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物理学的困顿:终极理论梦一场

2013-04-17

kingmagic 今天 09:00

统一所有物理学的终极理论似乎仍然遥不可及,但这并不能阻止我们对这个梦想的追寻。

在一本科幻小说中,关于生命、宇宙以及一切的答案是42——当然,没有人真正知道为什么。而在现实世界,解释所有一切的理论是否真的存在,也仍然是一个未知数。图片来源:blogspot.com

(文/Michael Brooks)这都怪古希腊人,因为一切都是他们开的头。这个想法本身看上去再合理不过了:只要我们不断深入探寻,最终就能找到构建起“实在”(reality)的砖块——从根本上构成物质的那些东西,以及掌控它们行为的那些规律。沿着这条路,只要我们挖的足够深,有朝一日就能掘得真金,找到一个解释世间万物的所谓“万物至理”。

就某些角度而言,我们已经所获颇丰。尽管量子理论的诡异可能仍让我们困惑,但粒子物理的标准模型已经成功将万物化归为少数基本粒子和区区3种基本力(参见《物理学的困顿:希格斯粒子撞到死胡同?》)。广义相对论则对空间和时间进行了脱胎换骨的处理,给我们带来了宇宙学,对由第4种基本力——引力所主宰的宇宙进行了准确到惊人的描述(参见《 物理学的困顿:宇宙学心脏上的黑暗虚空》)。没错,这两种理论都各有缺点,但当我们要将它们合二为一去追求一种终极理论之时,真的就应当弃之如敝履吗?

拿这个问题去问许多物理学家,你会得到一个气急败坏的回答。“基本粒子物理学现在所处的状态,就跟当年门捷列夫(创造元素周期表)时的化学差不多,”英国牛津大学的物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)说,“东西已经被分门别类,你也意识到其中必定存在某种底层结构,但就是对这种结构到底是什么百思不得其解。”

重点在于,量子理论和广义相对论在本质上仍然互不相容。我们用广义相对论描述非常大的结构,比如恒星、星系和宇宙,或者用量子理论描述非常小的结构,比如分子、原子和亚原子粒子时,一切都很完美。但是,要想完整理解这个宇宙,我们还需要知晓初生的小宇宙如何变成今天的大家伙:回溯到大爆炸之初,就需要量子理论和广义相对论并肩协力。黑洞的存在或许也需要这两种理论联手拯救,因为史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和雅各布·贝肯施泰因(Jacob Bekenstein)在上世纪70年代指出,广义相对论预言的黑洞可能会摧毁信息,这是量子理论所不允许的。

即便从空间和时间这样的基本概念中,都可以一窥这两种理论是何其之水火不容。相对论的时空如同一块光滑的四维毯子,而支撑起标准模型的量子理论却暗示,空间是一块块只有10-35米大小的单元构成的“点阵”,而时间甚至没有被当作是真实存在并且可以观测的东西。

如果要在这两种理论上押宝,大多数物理学家会选择量子理论,因为它的数学结构犹如一块透彻的棱镜,透过它我们成功看到了整个世界。另一方面,爱因斯坦的拥趸却指责量子理论看起来“缺乏真实性”,指责量子理论中明显互不相关的物体之间那种幽灵一般违背直觉的关联。他们主张,除非我们能够给这些关联找到一个有说服力的物理解释,否则量子理论可能就只是一个更深层理论的近似罢了。

借用一些倍受钟爱的数学概念,比如对称,科学家也在尝试打破这一僵局。超对称理论(supersymmetry)就是结果之一,人们普遍认为它会是一个路标,指向通往弦论(string theory)之路,后者是深受理论学家喜爱的一个终极理论的候选者。弦论预言空间具有隐藏维度,包含在这些维度中的对称性将能量“折叠”进各种几何形状之中,形成我们看到的基本粒子,并在有质量物体的周围“模拟”出空间弯曲。

