宇宙是一個(gè)圖網(wǎng)絡(luò)？「全球最聰明的人」剛剛為物理基礎(chǔ)理論指出了全新道路
「物理學(xué)已經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有出現(xiàn)任何顯著進(jìn)展了。探測(cè)引力波或許算是一個(gè)，」斯蒂芬·沃爾夫勒姆表示。「我非常希望在純技術(shù)層面上，我們所做的一切能夠使理論物理學(xué)重新煥發(fā)活力。盡管目前的工作還很不成熟?！?/section>
著名計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、理論物理學(xué)家斯蒂芬·沃爾夫勒姆（Stephen Wolfram）可能是世界上最聰明的人，他的研究經(jīng)常被人們視為「神作」。但當(dāng)昨天沃爾夫勒姆宣布「找到了理論物理基礎(chǔ)的正確道路」時(shí)，所有人仍然感到非常驚訝，第一時(shí)間不知如何做出評(píng)論。
本周二，這位因粒子物理學(xué)、元胞自動(dòng)機(jī)、宇宙學(xué)、復(fù)雜性理論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而聞名的科學(xué)家突然發(fā)表了一篇超長(zhǎng)文章，吸引了所有人的注意。這篇長(zhǎng)達(dá)近百頁(yè)的文章是 Wolfram 物理項(xiàng)目的首次曝光，詳述了作者對(duì)于空間、時(shí)間和基本粒子性質(zhì)的全新理解。沃爾夫勒姆還邀請(qǐng)所有人參加對(duì)基本物理學(xué)進(jìn)行解碼的研究。「我從沒(méi)預(yù)料到會(huì)是這樣，」沃爾夫勒姆在開(kāi)頭寫(xiě)道?！高@是出乎預(yù)料，令人驚訝的。從某種程度來(lái)說(shuō)，我已經(jīng)為此奮斗了 50 年，但是直到最近幾個(gè)月，它們才終于融合在一起。而且它比我想象的還要精彩、美麗?！?/span>「我從沒(méi)預(yù)料到會(huì)是這樣?！刮譅柗蚶漳反搜砸怀?，震驚全場(chǎng)。
沃爾夫勒姆認(rèn)為，在過(guò)去的幾百年中，人們對(duì)物理學(xué)的理解有了不可思議的進(jìn)步。但雖然已經(jīng)完成了大量工作，但我們?nèi)匀粵](méi)有一套真正的物理學(xué)基礎(chǔ)理論。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期思考與探索，沃爾夫勒姆認(rèn)為自己已找到了通往物理學(xué)基礎(chǔ)理論的道路，建立了一個(gè)范例和框架（包含大量實(shí)用計(jì)算工具）。在此之后這一體系還需要更多人的努力，但其目標(biāo)是極具吸引力的：看看我們是否能夠最終獲得宇宙基本原理的答案。Wolfram 對(duì)于新物理基礎(chǔ)理論的介紹[1]，相關(guān)論文[2]現(xiàn)實(shí)世界中，網(wǎng)絡(luò)的存在多種多樣，除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、社交網(wǎng)絡(luò)和病毒傳播網(wǎng)絡(luò)之外，還有電網(wǎng)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和最明顯的——互聯(lián)網(wǎng)。從這個(gè)角度上看，整個(gè)宇宙肯定是一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)。沃爾夫勒姆認(rèn)為宇宙是巨大且不斷增長(zhǎng)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，這些關(guān)系構(gòu)成了空間以及空間中的一切。他從中看到了構(gòu)成所有物理定律的底層終極理論的基礎(chǔ)。其實(shí)早在 18 年前，沃爾夫勒姆在一本 1197 頁(yè)的著作「A New Kind of Science」中表達(dá)過(guò)類(lèi)似的觀點(diǎn)。但是那時(shí)候他的構(gòu)想還不太清晰?，F(xiàn)在，他認(rèn)為自己找到了解釋現(xiàn)實(shí)的更好視角。他在昨日發(fā)布的文章里表示，「我認(rèn)為我們找到了一條通往物理學(xué)基礎(chǔ)理論的道路?！?/span>沃爾夫勒姆方法的核心是超圖（hypergraph）。這里，「圖」類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)的圖示：用線(xiàn)條連接不同的點(diǎn)。但是在一張白紙上是無(wú)法用這類(lèi)線(xiàn)條表示現(xiàn)實(shí)的。于是，沃爾夫勒姆利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)化，用更復(fù)雜的「超圖」來(lái)描述關(guān)系。（在超圖中，「線(xiàn)條」可以連接任意數(shù)量的點(diǎn)，而不是僅連接兩個(gè)點(diǎn)。）