比物理定律更接近宇宙真相的,是弦理论图景-集智俱乐部

导语

科学家寻求对现实的单一描述,但现代物理学却允许很多不同的描述,而且其中许多描述是“异曲同工”的,它们互相通过数学可能性的广阔图景连接起来。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:quantamagazine

原题:

There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape.

假设 A 和 B 都被要求准备一道菜, A 喜欢中餐,B 喜欢意大利餐(美国人觉得两个菜系差不多)。让他们分别挑选自己最喜爱的配方,购买食材,然后照说明去做。但是当他们将盘子从烤箱里拿出来时,两人都大吃一惊,这两道菜竟然是完全一样的。我们可以想象 A 和 B 必然会开始“人生三问”:不同的配料怎么会做出同样的菜呢?烹饪中国菜或意大利菜到底意味着什么?他们准备食物的方法是错误的吗?

这正是量子物理学家所经历的困惑。他们发现,对于同一个物理系统经常会有两种完全不同的描述。只不过在物理学中,配料不是肉类与酱料,而是粒子和作用力;食谱是描述相互作用的数学公式;烹饪过程是量子化过程,它将数学方程转化为物理现象的概率。就像 A 和 B 一样,量子物理学家感到惊奇的是,不同的方法何以会导致相同的结果。

1 物理常量是自然的吗?

自然在选择它的基本定律时有什么选择吗?对此爱因斯坦有一个著名的观点,给定一些普遍原则,就会形成一种独特的方式来构建一个一致且运转良好的宇宙。在爱因斯坦看来,如果我们对物理学的本质探索得足够深,那就会有且只有一种方式使得所有的成分——物质、辐射、力、空间与时间——组合成运行良好的世界,这就像一个机械钟的齿轮、弹簧、表盘独特地结合在一起,保持对时间的精确记录一样。

目前的粒子物理学标准模型事实上正是一个只包含少量成分紧密关联的系统。然而,宇宙似乎并不是独特的,而是无数个可能世界中的一个。我们也不知道为什么"粒子和力"的这种特殊组合构成了自然世界的基石。为什么夸克有六种“风味”,中微子有三“代”,希格斯粒子只有一种?此外,标准模型包含19个物理常量,比如电子的质量、电子的电荷量之类的物理量,这些物理常量必须通过实验来测量。这些“自由参数”的值似乎没有任何更深刻的含义。一方面,粒子物理学是优雅的奇迹;另一方面,它叙述了一个“本就如此”的故事。

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2012年,在大型强子对撞机27公里长的圆形隧道中,粒子相互碰撞产生了希格斯玻色子

如果我们的世界只是众多世界中的一个,那么我们该如何对待其他的选项呢?爱因斯坦想象的是一个独一无二的宇宙,但是目前的研究与这个观点去之甚远。现代物理学家拥抱物理广阔的可能性空间,并试图理解它包罗万象的逻辑和相互联系。他们从最开始物理规律的淘金者变成了地理和地质学家,对物理规律的世界进行详细测绘,并研究塑造这种地貌的作用力。

2 弦理论(string theory)

广阔空间

然而,弦理论(string theory)使这种观点发生了转变。目前看来,弦理论是能够描述所有粒子和力(包括引力)、同时遵循量子力学与相对论的严格逻辑规则的唯一可行的候选自然理论。好消息是,弦理论没有自由参数,它不是可以转动的表盘。要问哪个弦理论描述了我们的宇宙是没有意义的,因为只有一个弦理论。不存在任何自由参数会导致一个震撼的结论,那就是自然界中所有的数字都要由物理学本身来确定。它们不是“物理常量”,而是由方程(也许是非常复杂的方程)确定的变量。

而这也带来了坏消息。弦理论的解空间巨大而复杂。这在物理学中并不罕见。按照传统,我们会把数学方程描述的基本定律和这些方程的解做区分,因为通常只有几个定律,但有无数的解。以牛顿定律为例,它简洁优雅,却能描述从坠落的苹果到月球轨道广泛的现象。如果知道一个特定系统的初始条件,这些定律能够解出方程,并预测接下来会发生什么。我们不期望,也不需要一个能够描述一切的先验唯一解。

在弦理论中,通常会将一些物理特征看作自然定律,比如特定的粒子和力,事实上这些定律是一些高维定律的解。它们由隐藏的额外维度的形状和大小决定。所有这些解,它们构成的空间通常被称为“图景(landscape)”,但这是一种轻率的轻描淡写,与这个空间的广阔相比,即使是最令人敬畏的山脉景观也会黯然失色。虽然对它的地理脉络知之甚少,但我们知道,它有着规模巨大的领土。