弦论可以引入一些粒子,把它们描述得头头是道,其中就包括一直在寻找的引力子(graviton)—— 一种能够传递引力的量子粒子。因此,要在量子理论的基础上统一全部4种基本力,弦论的确向前迈进了一大步。但是,正如通往万物至理的其他路线图一样,弦论也有一个重大缺陷——用美国亚利桑那州立大学保罗·戴维斯(Paul Davies)的话来说,“弦论确实预言了一些新的东西,但在可以预见的未来,这些预言几乎肯定是无法检验的。”


弦论是深受理论学家喜爱的一个终极理论的候选者,可惜它预言的新现象,在可以预见的未来几乎肯定无法检验。图片来源:speed-light.info

荷兰内梅亨大学的雷娜特·洛尔(Renate Loll)说,这类失败意味着万物至理这个想法已经是昙花一现了,“在弦论的全盛时期,你会不时看到有论文提到这个想法,但现在它已经完全过时了”。英国伦敦帝国理工学院的克里斯·艾沙姆(Chris Isham)则更为激进,称万物理论是“强迫症”的表现,物理学家急切地想要获得它,却没有任何证据表明这样的理论一定存在,或者就在我们的能力范围之内。借助数学之力目前已经获得的进步的确让人惊叹,但这并不意味着,沿着这条路我们就能一直走下去。

问题在于,数学中有无穷多种方法来处理数字和抽象概念,但对于哪些概念存在于数学之外,却没有透露只言片语(参见《物理学的困顿:数学是现实的根基吗?》)。“数学只能揭示抽象对象中的真理,”多伊奇说,“物理学却不像数学那样偏重于研究这些抽象对象本身,而是更关心哪些对象我们能在现实世界中找到它的对应。”实际上,我们目前用于构建物理理论的数学概念,在我们已知的纯数学概念之中只占了很小的一部分。

比如说,粒子、场、空间及时间之间的所有关系,都可以用一套能在图灵机(Turing machine,今天所有计算机的原型)上运行的数学运算来表示。“我们不知道为什么会这样,”多伊奇说,“这个事实看起来毫无道理可言。”寻求万物至理的进程,或许需要闯进那些今天看来根本不可计算的数学领域。

多伊奇的直觉更为离经叛道。他认为,我们必须摒弃过去一个世纪以来一直都行之有效的思维模式:只要我们先在数学上取得突破,现实中的进展就会随之而来。相反,我们必须先审视自己在理解物理宇宙时碰到的问题,比如宇宙中缺失的物质,比如引力为什么会远远弱于其他基本力,尝试寻找要如何改变我们的世界观才有可能解决这些问题。“接下来,你再将它诉诸数学,付诸实验。这才是应有的逻辑顺序,”多伊奇说,“相当多的理论物理学家试图先做数学,这样永远都走不通。”

这样的努力是否值得?戴维斯认为值,不过我们心里必须要明确一点——就算是万物至理,至少是物理学家心目中的万物至理,也不会包含所有的答案——“这样的理论不会帮我们解决生命起源或者意识本质之类的问题”。美国哈佛大学的丽莎·兰德尔(Lisa Randall)表述得更为直接:“就算我们知道终极的底层理论,难道用这个理论就能解释我们为什么会在这里吗?”

或许继续探寻万物至理的最重要原因,不在于最终的目的,而在于我们探索的过程。我们最伟大的那些改变了文明面貌的科学洞见,都来自于对物理学的简化和对不同理解范畴的综合。麦克斯韦统一了我们对电和磁的认识,为今天的绝大多数技术提供了理论基石。爱因斯坦将能量和质量统一进质能方程E=mc2,打开了核子时代的大门。戴维斯说:“从历史上看,这些努力通常都会有所回报。”

对纯粹主义者而言,这样的看法或许过于功利。但戴维斯认为,任何纯粹为了理论本身而去追寻万物至理的人,最终可能都难免失望,而且很可能重蹈19世纪末认为物理学业已完结的那些人的覆辙。“你可能会想出某个绝妙的方案,将其金描彩绘一番,捧为人类智力的又一大美妙成就。但是,长江后浪推前浪,你总会有被别人超越的可能。”

 

编译自:《新科学家》,Physics crunch: Desperately seeking everything

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