“萬物理論”是什么？這個宇宙的終極答案

2016-11-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

歷史告訴我們,對終極真相的每一次追問都有所收獲,只不過收獲到的并非如我們預(yù)期。

今早,埃迪·雷德梅恩憑借電影《萬物理論》中霍金一角,奪得第87屆奧斯卡最佳男主角。

那么,何為“萬物理論”?

這個詞指的是能把物理學(xué)所有領(lǐng)域納入其中的單一理論,它就是物理學(xué)界的圣杯。包括霍金在內(nèi)的幾代物理學(xué)家已經(jīng)為之傾盡畢生心血,可我們甚至都不知道這樣一個理論是否存在。

(文/MacGregor Campbell,編譯/kingmagic)超引力、大統(tǒng)一場論、終極理論、萬物至理,物理學(xué)家用各種名稱來稱呼他們歸自然萬象于一統(tǒng)的嘗試。對某些人來說,這是他們領(lǐng)域中的圣杯,無不堅信有朝一日必得圓滿:物質(zhì)盡皆由細(xì)小的、振動的弦構(gòu)成;三維之外更有額外的空間維度;空間與時間逼近觀察時,不再光滑而連續(xù),而是斑駁且離散。

而對另一些人而言,追尋大統(tǒng)一理論無異于獵取赫爾曼·麥爾維爾(Herman Melville)小說中的那頭白鯨:一個若隱若現(xiàn)、甚至根本就子虛烏有的獵物?！霸谖铱磥?現(xiàn)在這些對所謂萬物統(tǒng)一理論的追尋,必將一無所獲,”法國馬賽理論物理中心的理論物理學(xué)家卡洛·羅韋利(Carlo Rovelli)如此斷言。丹麥奧胡斯大學(xué)的物理學(xué)史專家黑爾格·克拉格(Helge Kragh)則道出了更基本的問題:即便我們真的發(fā)現(xiàn)了合適的萬物理論,而且我們的心智也足以理解它,誰又能斷言一切就走到盡頭了呢?他認(rèn)為,“我們無法就某一理論是否是終極理論作出任何斷言?！?

另一方面,我們現(xiàn)有的關(guān)于自然的理論,盡管難稱完美,對改變我們?nèi)祟惿畹哪切┘夹g(shù)和創(chuàng)新所起到的支撐作用,卻是意義非凡。因此,我們是否該有此一問:萬物理論所為何來?

至少從牛頓時代開始,統(tǒng)一就一直是物理學(xué)前進的驅(qū)動力。對17世紀(jì)60年代的觀天者而言,天體的運動是一個至上謎題。為何天球上某些星光居留不動,夜夜相循,而其他一些星光卻穿越其間,游走蒼穹?對此,大瘟疫期間避居林肯郡偏僻一角的牛頓,想到了一個答案。推動行星和恒星之力,就是讓物體沉墜地面之力,此力遍存于任意兩個物體之間,只與它們的質(zhì)量和間隔有關(guān)。一旦領(lǐng)悟至此,天體之秘就洞若觀火,不過是地球附近的行星受太陽的引力以不同速率穿行天際,而恒星則由于距離遙遠而顯得固定不動而已。

牛頓的洞察將此前被認(rèn)為別若云泥的天界和人間統(tǒng)一在一起。他那套簡潔普適的方程,不僅讓工程師得以計算工業(yè)革命賴以發(fā)生的各種力和力矩,還給未來一代代的物理學(xué)家構(gòu)筑起一座神圣的殿堂。

在牛頓開風(fēng)氣之先200余載之后,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)又完成了一次與之類似的統(tǒng)一變革。19世紀(jì)60年代,麥克斯韋證明了電和磁是同一種力的一體兩面。與此同時,歸于他名下的方程組還表明,光就是一種電磁輻射。這個思想的火花點亮了如今我們生活的電氣時代,從廣播到智能手機無不賴以產(chǎn)生。

統(tǒng)一就是力量

今天的萬物理論正試圖延續(xù)上述歷程。我們現(xiàn)在認(rèn)為,所有的物理現(xiàn)象都能通過4種基本作用力來解釋。首先是引力,即牛頓描述的有質(zhì)量物體間的相互作用。接下來是麥克斯韋的電磁力,描述帶電物體間的相互作用。所有的“接觸”力都來自電磁力。比方說,為何在地球吸引之下,我們不會穿透地面遁入地下?因為鞋底和地面之間的電磁相互作用在支撐著我們。還有兩種在亞原子尺度下起作用的力:強核力和弱核力。前者將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起成為原子核,后者則掌控著諸如輻射衰變這樣的過程。所謂萬物理論,就是要表明所有這4種力都是同一種力的不同偽裝而已。