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弦理论是能够描述所有粒子和力(包括引力)、同时遵循量子力学与相对论的严格逻辑规则的唯一可行的候选自然理论。

一个最引人注意的特点是,可能这片土地上所有东西都是相互连接的,也就是说,任意两个模型之间都有一条完整的连接路径。如果宇宙能足够程度上被震动,我们将能够从一个可能的世界移动到另一个,改变那些被认为是不可改变的自然定律,改变构成现实的基本粒子的特殊组合。

3 探索广阔图景

但对于那些动辄具有数百个维度的宇宙物理模型,要如何探索它们的广阔图景呢?一个很有帮助的办法是,将这片图景想象成很大程度上未被开发的荒野,它的大部分隐藏在层层难以处理的复杂性下面。只有在最边缘处,才发现了一些适合居住的地方。在这些偏僻的前哨点,生活简单而美好,我们找到了自己完全理解的基本模型。它们对于描述真实世界几乎没有什么价值,却可以成为探索周围区域的方便起点。

量子电动力学(QED)理论就是一个很好的例子,它描述的是物质和光之间的相互作用。这个模型只有一个参数,也就是精细结构常数α,它的数值接近1/137,衡量两个电子之间力的强度。

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量子电动力学描述的是物质和光之间的相互作用。

在量子电动力学中,所有过程都可以看作是由基本的相互作用产生的。例如,两个电子之间的斥力可以看作是光子的交换。量子电动力学要求我们考虑两个电子彼此交换一个光子的所有可能方式,在实践中这意味着物理学家必须解决一个极其复杂的无限求和问题。但这个理论也提供了一条出路:每个额外的光子交换会增加包含α升高一个指数的项。因为这是一个相对较小的数字,具有多个光子交换的项只会起到很小的作用,在寻找“真实”值的近似中可以忽略它们。

在整个图景的前哨点发现了这些弱耦合理论。在这里,其他因素的影响强度很小,讨论基本粒子的列表以及计算它们相互作用力是有意义的。但是,如果离开这里,更深入地进入荒野,那么耦合就会变得更强,每一个额外的展开项都会变得更加重要,我们不再能区分单个粒子,相反,它们会溶解成一个纠缠的能量网,就像热烤箱中的蛋糕一样。

然而,并不是所有以往的规律都不复存在。有时,穿越黑暗荒野的道路会终结于另一个前哨点,也就是另一个控制良好的模型中,只不过这个模型由完全不同的粒子和力组成。在这种情况下,就像 A 和 B 的菜一样,同一个底层物理规律,有两种不同的描述方法。这些互补的描述被称为对偶模型(dual model),它们之间的关系是对偶的。我们可以将对偶关系看成海森堡发现的波粒二象性的一个巨大的外推。对于 A 和 B 来说,这就像是是中国菜和意大利菜的食谱之间的翻译,只不过是用两套不同的描述来形容同一种食物。

对于物理学来说,为什么这如此令人兴奋呢?现代量子物理学最令人震惊的一个结论是:许多模型是一个巨大且相互连接的空间的一部分。这是一种视角的转变,足以被称为“范式转移(paradigm shift)”。它告诉我们,发现的不是由单个岛屿组成的群岛,而是一块巨大的大陆。从某种意义上说,通过足够深入地研究一个模型,就可以研究所有的模型。我们可以探究这些模型之间是如何联系的,并阐明它们的共同结构。

需要强调的是,这种现象与弦理论是否描述真实世界的问题在很大程度上是无关的。它是量子物理学的固有属性,而无论未来的“万物理论”会是什么样子,这种现象依旧存在。

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为了寻求对所有自然现象的统一、连贯的描述,即一个"万物理论",物理学家们已经发现了连接越来越多不同现象的主要线索。

相关文章:

https://www.quantamagazine.org/frontier-of-physics-interactive-map-20150803/

一个更引人注目的结论是,基础物理学的所有传统描述都必须被抛弃。粒子、场、力、对称——它们都不过是在复杂图景边缘上的人为描述。构建简单模块来思考物理学似乎是错误的,或者至少是受限的。也许存在一种全新的框架,能够将自然的基本定律统一起来,并抛弃掉所有熟悉的概念。

对于这种激动人心的观点而言,弦理论的数学复杂性和一致性是一个强大的动力。但我们必须重视现实。用玻尔(Niels Bohr)的话来说就是,目前关于取代粒子和场的想法几乎没有哪个“疯狂到足以成为现实”。就像 A 和 B 一样,物理学已经准备好抛弃旧的食谱,拥抱一种现代的融合烹饪。

翻译:公孙龙马

审校:陈曦

编辑:王怡蔺

文章地址:

https://www.quantamagazine.org/there-are-no-laws-of-physics-theres-only-the-landscape-20180604/

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