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终极理论有啥用?

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New Scientist - 12 October 2013

历史告诉我们,对终极真相的每一次追问都有所收获,只不过收获到的并非如我们预期。图片来源:《新科学家》

文 / MacGregor Campbell    超引力、大统一场论、终极理论、万物至理,物理学家用各种名称来称呼他们归自然万象于一统的尝试。对某些人来说,这是他们领域中的圣杯,无不坚信有朝一日必得圆满:物质尽皆由细小的、振动的弦构成;三维之外更有额外的空间维度;空间与时间逼近观察时,不再光滑而连续,而是斑驳且离散。

而对另一些人而言,追寻大统一理论无异于猎取赫尔曼·麦尔维尔(Herman Melville)小说中的那头白鲸:一个若隐若现、甚至根本就子虚乌有的猎物。“在我看来,现在这些对所谓万物统一理论的追寻,必将一无所获,”法国马赛理论物理中心的理论物理学家卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)如此断言。丹麦奥胡斯大学的物理学史专家黑尔格·克拉格(Helge Kragh)则道出了更基本的问题:即便我们真的发现了合适的万物理论,而且我们的心智也足以理解它,谁又能断言一切就走到尽头了呢?他认为,“我们无法就某一理论是否是终极理论作出任何断言。”

另一方面,我们现有的关于自然的理论,尽管难称完美,对改变我们人类生活的那些技术和创新所起到的支撑作用,却是意义非凡。因此,我们是否该有此一问:万物理论所为何来?

至少从牛顿时代开始,统一就一直是物理学前进的驱动力。对17世纪60年代的观天者而言,天体的运动是一个至上谜题。为何天球上某些星光居留不动,夜夜相循,而其他一些星光却穿越其间,游走苍穹?对此,大瘟疫期间避居林肯郡偏僻一角的牛顿,想到了一个答案。推动行星和恒星之力,就是让物体沉坠地面之力,此力遍存于任意两个物体之间,只与它们的质量和间隔有关。一旦领悟至此,天体之秘就洞若观火,不过是地球附近的行星受太阳的引力以不同速率穿行天际,而恒星则由于距离遥远而显得固定不动而已。

牛顿的洞察将此前被认为别若云泥的天界和人间统一在一起。他那套简洁普适的方程,不仅让工程师得以计算工业革命赖以发生的各种力和力矩,还给未来一代代的物理学家构筑起一座神圣的殿堂。

在牛顿开风气之先200余载之后,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)又完成了一次与之类似的统一变革。19世纪60年代,麦克斯韦证明了电和磁是同一种力的一体两面。与此同时,归于他名下的方程组还表明,光就是一种电磁辐射。这个思想的火花点亮了如今我们生活的电气时代,从广播到智能手机无不赖以产生。

统一就是力量

今天的万物理论正试图延续上述历程。我们现在认为,所有的物理现象都能通过4种基本作用力来解释。首先是引力,即牛顿描述的有质量物体间的相互作用。接下来是麦克斯韦的电磁力,描述带电物体间的相互作用。所有的“接触”力都来自电磁力。比方说,为何在地球吸引之下,我们不会穿透地面遁入地下?因为鞋底和地面之间的电磁相互作用在支撑着我们。还有两种在亚原子尺度下起作用的力:强核力和弱核力。前者将质子和中子结合在一起成为原子核,后者则掌控着诸如辐射衰变这样的过程。所谓万物理论,就是要表明所有这4种力都是同一种力的不同伪装而已。

1967年,距离麦克斯韦又过去了100年,理论物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)、阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)和谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)向万物理论迈出了第一步。他们证明,在相当于宇宙诞生后头十亿分之一秒的极高能量条件下,电磁力和弱核力会结合成弱电力。尽管直到今天,还没人令人信服地完成强核力和弱电力的统一,但这两者很好地协调在一起,构成了标准模型,解释了从夸克到希格斯粒子这样的基本粒子如何相互作用。

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想要在时间和空间中开启一个虫洞,跨越遥远的空间距离,甚至穿越回到过去,可能就需要掌握万物至理。图片来源:livescience.com

开启虫洞

但是,引力仍然像一个问题少年般游离在外。我们今天对引力最好的理解,来自爱因斯坦的广义相对论。后者接替了牛顿理论,描述了质量如何弯曲时间和空间,从而产生引力。但广义相对论需要一个光滑的时空,这与电弱力和强核力这样的量子作用所要求的概率化粗糙的时空背景构成了矛盾。结果就是,两者各自为政,量子理论统治着诸如粒子相互作用这样的微观现象,而恒星和星系这样的宏观物体都归引力方程管辖。

要是这一大一小两极相遇,又将如何?美国哈佛大学的马特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)认为:“既然只有一个自然存在,那么宏观与微观应该形成一个融洽的整体。”但他接着也提到:“当然你有时要同时运用这两套方程,然后就会产生一些矛盾。”

比如说黑洞,其核心是被压缩到极小一点的一颗恒星。再比如说,在时间的开端,整个宇宙的质量和能量都集于毫末之中。这些都是极微观尺度下的宏观质量,它们应该算至大还是极小,是听命于引力方程,还是受制于量子理论呢?