沃爾夫勒姆的研究表明，復(fù)雜的超圖可以模仿宇宙的許多特征，包括物質(zhì)和能量，還能復(fù)現(xiàn)相對(duì)論和量子力學(xué)所描述的物理結(jié)構(gòu)和過(guò)程。沃爾夫勒姆寫(xiě)道：「在我們的模型中，宇宙中的一切——空間、物質(zhì)以及任何東西，都可以用不斷演化的超圖的特征來(lái)表示。」他的核心觀點(diǎn)是，將簡(jiǎn)單的規(guī)則應(yīng)用于簡(jiǎn)單的起始點(diǎn)就可以得到此類(lèi)極端復(fù)雜的超圖。假設(shè)有兩個(gè)「抽象元素」A 和 B，規(guī)則為「每個(gè) A 均可被更改為 BBB，每個(gè) BB 均可被 A 替換」。現(xiàn)在從 A 開(kāi)始。根據(jù)規(guī)則，將 A「更新」為 BBB，BBB 擁有兩個(gè) BB。因此 BBB 可以更新兩次：第一次，將前兩個(gè) B 替換為 A，得到 AB；第二次，將后兩個(gè) B 替換為 A，得到 BA。即：AB 和 BA 的更新都能得到 BBBB，但 BBBB 可以得到 ABB、BBA 和 BAB。繼續(xù)應(yīng)用這條規(guī)則的話(huà)，圖會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜。沃爾夫勒姆表示，這些更新步對(duì)應(yīng)于我們對(duì)時(shí)間的一般概念，即宇宙時(shí)鐘的滴答作響。將一條規(guī)則重復(fù)應(yīng)用于一組抽象實(shí)體，得到的連接（即鏈接這組實(shí)體的關(guān)系圖）對(duì)應(yīng)于空間結(jié)構(gòu)。因此空間不只是一組無(wú)法分辨的點(diǎn)，而是一個(gè)以無(wú)比復(fù)雜的模式連接的點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，它可以復(fù)現(xiàn)物質(zhì)和能量，以及被統(tǒng)稱(chēng)為物理學(xué)定律的關(guān)系。沃爾夫勒姆表示，「這基本上就是我對(duì)宇宙中空間運(yùn)作的觀點(diǎn)。它是抽象點(diǎn)之間的一組離散抽象關(guān)系。但是放大到我們所處的規(guī)模，關(guān)系的模式將它變成我們習(xí)以為常的連續(xù)空間?！?/span>這有點(diǎn)像在魚(yú)的眼里海洋是一灘平常光滑的液體，盡管水是由離散小分子構(gòu)成的。在某種意義上，沃爾夫勒姆認(rèn)為一切存在的事物基本上都是由空間構(gòu)成的?！竿瑯拥某瑘D賦予了我們空間結(jié)構(gòu)，以及空間中存在的一切事物?！?/span>聽(tīng)起來(lái)理論物理學(xué)家可以關(guān)門(mén)大吉，利用沃爾夫勒姆的規(guī)則運(yùn)行一些計(jì)算機(jī)模擬就可以了。但是正如沃爾夫勒姆所承認(rèn)的那樣，這項(xiàng)工作還沒(méi)完成。到目前為止，沃爾夫勒姆的項(xiàng)目已經(jīng)定下了近 1000 條規(guī)則，這些規(guī)則生成類(lèi)似宇宙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。至于什么規(guī)則能夠精準(zhǔn)地生成我們所居住的宇宙，還有待觀察。「我希望不久后會(huì)有這樣一條規(guī)則出現(xiàn)，它具備所有正確的屬性。并且我們會(huì)慢慢地發(fā)現(xiàn)，是的，就是它，我們的宇宙終于被解碼了。」沃爾夫勒姆寫(xiě)道。沃爾夫勒姆在文章中宣稱(chēng)，超圖描述了被他稱(chēng)為「因果不變性」（causal invariance）的原理。這意味著經(jīng)過(guò)超圖的各種路徑有時(shí)可以匯合。這樣的匯合使得事件在時(shí)間上的因果鏈得以保留。沃爾夫勒姆表示，在超圖中「不只有時(shí)間這一條路徑，而是有許多路徑和『歷史』」。但是一條獨(dú)立的歷史路徑能夠和其他的路徑合并?！讣词棺裱臍v史路徑不同，這些因果關(guān)系最終也可能是相同的。實(shí)際上，對(duì)于進(jìn)入系統(tǒng)的觀察者而言，仍然只有一條時(shí)間線(xiàn)?！?/span>由于因果不變性，沃爾夫勒姆的超圖再現(xiàn)了許多物理理論的結(jié)果，比如愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。迅速移動(dòng)會(huì)使時(shí)間變慢（如狹義相對(duì)論所述），因?yàn)閷?duì)應(yīng)于移動(dòng)物體的超圖結(jié)構(gòu)通過(guò)超圖形成了一個(gè)角度，從而擴(kuò)展了更新（或時(shí)間步）之間的距離。正如相對(duì)論所言，光速是最大的速度，因?yàn)樗硇畔⒃诔瑘D更新時(shí)通過(guò)超圖傳播的最大速率。愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論描述的引力出現(xiàn)在超圖特征之間的關(guān)系中，這些特征可以解釋為物質(zhì)粒子。