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绝望地寻求一切

● 物理学的困顿 ●

绝望地寻求一切

邓雪梅/编译

终极理论:我们会拥有吗?

 

一个统一所有物理的终极理论似乎像过去一样久久不能到来——但是,这并不意味着我们应该停止追逐梦想。如果我们挖掘的足够远,那么我们最终将会赢得最高金像奖——一个支配所有事物的终极理论。

 

支配万物的终极理论

要怪就怪古希腊人吧:是从他们开始的。这个想法似乎很合理。如果我们继续挖掘下去,那么我们能够揭示现实的基础:物质最终是由什么组成的,统治万物的信条是什么。如果我们挖掘的足够远,那么我们将会赢得最高金像奖——一个支配所有事物的终极理论。

从某种意义上说,我们一直做得很好。量子理论的不可思议可能会欺骗我们,但是成功地建立起粒子物理的标准模型,可以把事情简化成几个基本粒子和三种作用力。广义相对论对于时间和空间的弯曲处理塑造了一个宇宙学,这个宇宙学通过第四种力——引力——来准确惊人的描述着。是的,这两个理论无法调和,但是当我们走向一个能结合两种理论的物理终极理论时,它们真地会解决这个问题吗?

如果你把这个问题丢给物理学家,那么你会得到脾气暴躁的回应。“基本粒子物理学几乎就像是尚处于门捷列夫时代的化学,”在元素周期表创建期间,牛津大学的大卫·杜奇(DavidDeutsch)说。“它一直在分类,并且已经意识到还存在着一个潜在结构,但是却不知道那个潜在结构是什么。”

至关重要地是,量子理论和广义相对论从根本上仍然不相容。我们使用相对论来描述恒星、星系以及宇宙不是问题,用量子理论来描述分子、原子以及亚原子粒子也不是问题,但对于一个宇宙的完整理解,我们必须知道这个微小的新生宇宙是如何变得如此之大:回溯到大爆炸就需要两个理论共同起作用;很可能黑洞的存在也需要两个理论的共同作用。正如20世纪70年代斯蒂芬·霍金(StephenHawking)和雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)所证明的一样,这个广义相对论“怪物”可能会破坏由量子理论所隐藏的信息。

甚至一些如同空间和时间一样的东西都会突显出这两个理论是融合得多么得不好。相对论的时空是一个光滑的四维流型;成为标准模型基础的量子场论则暗示了空间能够缩小到10-35米的尺度,并且甚至不把时间看成是一个真正看得见的东西。

玄理论终究难有作为

如果要对这两个理论做出选择,那么大多数物理学家会打赌量子理论是“正确的”,因为它的数学是一个能够成功看待这个世界的棱镜。当然,其他站在爱因斯坦这一边的物理学家会持有反对意见,他们不赞同量子理论中关于看似无关对象的“虚构”和幽灵般的反直觉相关性。如果我们不能够找到一个令人信服的关于这些相关性的物理原因,他们争论道,那么或许量子理论仅仅是一个近似的理论。

超越这个僵局的尝试已经开始,如对称性等受人青睐的数学想法。一个解决方案是超对称,该理论被广泛认为是通向弦理论的一种理论,同时也是终极理论的一个最佳候选者。弦理论预言空间存在着隐藏的额外维度,嵌入这些维度中的对称性会产生能量并把这些能量转化成几何形状,而这种几何形状看起来就像是某种基本粒子存在的结果,或者这种几何形状还模仿着由于物质存在而造成的时空弯曲。

该理论已经产生了一些可信的粒子描述,其中之一便是长期寻找的引力子。引力子是一种量子粒子,其能够携带引力。因此,需要进一步地基于量子理论来统一四种基本作用力。然而,就如同其他被提出的理论框架一样,它有一个很大的缺陷。“弦理论的确预言了新东西,但是这些新东西在可预见的未来中几乎肯定是无法探测的,”亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯(PaulDavies)说。

“这一缺陷意味着一个终极理论的想法已悄然消失,”荷兰奈梅亨大学的雷娜特·罗尔(RenateLoll)说。“有一段时间,就在弦理论的全盛时期,你会在许多论文中看到它,但是现在它已经完全过时了,”伦敦帝国理工学院的克里斯·艾沙姆(Chris Isham)进一步说。一个终极理论是“人们的迫切心愿”,但是没有任何理由认为一定存在这样的理论——而且我们也没能找到这样的理论。到目前为止,我们找到了相关数学的这件事已经是一个惊人的事实了,但这并不意味着我们能够一直走下去。

抑或需要从数学入手?

问题是数学提供了无穷多种可以进行的方式——除此以外没有任何东西。“数学仅仅是揭示抽象事物的真相,”杜奇说,“物理学与其说是要研究这些事物,倒不如说是为了找到事实的真相。”我们只是使用了纯数学中的一小部分来构建物理理论。

举个例子,在粒子和场以及空间和时间之间的所有关系都可以表示为一个数学运算的子集,并且这些关系都是可以在计算机中计算的。“我们并不知道原因,”杜奇说,“它似乎只是一个无原因的事实。”一个朝向终极理论的进程可能需要数学领域的不同分支,而这样的终极理论并不被视为是可以计算的。

杜奇的直觉甚至更为激进。他说,我们必须放弃过去的一个世纪里我们获益良多的想法:如果我们从数学着手,事实就会随之而来。相反,我们必须首先看待我们对于物理宇宙理解的问题——比如说,宇宙丢失的物质,或者为什么引力要比其他力弱很多——并且我们也应当试图去找到改变我们世界观的答案。“随后我们不得不把它用数学的语言来描述,并且测试它。这才是正常的顺序,”杜奇说,“相当多的理论物理都试图先从数学着手,这是行不通的。”

这种努力值得吗?戴维斯认为值得——但除非是我们清楚即使是一个终极理论,至少如同物理学家所定义的一样,也不会包含所有的答案。“它不会帮助解决生命起源问题或意识的本质,”他说。哈佛大学的丽莎·蓝道尔(LisaRandall)甚至更加直白的说:“即使我们知道了这个最终的潜在理论,我们又如何去解释我们在这里的事实呢?”

或许持续研究的最大原因并不在于目标,而在于我们寻找的路线。我们最伟大的改变生活的科学见解来自于试图简化物理并把不同领域的理解汇集到一起。麦克斯韦统一了我们对于电和磁的理解,提出了许多现代技术得以实现的理论基石。爱因斯坦把能量和质量通过公式E=mc2融合到了一起——并开启了核时代。“从历史的观点来看,这些东西通常会通向某个领域,”戴维斯说。

对于一个纯粹的人而言,这或许是过于功利的。但是任何一位纯粹由于自身利益而寻求终极理论的人都会冒着最终失望而归的风险。戴维斯说,并且也会犯同19世纪末许多人相信的物理学是完整的同样错误的风险。“你能够想出一些奇妙的计划,你可以把它放在一个彩色玻璃窗上展览,并且把它作为人类智慧的奇迹来庆祝。但总会有这种可能性:有人想出了比你更好的办法。”

[资料来源:NewScientist][责任编辑:则 ]

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