未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
宇宙的本质或许没有物理定律,只有弦理论景观

假设A和B都被要求准备一顿饭。A喜欢中餐,B喜欢意大利菜。他们各自选择自己喜欢的食谱,在当地的专卖店里购买材料,并仔细地按照说明进行操作。但是当他们把盘子从烤箱里拿出来的时候,感到惊讶不已,他们做的饭菜是一样的。我们可以想象,A和B肯定会有疑问了,不同的食材怎么能做出同样的菜呢?甚至做中餐或意大利菜到底意味着什么?难道他们准备食物的方法是完全错误的?

这正是量子物理学家所经历的困惑。他们发现了许多关于同一物理系统的两种完全不同描述的例子。物理学中,佐料就是粒子和力;食谱是使其相互作用的数学公式;烹饪过程是量子化程序,将方程转化为物理现象的概率。就像A和B一样,量子物理学家想知道不同的食谱如何导致相同的结果。

在制定基本定律时,自然有什么选择吗?阿尔伯特·爱因斯坦曾有一个著名的想法:考虑到一些通用原则,本质上存在一种独特的方式来构建一个一致的、运转正常的宇宙。在爱因斯坦看来,如果我们对物理的本质足够深入,就会发现,有且只有一种方式使物质、辐射、力、时间和空间组合在一起形成现实世界,就像时钟的齿轮、弹簧、表盘和指针的独特结合使钟走得准。

目前粒子物理学的标准模型是一种含有少量成分的严格构造的机制。然而,宇宙似乎不是唯一的,而是无限可能世界中的一个。我们不知道为什么粒子和力的这种特殊结合是自然结构的基础。为什么存在六“味”夸克,三“代”中微子和一种希格斯玻色子?此外,标准模型有19个自然常量,比如电子的质量和电荷,这些都必须在实验中测量。这些自由参数的值似乎没有任何更深的含义。一方面,粒子物理学是一种优雅的奇迹;另一方面,它是一个假设性内容。

如果我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,那我们怎么面对其他宇宙呢?目前的观点可以看作是爱因斯坦唯一宇宙梦想的对立面。现代物理学家们接受了各种可能性,并试图理解其包罗万象的逻辑和相互联系。他们从淘金者变成了地理学家和地质学家,详细地描绘了物理景观,并研究了塑造它的力。

导致观点转变的游戏规则改变者是弦理论。在这一刻,它是唯一可行的自然统一理论候选者,能够描述所有的粒子和力,包括引力,同时遵循量子力学和相对论严格的逻辑规则。好消息是,弦理论没有自由参数。询问哪个弦理论能描述我们的宇宙是没有意义的,因为仅只有一个。没有任何额外的特性会导致一种根本的结果,自然界的所有数字都应该由物理本身来决定,它们不是“自然常数”,只是由方程固定的变量。

但这也有坏处,弦理论的解答广泛且复杂。这在物理学中并不罕见。我们传统上用数学方程,以及这些方程的解来区分基本定律。通常,只有很少的定律,但是有无数的解决方案。以牛顿定律为例。它们明确又优美,但却描述了非常广泛的现象,从万有引力到月球的轨道。如果你知道一个特定系统的初始条件,这些定律就可以让你解出方程并预测接下来会发生什么。我们不期望也不要求一个能描述一切的唯一优先解决方案。

在弦理论中,物理的某些特征,比如特定的粒子和力,实际上就是解。它们由隐藏的额外维度的形状和大小决定的。所有这些解决方案的空间通常被称为“景观”。即使是最令人惊叹的景观,与这个浩瀚的空间相比都显得苍白。尽管这个景观的地理位置只被理解了一点点,但我们知道它有巨大维度的大陆。其中一个最吸引人的特征是,可能所有的东西都是相连的,每两个模型都由一条不间断的路径连接起来。通过对宇宙进行足够的震动,我们将能够从一个可能的世界转移到另一个世界,改变我们所认为不可变的自然法则和构成现实的基本粒子的特殊组合。

但是我们如何探索很可能有数百个维度的宇宙物理模型呢?如果把景观想象成一个很大程度上未开发的荒野会有所帮助,它绝大部分都隐藏在棘手的的复杂性厚层之下。只有在最边缘的地方,我们才能找到适合居住的地方,一切都简单而美好。在这里我们找到了我们完全理解的基本模型。它们对于描述真实世界没有什么价值,但可以作为探索局部邻域的便利起点。

量子电动力学(QED)是一个很好的例子,它描述了物质与光之间的相互作用。这个模型有一个单独的参数,叫做精细结构常数α,它测量两个电子之间力的强度。数字上接近1/137。在QED中,所有的过程都可以被看作是由基本的交互作用产生的。例如,两个电子之间的斥力可以被想象成光子的交换。QED需要我们考虑两个电子可能交换光子的所有可能方式,这实际上意味着物理学家必须解决无比复杂的问题。但这个理论也提供了一条出路:每一个额外的光子交换增加一个项,包括α提升到一个额外的量。由于这是一个相对较小的数字,带有许多交换的项只会造成一点点不同。它们可以被忽略,近似于实际值。

我们在景观边缘发现了这些弱耦合理论。理论中力的强度很小,使得讨论基本粒子和计算它们相互作用是有意义的。但是,如果我们离开眼前的环境,进入荒野更深处探索,那么耦合就会变得很大,每一个额外的项变得更加重要。现在我们不能再区分单个粒子了。相反,它们会溶入一个纠缠在一起的能量网,就像热烤箱里蛋糕的成分一样。

然而,并不是一切都消失了。有时,穿过黑暗荒野的道路会到达另一个边缘。也就是说,有另一种控制良好的模型由完全不同的粒子和力组成。在这种情况下,对于相同的基础物理,有两种不同的食谱,就像A和B的菜一样。这些互补的描述被称为对偶模型,它们之间的关系是对偶性。我们可以把这些二象性看作是海森堡发现的著名波粒二象性的一个大概括。

标准模型

为什么这对物理学来说如此令人兴奋?首先,许多模型是一个巨大相互连接的空间的一部分,这个结论是现代量子物理学最惊人的结果之一。这是一个可用“范式转换”术语来表达的一种观点改变。它告诉我们,我们没有探索个别岛屿,而是发现了一个巨大的大陆。从某种意义上说,通过对一个模型进行足够深入的研究,我们可以了解所有模型。我们可以探索这些模型是如何关联的,阐明它们的共同结构。重要的是这一现象在很大程度上独立于弦理论是否描述真实世界的问题。它是量子物理留下来的固有特性,不管未来的万物理论是什么,它都存在。

一个更引人注目的结论是,所有关于基础物理的传统描述都必须被抛弃。粒子、场、力、对称性都是这个无比复杂的景观边缘的一个简单存在的产物。从基础构建模块来思考物理学似乎是错误的,或者至少是有限的。也许有一个根本的新框架将自然的基本规律统一起来,并忽视掉所有熟悉的概念。弦理论的数学复杂性和一致性是这种引人注目的观点的强大动机。但引用量子物理学大师尼尔斯·玻尔的话来说,目前极少有关于取代粒子和场的想法是真实的。不过物理学已经准备好抛弃旧食谱,拥抱现代的融合烹饪。

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP阅读全文并永久保存 更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
物理学的华山:这次弦理论大师如何向惠勒拜剑?
玩笑吗? 物理学没有定律, 只有风景?
什么是暗物质、暗能量?
让物理学家夜不能寐的7个问题
物理学家访谈 物理知识方面 大杂烩
对话诺奖得主温伯格:物理学的基本问题和未来
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!