振动的弦呈现为光子或电子等基本粒子。弦非常渺小，只具有一维空间尺度。弦理论认为弦已经不可再分割了，是组成自然界中万物的最基本单元。基本粒子的弦也有各种各样的振动状态，不同的振动状态对应了种类不同的粒子。
通过构造一维延展的弦来取代粒子模型，弦理论认为组成所有物质的最基本单位是尺度为10-35米的“能量弦线”，基于能量弦线的拓扑形状及其动力学结构以区分不同的弦，以此刻画不同的基本粒子，而一种基本粒子到另一种基本粒子的嬗变亦可通过弦的振动模式的改变来加以刻画。
弦理论将引力、电磁、弱、强相互作用统一在一个简单的框架之中，进而可构建一个大统一的理论。弦能够用来描述的物质大到宇宙星体、小到夸克，在横跨1042米的尺度范围内所有可见的物质构成及其间的相互作用都能够加以刻画，并且对于宇宙的起源、黑洞、暗物质等终极之问及不可见的物质也将能够得到圆满解释。
道的理论或结构体系与弦的理论或结构体系一一对应，道与弦的变换或操作相互关联。因此，就物质基本结构而言，道与弦互为对偶。
(二)道与场的对偶性分析
古代东方哲学认为“空”“无”或“道”是产生一切有形实体的基础。中国哲学中的“道”所表达的思想，与近代物理学中的场极为相似。场是连续的，在空间中无处不在，同时它又是不连续和具有粒子性的。场是物理实体的基本单元，可以在不涉及有形物体的情况下抽象出场这一基本单元来加以研究。
凡是有质量的物体就会有引力场的存在，这种场的表现形式就是物体周围的空间将发生弯曲。场就是弯曲的空间，二者是无法区分的。
在物理学家用量子场对亚原子世界所作解释背后的直觉，却与道家的直觉十分相似，道家用潜在的终极实在来解释自己对世界的体验。不同的场均可统一为单一的基本场，这种基本场能将所有的物理现象都包括在内。“道”与“弦”一样，或许都可以被看作是终极的统一场。
从概念的角度看，“道”与近代物理学中的量子场极为惊人地相似，和量子场一样，“道”也被看作是一种结构微妙但不可感知的物质形式，它存在于整个空间中，并且能聚集成致密的有形物体。
“场”这一概念是为了解释场力而定义的。例如，传递磁力的场叫作“磁场”，传递电力的场叫作“电场”。物理学的定义认为，“场”是空间各点的值(力的大小和方向)决定的。
“道”就是统一场的认识。“统一场”主要特点：宇宙物质世界统一性，各种场的统一，四种基本力的统一，杨米方程等。总体可以分为经典场、量子场。前者是确定性地满足牛顿力学原理，后者是随机性地满足统计学原理。世界分为物质与精神、有形与无形两大部分，“道”是物质场，但肉眼看不见(如电磁场)，道家强调自然性、物质性。“道”的精神场(如道德)，是物质的延伸与类推。规范场、量子场、电磁场、引力场、生物场等，都是物质场；道德、纪律、法律是物质场的延伸，是精神场。把权力关进制度的笼子，就是关进规范场，纳入制度体系中。
根据量子场论的观点推演，组成物质世界的每一种粒子都是真空的“激发态”。所谓“真空”犹如狄拉克所描述的特殊区域，这一区域中所有负能态都被占据、所有正能态都未被占据，其并非空无一物，而是处于基态的量子场。处于不断振荡之中的基态量子场,即“真空零点振荡”，这种振动能量会随着量子场体积的变化而变化。基态量子场之间的相互作用而导致各种虚粒子的产生、湮灭与相互转化，这一转化过程被称为“真空涨落”。基态量子场之间的相互作用还将导致粒子束缚态或集体激发态的相干凝聚，这种凝聚现象被称为“真空凝聚”。真空量子场的激发态的表现形式就是粒子，粒子与真空的关系也如道学中的“有”与“无”之间的关系。粒子即所谓“有”由基态真空的“无”激发而产生，最后又复归于基态即“无”，也就是所谓的“有创生于无，又复归于无”。因此可知，激发态与基态都是量子场的不同形态，因而“有”与“无”虽然名称不相同但均出自量子场。处于不断运动变化之中的量子场，将产生大量的虚粒子，使得整个亚微观世界处于一种无法描述的混沌状态，这一混沌状态的演化促进了有形物质世界的产生。所以，量子场论对真空也即基态量子场的描述，与老子对“道”所做的描述是极其相似的，虽然量子场论还没有完全揭开亚微观世界的所有秘密，而且仅凭它与道家对世界本原描述上的相似性还无法确认“道”是否就是“基态量子场”，但无论如何，两者结构体系上所表现出的惊人吻合度值得深入研究。