1967年,距離麥克斯韋又過去了100年,理論物理學(xué)家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)、阿卜杜勒·薩拉姆(Abdus Salam)和謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)向萬物理論邁出了第一步。他們證明,在相當(dāng)于宇宙誕生后頭十億分之一秒的極高能量條件下,電磁力和弱核力會結(jié)合成弱電力。盡管直到今天,還沒人令人信服地完成強核力和弱電力的統(tǒng)一,但這兩者很好地協(xié)調(diào)在一起,構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)模型,解釋了從夸克到希格斯粒子這樣的基本粒子如何相互作用。

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想要在時間和空間中開啟一個蟲洞,跨越遙遠的空間距離,甚至穿越回到過去,可能就需要掌握萬物至理。圖片來源:livescience.com

開啟蟲洞

但是,引力仍然像一個問題少年般游離在外。我們今天對引力最好的理解,來自愛因斯坦的廣義相對論。后者接替了牛頓理論,描述了質(zhì)量如何彎曲時間和空間,從而產(chǎn)生引力。但廣義相對論需要一個光滑的時空,這與電弱力和強核力這樣的量子作用所要求的概率化粗糙的時空背景構(gòu)成了矛盾。結(jié)果就是,兩者各自為政,量子理論統(tǒng)治著諸如粒子相互作用這樣的微觀現(xiàn)象,而恒星和星系這樣的宏觀物體都?xì)w引力方程管轄。

要是這一大一小兩極相遇,又將如何?美國哈佛大學(xué)的馬特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)認(rèn)為:“既然只有一個自然存在,那么宏觀與微觀應(yīng)該形成一個融洽的整體。”但他接著也提到:“當(dāng)然你有時要同時運用這兩套方程,然后就會產(chǎn)生一些矛盾?！?

比如說黑洞,其核心是被壓縮到極小一點的一顆恒星。再比如說,在時間的開端,整個宇宙的質(zhì)量和能量都集于毫末之中。這些都是極微觀尺度下的宏觀質(zhì)量,它們應(yīng)該算至大還是極小,是聽命于引力方程,還是受制于量子理論呢?

還是那句話,我們何必操心呢?與牛頓統(tǒng)一運動定律或麥克斯韋的電磁合體不同,未來的各種統(tǒng)一似乎不太可能給我們的技術(shù)帶來短期可見的變革。正如美國紐約城市大學(xué)的物理學(xué)家和未來學(xué)家加來道雄(Michio Kaku)指出的,牛頓和麥克斯韋的理論都適用于我們?nèi)粘Ｉ畹沫h(huán)境,而4種基本作用力只有在比大型強子對撞機(LHC)的碰撞能量還要再高1000萬億倍的情況下才能統(tǒng)一。他認(rèn)為,可能要10萬年后,我們才能建造出足夠強大的對撞機,逼近這一能量。況且,這樣的裝置可能有整個太陽系那么大。

如果未來的人類能產(chǎn)生并控制這么高的能量,他們毫無疑問會創(chuàng)造更為豐富的技術(shù)可能性,“或許開始能擺弄時間和空間了”,加來道雄說道。這樣一來,人類就有可能利用時間和空間,比如說開啟蟲洞,通過它穿越遙遠的空間距離。人們認(rèn)為,這些設(shè)想中的管道會從時空結(jié)構(gòu)的量子漲落中生發(fā)出來,然后又像它們出現(xiàn)時那樣迅速關(guān)閉。想要弄清楚如何將它們支撐起來,成為一個穩(wěn)定的通道,就需要有新的理論,能將在小尺度上碎裂的量子理論和大尺度上光滑的量子理論縫合起來,加來道雄解釋說,“要想做到這一點,你實際上就需要一個萬物理論。”