还是那句话,我们何必操心呢?与牛顿统一运动定律或麦克斯韦的电磁合体不同,未来的各种统一似乎不太可能给我们的技术带来短期可见的变革。正如美国纽约城市大学的物理学家和未来学家加来道雄(Michio Kaku)指出的,牛顿和麦克斯韦的理论都适用于我们日常生活的环境,而4种基本作用力只有在比大型强子对撞机(LHC)的碰撞能量还要再高1000万亿倍的情况下才能统一。他认为,可能要10万年后,我们才能建造出足够强大的对撞机,逼近这一能量。况且,这样的装置可能有整个太阳系那么大。

如果未来的人类能产生并控制这么高的能量,他们毫无疑问会创造更为丰富的技术可能性,“或许开始能摆弄时间和空间了”,加来道雄说道。这样一来,人类就有可能利用时间和空间,比如说开启虫洞,通过它穿越遥远的空间距离。人们认为,这些设想中的管道会从时空结构的量子涨落中生发出来,然后又像它们出现时那样迅速关闭。想要弄清楚如何将它们支撑起来,成为一个稳定的通道,就需要有新的理论,能将在小尺度上碎裂的量子理论和大尺度上光滑的量子理论缝合起来,加来道雄解释说,“要想做到这一点,你实际上就需要一个万物理论。”

为10万年后未雨绸缪,听上去不是个争取眼前资金投入的好理由。但美国纽约哥伦比亚大学的彼得·沃伊特(Peter Woit)认为,不能仅仅从实用技术的角度来评判万物理论。如果以史为鉴的话,未来的统一理论很可能将我们引入新的领域,而且可能是今天的我们闻所未闻的领域。沃伊特说,“当我们回望过去发现这样的经验屡试不爽时,探索的欲望就会更为急迫,因为我们知道,在未知的迷雾中存在着新的洞察或新的想法,只要轻轻一瞥,顷刻间就能让你之前所有的困扰瓦解冰消。”

尽管对所谓的终极理论持怀疑态度,克拉格也承认,“一个包含万物的终极理论虽然是虚幻的目标,但在追寻过程中,我们会得到很多新的科学洞见。”

以牛顿为例,为了形成有关引力和运动的理论,他发明了新的数学技巧,以便处理诸如速度这样能够连续变化的物理量——那种技巧就是微积分。此后,从生物学直到经济学,微积分几乎引起了所有科学领域的变革。要是没有在微积分基础上构建起来的傅立叶变换,想把电脑上那段萌猫视频导到你的手机上,几乎是不可能的。傅立叶变换利用微积分将所有信号都化解为一系列简单正弦函数的叠加,才使得视频和音频文件能被压缩到合适传输的大小。

再来看看爱因斯坦从麦克斯韦方程组中获得的珍宝。为了数学上能够自恰,这些方程需要一个不变的光速,其速度不依赖于观测者的运动速度。这引领爱因斯坦接近了一个更深刻的真理:光速不变就是我们宇宙的本来面目,因此空间和时间必须协调起来,以保证光速总为一个常数。用美国康奈尔大学的天体物理学家利奥·斯泰因(Leo Stein)的话来说,“麦克斯韦发现的是一系列数学关系,爱因斯坦则看到了空间和时间更为深刻的联系。”

如此这般,到了上世纪20年代末,保罗·狄拉克(Paul Dirac)开始尝试,将爱因斯坦的狭义相对论和当时尚在襁褓的量子力学结合起来。他得到的方程表明,电子应该还有一个质量相同但电荷相反的表亲——正电子。狄拉克一开始认为这是个错误,但很快实验就揭示出这类反粒子的确存在。这个关于实在基础的惊人发现,今天甚至找到了用武之地——比如很多医院中都能见到的正电子发射断层扫描。用斯特拉斯勒的话来描述,“你关注一件事,会带动更多人关注更多事,结果反倒有机缘巧合的收获。”