美国物理学家卡普拉认为, 现代物理学中“场”与“道”的概念十分相似，且“道”的概念与原理对于当代化学、物理学、宇宙学、人体生命科学的深入探究等都具有借鉴意义。道教对于老庄之“道”的诠释做了许多创造性的发展,丰富了“道”的内容。可惜的是,当代科学家只注意到道家之道,而道教所演化发展的“道”尚未被当代科学所充分开发运用。相信不远的将来科学家可以从道教中挖掘出更多的宝藏,以带给当代科学新的财富。所以，对道家哲学与现代物理学内涵结构共性的探讨，将是人类思想、文化、科学和技术不断发展、前进的必然结果。因此，就物质基本结构而言，道与场互为对偶。
(三)道-弦-场对偶整合分析
以弦和场为代表的近代物理学远远超出了当期的技术或实验验证能力，是典型的思想实验研究的成果。卡普拉曾说过“物理学的道路或曰“道”，乃是一条具有情感的道路，一条通向精神知识和自我实现的道路。” 统一场通称万物之理，实际上是现代版万物之理。弦论主张万物皆弦，弦代表基本粒子，弦的振动模式决定基本粒子的质量，各种弦相互转化代表粒子间的相互作用。
对偶性首先超越了经验主义，理论的建构不是单纯在经验的约束下形成的，更受到逻辑必然性的约束。对偶性超越了非充分决定性论题，揭示了一种更深层的等价性，这些相同的可观测量，背后是一个必然性的逻辑后果。对偶性也超越了传统的科学实在论，暗示不同的理论本身可能只是同一实在的不同表现，理论之间本质上是互补关系，而不是不断还原的过程。
本体论对世界的本原及宇宙的探索无止境，道、弦、场的对偶性研究具备现实与历史的必要性，综合分析可知，中国古代道家对世界本源的认识具备极强科学性，现代科学的发展为考察世界本源带来了多种创新手段与方法，通过对偶性分析发现，道、弦、场对世界本源的论述有着结构与实证的共同性，即对偶性。
“道”就是发展变化规律的认识。万物归一，各种现象都是统一的，起源相同，就是弦，运动方式是场，遵循不同规律。道德是内心的规则，道路是行走的规则，道理是办事的规则，这是微观规则；社会发展规律、经济规律、自然规律是宏观规则，都是场的作用和表现。可见，“道”就是规则、规范、规律，只能在一定区间内活动。党纪、国法、家规、家训，本质都是道。习近平总书记的“人类命运共同体”“经济共同体”就是统一场思想。
四、结论与讨论
李约瑟认为“在某种意义上讲，道家的全部思想是一种力场的思想”。道是万物之宗，是支配物质世界或现实事物运动变化的普遍规律。因此，道是一个本体论范畴，含有本体论的意义，即道是一个产生天地万物的实在性本体。现代物理学的场论与弦理论亦以揭示世界的本原为其理论的发端，场论与弦理论统一了大与小的定律，大到统领宇宙的尽头，小到深入物质的核心。人类对本体论、世界的本原及宇宙的探索无止境，通过道-弦-场的对偶性探究或许会对这一探究过程带来方法论的提示。
(一)中国古代道家对世界本源的认识具备极强科学性
中国历代道家运用其对自然的长期观察与思考，逐步形成了仰观俯察、观变察机、参验、勤求试之、析理入微、由易及难、原始反终的科学思维方法与思维方式，聚焦于世界本源的认识论中，具象为道乃万有的源头，万物由道之门而出、由天地之根而长，道陪伴着万物的始终。这一本原论的认识后被现代科学逐步验证，体现出超前与极强的科学性。
(二)现代科学的发展为考察世界本源带来了多种创新手段与方法