為10萬年后未雨綢繆,聽上去不是個爭取眼前資金投入的好理由。但美國紐約哥倫比亞大學(xué)的彼得·沃伊特(Peter Woit)認(rèn)為,不能僅僅從實用技術(shù)的角度來評判萬物理論。如果以史為鑒的話,未來的統(tǒng)一理論很可能將我們引入新的領(lǐng)域,而且可能是今天的我們聞所未聞的領(lǐng)域。沃伊特說,“當(dāng)我們回望過去發(fā)現(xiàn)這樣的經(jīng)驗屢試不爽時,探索的欲望就會更為急迫,因為我們知道,在未知的迷霧中存在著新的洞察或新的想法,只要輕輕一瞥,頃刻間就能讓你之前所有的困擾瓦解冰消。”

盡管對所謂的終極理論持懷疑態(tài)度,克拉格也承認(rèn),“一個包含萬物的終極理論雖然是虛幻的目標(biāo),但在追尋過程中,我們會得到很多新的科學(xué)洞見?！?

以牛頓為例,為了形成有關(guān)引力和運動的理論,他發(fā)明了新的數(shù)學(xué)技巧,以便處理諸如速度這樣能夠連續(xù)變化的物理量——那種技巧就是微積分。此后,從生物學(xué)直到經(jīng)濟學(xué),微積分幾乎引起了所有科學(xué)領(lǐng)域的變革。要是沒有在微積分基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的傅立葉變換,想把電腦上那段萌貓視頻導(dǎo)到你的手機上,幾乎是不可能的。傅立葉變換利用微積分將所有信號都化解為一系列簡單正弦函數(shù)的疊加,才使得視頻和音頻文件能被壓縮到合適傳輸?shù)拇笮　?

再來看看愛因斯坦從麥克斯韋方程組中獲得的珍寶。為了數(shù)學(xué)上能夠自恰,這些方程需要一個不變的光速,其速度不依賴于觀測者的運動速度。這引領(lǐng)愛因斯坦接近了一個更深刻的真理:光速不變就是我們宇宙的本來面目,因此空間和時間必須協(xié)調(diào)起來,以保證光速總為一個常數(shù)。用美國康奈爾大學(xué)的天體物理學(xué)家利奧·斯泰因(Leo Stein)的話來說,“麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的是一系列數(shù)學(xué)關(guān)系,愛因斯坦則看到了空間和時間更為深刻的聯(lián)系?！?

如此這般,到了上世紀(jì)20年代末,保羅·狄拉克(Paul Dirac)開始嘗試,將愛因斯坦的狹義相對論和當(dāng)時尚在襁褓的量子力學(xué)結(jié)合起來。他得到的方程表明,電子應(yīng)該還有一個質(zhì)量相同但電荷相反的表親——正電子。狄拉克一開始認(rèn)為這是個錯誤,但很快實驗就揭示出這類反粒子的確存在。這個關(guān)于實在基礎(chǔ)的驚人發(fā)現(xiàn),今天甚至找到了用武之地——比如很多醫(yī)院中都能見到的正電子發(fā)射斷層掃描。用斯特拉斯勒的話來描述,“你關(guān)注一件事,會帶動更多人關(guān)注更多事,結(jié)果反倒有機緣巧合的收獲。”

那么,今天對萬物理論的探尋又當(dāng)如何?絕大多數(shù)希望都集中在一個競爭者身上。英國倫敦國王學(xué)院的理論物理學(xué)家約翰·阿利斯(John Allis)道出其中三昧:“我認(rèn)為,弦論是唯一有資格作為萬物理論框架的候選理論”。

弦論一開始卻并非為此而生。20世紀(jì)60年代末,正在嘗試解釋強核力的物理學(xué)家提出,最好把參與強核力的粒子理解為以各種方式振動的弦,而非此前理解的空間中無限小的點。最終,人們找到了其他更適合描述強核力的方式,但關(guān)于弦的數(shù)學(xué)卻優(yōu)雅迷人,讓物理學(xué)家難以割舍。接下來,經(jīng)過上世紀(jì)七八十年代的發(fā)展,一個新的想法漸漸成熟起來:弦論也許更適合描述量子引力,填補微觀和宏觀世界之間的理論鴻溝。

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盡管還遠遠沒有成為萬物至理,但弦論提出的數(shù)學(xué)技巧,已經(jīng)被用來解釋高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機制,并且卓有成效。圖片來源:wikimedia.org

全息的弦

問題在于,弦論直到今天也沒能完成統(tǒng)一。“當(dāng)然,在獲得確切的實驗數(shù)據(jù)告訴我們弦論是對是錯、是否真的描述了自然之前,我們還有還長一段路要走”,阿利斯說道。