（粒子是連接點(diǎn)的小集合，它們會(huì)隨著超圖的更新而持續(xù)存在，例如具有特殊屬性的「小塊空間」。）在這些想法的更復(fù)雜擴(kuò)展版本中，沃爾夫勒姆探索了如何將超圖的屬性與量子力學(xué)的奇怪特性對(duì)應(yīng)起來(lái)?！冈谖覀兊哪Ｐ椭?，量子力學(xué)不僅僅是可能的，而且是絕對(duì)必然的?！刮譅柗蚶漳窋嘌?。在這類(lèi)超圖中構(gòu)建的空間具備非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，比如數(shù)十億兆像素的數(shù)碼相機(jī)傳感器。沃爾夫勒姆估計(jì)，與今天的宇宙相對(duì)應(yīng)的超圖可能已經(jīng)達(dá)到 10500 個(gè)時(shí)間步，這比以秒為單位的宇宙年齡要大得多（約 1015）。因此，空間的粒度足夠細(xì)，足以包含比已知的物理粒子小得多的物質(zhì)粒子結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，沃爾夫勒姆認(rèn)為，在宇宙誕生后不久，可能就已經(jīng)形成了大量未知的超小微粒，他稱(chēng)之為「寡聚物」（oligon）。這類(lèi)僅受重力作用的寡聚物可以在星系之間游蕩，人們只能通過(guò)重力產(chǎn)生的效應(yīng)發(fā)現(xiàn)它們。因此，寡聚物可能解釋了為什么天文學(xué)家推斷太空中存在大量不可見(jiàn)的「暗物質(zhì)」，以及為什么至今也無(wú)法確定暗物質(zhì)的性質(zhì)。類(lèi)似地，宇宙中的最大勢(shì)力——神秘的「暗物質(zhì)」以更快的速度擴(kuò)張，這可能只是沃爾夫勒姆超圖的自然屬性。或許暗物質(zhì)本質(zhì)上就是空間的組成部分。此外，沃爾夫勒姆認(rèn)為他構(gòu)建的超圖可以解決目前關(guān)于「哪種理論最能解釋基礎(chǔ)物理」的爭(zhēng)論。最近幾十年出現(xiàn)了超弦理論、圈量子引力論、因果論等理論，并引起了長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。沃爾夫勒姆認(rèn)為超圖可以囊括以上所有理論。他表示，「似乎所有人都是對(duì)的，只需要添加一種新型基材就能看到如何將它們組合到一起。」沃爾夫勒姆在網(wǎng)站上發(fā)布了相關(guān)的技術(shù)論文，并邀請(qǐng)物理學(xué)社區(qū)參與實(shí)現(xiàn)他的愿景。沃爾夫勒姆發(fā)表研究成果的同時(shí)，一項(xiàng)合作計(jì)劃也已上線(xiàn)。沃爾夫勒姆還會(huì)實(shí)時(shí)直播正在進(jìn)行的研究。「我們的最終目標(biāo)是架起一座橋梁，將我們的模型與現(xiàn)有物理知識(shí)連接起來(lái)。我認(rèn)為我們終于走在了正確的道路上」直到找出宇宙的「正確」法則。「正確法則」將生成能夠展現(xiàn)宇宙精確屬性的超圖：空間的三維、確切的宇宙膨脹率、具備正確電荷與質(zhì)量的基礎(chǔ)粒子等。但是，沃爾夫勒姆可能已經(jīng)意識(shí)到，僅尋找一個(gè)規(guī)則可能遺漏更重要的部分?；蛟S宇宙使用了所有可能的規(guī)則。所有可能的宇宙都只是一個(gè)真實(shí)巨大宇宙的部分，即「所有事……都可能發(fā)生，包括所有可能的規(guī)則?！?/span>我們根據(jù)用來(lái)描述和理解世界的「語(yǔ)言」來(lái)辨別一組特定的物理定律。將語(yǔ)言的元素調(diào)整為「感官能夠檢測(cè)、測(cè)量設(shè)備能夠度量、現(xiàn)有物理知識(shí)能夠描述的事物」。正確的規(guī)則與我們基于特定參照系探索的超圖的一部分相對(duì)應(yīng)。別處的生命看待事物的角度可能有所不同。沃爾夫勒姆表示：「描述和體驗(yàn)宇宙的方式具備幾乎無(wú)限的多樣性?！?/span>也就是說(shuō)，解釋生物存在的物理學(xué)可能需要對(duì)更復(fù)雜現(xiàn)實(shí)的運(yùn)作機(jī)制有深入理解，它超出了我們能夠體驗(yàn)的范疇。沃爾夫勒姆表示，「從很多方面來(lái)看，我們不可避免會(huì)走向人類(lèi)理解范疇的邊界。」他認(rèn)為，將他的方法與現(xiàn)有的成功物理學(xué)理論結(jié)合起來(lái)還需要更多工作。標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)取得了很多成就，對(duì)從原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)到宇宙結(jié)構(gòu)再到時(shí)空本質(zhì)在內(nèi)的事物做出了詳細(xì)的解釋。但是，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)主流物理學(xué)家懷疑時(shí)空并非基礎(chǔ)概念。