那么,今天对万物理论的探寻又当如何?绝大多数希望都集中在一个竞争者身上。英国伦敦国王学院的理论物理学家约翰·阿利斯(John Allis)道出其中三昧:“我认为,弦论是唯一有资格作为万物理论框架的候选理论”。

弦论一开始却并非为此而生。20世纪60年代末,正在尝试解释强核力的物理学家提出,最好把参与强核力的粒子理解为以各种方式振动的弦,而非此前理解的空间中无限小的点。最终,人们找到了其他更适合描述强核力的方式,但关于弦的数学却优雅迷人,让物理学家难以割舍。接下来,经过上世纪七八十年代的发展,一个新的想法渐渐成熟起来:弦论也许更适合描述量子引力,填补微观和宏观世界之间的理论鸿沟。

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尽管还远远没有成为万物至理,但弦论提出的数学技巧,已经被用来解释高温超导体的超导机制,并且卓有成效。图片来源:wikimedia.org

全息的弦

问题在于,弦论直到今天也没能完成统一。“当然,在获得确切的实验数据告诉我们弦论是对是错、是否真的描述了自然之前,我们还有还长一段路要走”,阿利斯说道。

那它的意义又何在呢?或许,历史能给出答案:肯定超出你的想像。上世纪90年代末,当时还在美国哈佛大学的理论物理学家胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)试图用量子理论来描述黑洞,他找到的切入点是研究D膜(D-brans),相当于一种质量更大的多维的弦。他发现D膜的行为能用两种不同但等价的方式来描述。一种是通过改动弦论,将引力包括进来,最终需要10维空间。另一种则是更为正常的、不包含引力的四维量子理论,跟标准模型的理论基础类似。美妙之处在于,马尔达西纳找到了一套数学技巧,称为Ads/CFT对应(反德西特空间/共形变换对应)——如果某些东西用量子理论计算起来很困难,你就可以用这种对应把它转换到其他维度的空间中去,使其计算起来更为简单。

过去几年间,美国斯坦福大学的物理学家西恩·哈特诺尔(Sean Hartnoll)和同事一起,发现了一件非常怪异的事情——我们对高温超导的理解,也许能从马尔达西纳的方法中获益。超导体能毫无阻碍地传导电流,但通常都需要极低的温度,要用液氦或者液氮来冷却。这极大地限制了它的应用范围,目前仅在核磁共振成像和磁悬浮列车的磁铁当中使用。少数“高温”超导体能在相对更高的温度下工作,但是它们超导机制的细节一直是个谜团,阻碍了更高温度超导体的研发。

研究表明,这些高温超导体行为的某些方面,很容易用弦论的数学工具来驾驭。例如,在合适的条件下,高温超导体能在某个方向传导电流,而在垂直方向上阻断电流。利用马尔达西纳找到的对应方法,哈特诺尔及其同事发展出一种“全息奇异金属”(Holographic strange metal)模型,与其他常见的模型相比,能够更好地描述高温超导体的上述行为(详见《自然·物理学》,DOI:10.1038/nphys2701)。“全息奇异金属模型能捕捉到高温超导体的这个侧面,其他模型则难以胜任,”哈特诺尔评论道。

与此同时,马尔达西纳的捷径已经揭示出,本质上,每种物态都与特定的引力图景相吻合,而这些引力图景又可以用弦论的数学来处理。超导体可以被看作是带电粒子和最近刚被发现的希格斯粒子构成的恒星。经典液体则可以用不旋转、无电荷黑洞的数学模型来模拟。印度孟买塔塔基础研究院的研究人员士拉兹·明沃拉(Shiraz Minwalla)认为,这些深刻的类比已经“让弦论研究进入了理论物理研究的核心地带”。

物理学有一份长长的重要问题清单。为什么希格斯玻色子的质量如此之小?为何中微子质量不为零?暗物质是什么?暗能量又是什么?一个终极理论或许能将这些问题一网打尽,不过也可能一无所获。但它很有可能回答一些我们一开始压根没有想到的问题。

美国普林斯顿高等研究院的内森·希伯格(Nathan Sieberg)说,有足够的理由说服人们继续追求终极目标。“我想无论出发点如何,最终都殊途同归,是为了更好地、甚至彻底完全理解自然表象之下的深层规律,”他说,“过去几个世纪来,我们已经朝着这个目标不断深入,我看不出这段旅程有任何理由会在我们这里嘎然而止。”

编译自:《新科学家》,What is the point of a theory of everything?

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