那它的意義又何在呢?或許,歷史能給出答案:肯定超出你的想像。上世紀(jì)90年代末,當(dāng)時還在美國哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家胡安·馬爾達西納(Juan Maldacena)試圖用量子理論來描述黑洞,他找到的切入點是研究D膜(D-brans),相當(dāng)于一種質(zhì)量更大的多維的弦。他發(fā)現(xiàn)D膜的行為能用兩種不同但等價的方式來描述。一種是通過改動弦論,將引力包括進來,最終需要10維空間。另一種則是更為正常的、不包含引力的四維量子理論,跟標(biāo)準(zhǔn)模型的理論基礎(chǔ)類似。美妙之處在于,馬爾達西納找到了一套數(shù)學(xué)技巧,稱為Ads/CFT對應(yīng)(反德西特空間/共形變換對應(yīng))——如果某些東西用量子理論計算起來很困難,你就可以用這種對應(yīng)把它轉(zhuǎn)換到其他維度的空間中去,使其計算起來更為簡單。

過去幾年間,美國斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家西恩·哈特諾爾(Sean Hartnoll)和同事一起,發(fā)現(xiàn)了一件非常怪異的事情——我們對高溫超導(dǎo)的理解,也許能從馬爾達西納的方法中獲益。超導(dǎo)體能毫無阻礙地傳導(dǎo)電流,但通常都需要極低的溫度,要用液氦或者液氮來冷卻。這極大地限制了它的應(yīng)用范圍,目前僅在核磁共振成像和磁懸浮列車的磁鐵當(dāng)中使用。少數(shù)“高溫”超導(dǎo)體能在相對更高的溫度下工作,但是它們超導(dǎo)機制的細(xì)節(jié)一直是個謎團,阻礙了更高溫度超導(dǎo)體的研發(fā)。

研究表明,這些高溫超導(dǎo)體行為的某些方面,很容易用弦論的數(shù)學(xué)工具來駕馭。例如,在合適的條件下,高溫超導(dǎo)體能在某個方向傳導(dǎo)電流,而在垂直方向上阻斷電流。利用馬爾達西納找到的對應(yīng)方法,哈特諾爾及其同事發(fā)展出一種“全息奇異金屬”(Holographic strange metal)模型,與其他常見的模型相比,能夠更好地描述高溫超導(dǎo)體的上述行為(詳見《自然·物理學(xué)》,DOI:10.1038/nphys2701)。“全息奇異金屬模型能捕捉到高溫超導(dǎo)體的這個側(cè)面,其他模型則難以勝任,”哈特諾爾評論道。

與此同時,馬爾達西納的捷徑已經(jīng)揭示出,本質(zhì)上,每種物態(tài)都與特定的引力圖景相吻合,而這些引力圖景又可以用弦論的數(shù)學(xué)來處理。超導(dǎo)體可以被看作是帶電粒子和最近剛被發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子構(gòu)成的恒星。經(jīng)典液體則可以用不旋轉(zhuǎn)、無電荷黑洞的數(shù)學(xué)模型來模擬。印度孟買塔塔基礎(chǔ)研究院的研究人員士拉茲·明沃拉(Shiraz Minwalla)認(rèn)為,這些深刻的類比已經(jīng)“讓弦論研究進入了理論物理研究的核心地帶”。

物理學(xué)有一份長長的重要問題清單。為什么希格斯玻色子的質(zhì)量如此之小?為何中微子質(zhì)量不為零?暗物質(zhì)是什么?暗能量又是什么?一個終極理論或許能將這些問題一網(wǎng)打盡,不過也可能一無所獲。但它很有可能回答一些我們一開始壓根沒有想到的問題。

美國普林斯頓高等研究院的內(nèi)森·希伯格(Nathan Sieberg)說,有足夠的理由說服人們繼續(xù)追求終極目標(biāo)?！拔蚁霟o論出發(fā)點如何,最終都殊途同歸,是為了更好地、甚至徹底完全理解自然表象之下的深層規(guī)律,”他說,“過去幾個世紀(jì)來,我們已經(jīng)朝著這個目標(biāo)不斷深入,我看不出這段旅程有任何理由會在我們這里嘎然而止?！?

編譯自:《新科學(xué)家》,What is the point of a theory of everything?

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