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通往物理学终极理论的道路上,我们需要一场联姻

还原论将世界“打碎”成基本粒子,而涌现论致力于发现生成复杂世界的简单定律。这两种互补的方式在现代的量子引力研究中合二为一。

 

作者 Robbert Dijkgraaf

翻译 阿金

审校 金庄维

 

图片来源:James O’Brien for Quanta Magazine

 

假设现在有一群外星人来到我们的星球,想要学习当今的科学知识。我会先给他们播放一部 40 年前拍摄的纪录片《十的力量》(Powers of Ten)。相信我,这部由著名设计师夫妇 Charles 和 Ray Eames 编导的短片虽然有点过时,但是仍然成功地在十分钟不到的时间里让人们对宇宙有了全景式的了解。

 

剧情简单但不失精致。在影片的开头,我们看到一对夫妇在芝加哥的公园内野餐。然后,镜头开始拉远,每隔十秒,视野就扩大十倍——从十米,到一百米、一千米,不断拉远。我们看到的范围也在慢慢变大:城市、大陆、地球、太阳系、相邻的恒星、银河系,一直到目前我们所能观测到的宇宙全景。在影片的后半段,镜头转而拉近,一直深入到最微小的结构,揭示出越来越微观的细节——我们的视野穿入掌心,看到细胞、DNA双螺旋结构、原子、原子核,最后是质子内不断振动的夸克。

 

整部影片捕捉到了宏观宇宙和微观世界令人叹为观止的美,同时它的结尾留给我们一个完美的悬念。我八岁的儿子在第一次看完这部片子后问我:“然后呢?”是啊,然后呢?探索宇宙极限的科学家就在探索更大和更小的结构。终于,我能够向我儿子解释你老爸我到底在干什么了!

 

《十的力量》也告诉我们:当我们在不同的距离、时间和能量尺度中穿梭时,我们还跨越了不同的知识领域。心理学研究人类行为,演化生物学监测生态系统,天文物理学探索行星和恒星,宇宙学则专注于整个宇宙。同样的,在微观尺度上,我们也看到生物学、生物化学、原子物理、原子核与粒子物理各司其职。各个学科看上去就像大峡谷(Grand Canyon)里的地质层那样层次分明。

 

从一个尺度穿越到另一个尺度时,我们就能看到现代科学两大组织原则——涌现论和还原论的实例。当尺度放大时,个体的复杂行为中将“涌现”出新模式:生化反应产生有感知的生命体;单个的有机体聚集到一起形成生态系统;数千亿的恒星汇聚成为壮观的星系。

 

反过来进入微观世界,我们则会看到还原论发挥作用——复杂的模式被分解为简单单元:生命还原成 DNA、RNA、蛋白质和其他有机分子之间的相互反应;化学的复杂简化为量子力学的优美;粒子物理标准模型则将世间万物浓缩成四种基本力和17种基本粒子。


那么二者孰强孰弱?传统的粒子物理学家坚持还原论,而研究复杂材料的凝聚态物理学家则站队涌现论。诺贝尔物理奖获得者,粒子物理学家大卫·格罗斯(David Gross)就犀利地发问:“我们究竟在哪里看到优美?又在哪里发现一团糟?”

 

让我们看看周围现实有多复杂。粒子物理学家通常使用一些粒子和它们之间的相互作用来解释自然现象。但凝聚态物理学家思考的问题是:如何描述一杯普通的水呢?像粒子物理学家那样通过其中约 1024 个水分子(更不要说它们的基本粒子)的运动来解释水面的波纹可不是个聪明的办法。因此,凝聚态物理学家使用涌现论,即流体力学和热动力学来优美地解决问题。实际上,当分子的数量趋于无限大时(在还原论者的眼中无异于一堆巨型垃圾),这些自然定律就会神奇地变成明晰的数学表达。

 

当许多科学家盛赞还原论在过去的数个世纪中取得的巨大成功时,著名的物理学家 John Wheeler(从核物理一直到黑洞都是他的研究兴趣)则表达了另外一种有趣的观点:“每一条物理定律在接近极限的时候,都会变成统计和近似的,而不再保持数学上严格的完美和精确。”他进一步指出,涌现论的近似本质能为不同尺度间的过渡提供相当的灵活性。