现代科学特别是现代物理学的发展动力首先来源于为探索一切事物的本质所做的努力。对物质是由不可分割的原子还是由一种潜在的连续体组成的这一问题推动，场论或量子场论闪亮登场，场既表现为在空间中无处不在的一种连续体，又呈现出不连续的“颗粒状”结构。还原论思想体系下关于物质基本结构单元的探索遇到了前所未有的困难，原子物理学、亚原子物理学的理论推演表明，基本粒子未必可能存在，至此弦理论应运而生。弦理论认为发生在宇宙间的一切奇妙的事情，都体现着一个伟大的物理学原理、一个伟大的数学方程，这就是弦。以弦、场为代表的理论为考察世界的本原带来了创新的手段与方法。
(三)通过对偶性分析发现，道弦场对世界本源的论述有着结构与实证的共同性，即对偶性
在不同的理论体系、时空尺度、哲学语境下，道、弦、场均被认为是万物的统一理论，其分别表现出不同种类的理论客体、不同维度的时空描述、不同参数的拓扑结构，看上去各自遵循着完全不同的理论形式或描述，但内在核心却是同一个物理学原理，可以用同一个数学方程来表达，这就是道-弦-场的对偶性。从对弦、场与道的对偶性研究中可以发现，道为观察与解释世界的本原提供了一个协调一致和尽善尽美的哲学框架，它能容纳以弦、场理论为代表的现代物理学领域最先进的理论。
① 胡孚琛：《道学通论》，北京：社会科学文献出版社，2018年，第3-9页。
② 公木、邵汉明：《道家哲学》，长春：长春出版社，2007年，第13-14页。
③  卡普拉：《物理学之“道”——近代物理学与东方神秘主义》，北京：中央编译出版社，2012年，第163-177、163-177页.
④ 布莱恩·R·格林：《宇宙的琴弦》，长沙：湖南科学技术出版社，2018年，第3-22页。
⑤ 王劲松：《试论现代物理学和先秦道家思想之间的趋同性》，《复旦学报》(社会科学版)2000年第3期。
⑥ 罗发海、程民治：《“道”与现代物理学》，合肥：安徽大学出版社，2006年，第18-31页。
⑦ 吴东好：《初探道教哲学与现代物理学》，《黑龙江科技信息》2008年第31期。
⑧ 斯蒂文·斯科特·古布泽：《弦理论》，重庆：重庆大学出版社，2015年，第109-128页。
⑨ 谢清果：《道家科技思想范畴引论》，北京：宗教文化出版社，2013年，第1-17页。
⑩ Richard Dawid，String Theory and the Scientific Method，New York：Cambridge University Press，2013，pp.9-38。
大栗博司：《超弦理论：探索时间、空间及宇宙的本原》，北京：人民邮电出版社，2015年，第55-89页。
沈健、桂起权：《关于弦论思想演化的考证与分析》，《科学技术哲学研究》2014年第3期。
高策、赵丹：《基于对称性论物理学本体、认识与方法三者关系》，《山西大学学报》(哲学社会科学版)2016年第4期。
李后强、黄进：《从统一场理论到人类命运共同体思想》，《浦东干部管理学院学报》2017年第1期。
盖建民：《道教之道与科学之道新论》，《新疆师范大学学报》(哲学社会科学版)2017年第5期。
沈致远：《统一场论回顾及新版本》，《物理教学》2017年第10期。
高策、乔笑斐：《物理学中对偶性的本体论内涵及其意义》，《自然辩证法通讯》2018年第4期。
高策、乔笑斐：《后真相时代的科学哲学——物理学哲学的视角》，《中国社会科学》2019年第2期。

〔中图分类号〕B223.1
〔文献标识码〕A
〔文章编号〕1000-4769(2020)02-0158-06
〔作者简介〕李贤彬，四川省社会科学院金融与财贸经济研究所副研究员，博士；
李后强，四川省社会科学院党委书记，教授、博士生导师，四川 成都 610071。
(责任编辑：谢 科)