時(shí)空似乎是基于某些更深層的事物而出現(xiàn)的。這需要漫長(zhǎng)的努力，但沃爾夫勒姆或許已經(jīng)找到帶領(lǐng)我們尋找現(xiàn)實(shí)起源的道路。只有時(shí)間，或者更多的超圖更新步，能夠證明一切。斯蒂芬·沃爾夫勒姆 1959 年出生于英國(guó)倫敦的一個(gè)猶太人家庭，他是數(shù)學(xué)軟件Mathematica 和計(jì)算型知識(shí)引擎 Wolfram Alpha 的發(fā)明者之一，是沃爾夫勒姆研究公司的創(chuàng)立者之一和首席執(zhí)行官。他從伊頓公學(xué)和牛津大學(xué)相繼肄業(yè)，展現(xiàn)出「不適合教育體制」的才華。有人說(shuō)，他是目前活著的人里最聰明的人。10 歲時(shí)，他立志成為一名科學(xué)家。12 歲，沃爾夫勒姆拿到了伊頓公學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金，15 歲發(fā)表了第一篇科學(xué)論文《Hadronic Electrons?》。論文發(fā)表于 1975 年，由沃爾夫勒姆獨(dú)立完成。17 歲，沃爾夫勒姆進(jìn)入牛津大學(xué)，但頗感無(wú)聊，兩年后進(jìn)入加州理工學(xué)院，最終在 20 歲的年紀(jì)就取得了粒子物理學(xué)博士學(xué)位。21 歲的沃爾夫勒姆在理查德·費(fèi)曼的推薦下，獲得了第一屆麥克阿瑟天才獎(jiǎng)，也是該獎(jiǎng)項(xiàng)多年以來(lái)最年輕的得主，沒(méi)有之一。麥克阿瑟天才獎(jiǎng)被視為美國(guó)跨領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)之一，頒發(fā)給「在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)具有非凡創(chuàng)造性的杰出人士」，在我們熟知的杰出華人代表中，獲得過(guò)該獎(jiǎng)項(xiàng)的有陶哲軒、丘成桐、賀琳等。27 歲時(shí)，沃爾夫勒姆開(kāi)發(fā)了 Mathematica 軟件，創(chuàng)立了斯蒂芬·沃爾夫勒姆公司。這款大型現(xiàn)代技術(shù)計(jì)算系統(tǒng)一面世就被許多科研工作者迅速采用，是目前應(yīng)用最重要的科學(xué)計(jì)算軟件之一。潛心研究十幾年后，43 歲的沃爾夫勒姆出版了至今頗受爭(zhēng)議的著作《一種新科學(xué)》。沃爾夫勒姆提到，宇宙本質(zhì)上是數(shù)字的，并且運(yùn)行在一種可描述為簡(jiǎn)單程序的基本定律上。他預(yù)測(cè)，科學(xué)界如果實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將對(duì)物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)以及整個(gè)大多數(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的革命性影響，這也是這本書(shū)取名如此的原因。2009 年，沃爾夫勒姆所在公司推出了新一代搜索引擎 Wolfram Alpha，用戶(hù)輸入問(wèn)題即刻得到答案，而非返回成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)頁(yè)鏈接。這一引擎也為蘋(píng)果 Siri、亞馬遜 Alex、微軟 Bing 提供了背后的技術(shù)動(dòng)力源。無(wú)論沃爾夫勒姆的革命是否給了我們通往宇宙的鑰匙，他的「新科學(xué)」絕對(duì)是令人敬畏的。如同其他科學(xué)研究一樣，真正的考驗(yàn)將是通過(guò)研究模型宇宙發(fā)掘出的理論是否可以在現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)制，或許很快，科學(xué)家們就將在這套理論體系下開(kāi)展全新的研究。[1]https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[2]https://www.wolframphysics.org/technical-introduction/introduction/
https://www.wolframcloud.com/obj/wolframphysics/Documents/some-quantum-mechanical-properties-of-the-wolfram-model.pdf[3]https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics
[4]https://www.wired.com/story/stephen-wolfram-invites-you-to-solve-physics/
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