 

热力学是涌现的典型代表,它描述一大群粒子的集体行为,而不考虑许多微观细节。它通过简洁的数学公式描述了的大量现象,适用范围大得令人惊叹。其实,在人们建立起物质的原子基础之前,热力学定律就早已被发现。比方说,热力学第二定律规定孤立系统的熵(用于衡量微观信息的多少)总是随时间增加。

 

现代物理学提供了一套精确的语言来描述尺度的变化:重整化群。这个数学工具让我们可以系统化地从小尺度跨越到大尺度。其中关键的步骤就是取平均。打个比方,在考虑大量原子组成的系统时,我们并不逐一观察构成物质的原子的行为,而是将边长为 10 个原子大小的小立方体作为新的基本单位。接下来,我们可以重复这一步骤,这就像是对每个物理系统都拍一部《十的力量》。

 

重整化理论详细地描述了在不同尺度上进行观测时,物理系统的性质如何发生变化。一个著名的例子就是粒子的电荷会根据不同的量子相互作用而改变。这在社会学上还能用于理解不同大小群体的行为(最小至个人):群体是否理智?群体行为是否更缺乏责任感?

 

最有趣的莫过于重整化的两个极端:无穷大和无穷小。这时情况会变得非常简单:要么是所有的细节都被抹掉了,要么是背景消失了。这就类似于我们在《十的力量》中看到的那两个令人遐想联翩的“尽头”。宇宙中至大和至小的结构都简单到令人难以置信,我们也因此建立了两个“标准模型”:粒子物理标准模型和宇宙学标准模型。

 

值得注意的是,物理学家现在认为,理论物理中最艰难的挑战——引力的量子化——需要结合还原论和涌现论这两种研究方法。传统的还原论方法,比如弦的微扰理论,试图建立一个能够完全、自洽地描述所有基本粒子和力的理论框架。这样一个“终极理论”必须包含引力相关的部分,比如引力子。举例来说,在弦论中,引力子是由弦的特殊振动方式形成的,而弦论在早期取得的一大成功就是发展出了一套计算引力子行为的方法。

 

然而,这只回答了部分问题。爱因斯坦告诉我们:引力的范围要宽广得多,它涵盖了整个时空。由于量子力学考虑的尺度极小,以此为基础的理论(比如弦论)无法解决时空结构问题。这该怎么办呢?

 

将引力和量子理论结合起来的一种互补方法——全息——始创于上世纪八十年代,雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在研究黑洞信息问题时的灵光一闪。在九十年代后期,胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)发展了这套方法。在这套方法中,量子时空,包括其中所有的粒子和力,都是从全息描述中涌现出来的。全息系统是量子化的,但其中的引力并没有明确的形式。它的空间维度甚至变少了。这套系统的行为由一个衡量系统大小的量来决定,如果量值大小增加,全息系统就更接近经典的引力系统。最终,当这个值趋于无穷大时,时空以及爱因斯坦的广义相对论方程都会从全息系统中涌现出来。这个过程类似于热力学定律从单个分子的运动中涌现。

 

在某种意义上,这套方法和爱因斯坦的目标恰恰相反。爱因斯坦想要从时空的动力学中建立所有的自然定律,将物理简化为纯粹的几何。他认为在物质世界的金字塔中,时空是处在最基层的,就像大峡谷的底部一样。而在全息观点中,时空不是起点,是终点——从量子信息的纷繁复杂中涌现出的自然结构。(回过头来想想,爱因斯坦最喜欢的热力学和广义相对论都是涌现出来的,这也许并非巧合。)

 


涌现论和还原论的这场“联姻”让我们在世界的两个尽头——从基本粒子到时空结构——都看到了优美。虽然通往终极理论的可能道路远不止一条,但这无疑是个上佳的选择。

 

原文链接 

https://www.quantamagazine.org/to-solve-the-biggest-mystery-in-physics-join-two-kinds-of-law-20170907/

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