導(dǎo)語
科學(xué)家尋求對現(xiàn)實(shí)的單一描述，但現(xiàn)代物理學(xué)卻允許很多不同的描述，而且其中許多描述是“異曲同工”的，它們互相通過數(shù)學(xué)可能性的廣闊圖景連接起來。
編譯：集智俱樂部翻譯組
來源：quantamagazine
原題：
There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape.
假設(shè) A 和 B 都被要求準(zhǔn)備一道菜， A 喜歡中餐，B 喜歡意大利餐（美國人覺得兩個(gè)菜系差不多）。讓他們分別挑選自己最喜愛的配方，購買食材，然后照說明去做。但是當(dāng)他們將盤子從烤箱里拿出來時(shí)，兩人都大吃一驚，這兩道菜竟然是完全一樣的。我們可以想象 A 和 B 必然會(huì)開始“人生三問”：不同的配料怎么會(huì)做出同樣的菜呢？烹飪中國菜或意大利菜到底意味著什么？他們準(zhǔn)備食物的方法是錯(cuò)誤的嗎？
這正是量子物理學(xué)家所經(jīng)歷的困惑。他們發(fā)現(xiàn)，對于同一個(gè)物理系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)有兩種完全不同的描述。只不過在物理學(xué)中，配料不是肉類與醬料，而是粒子和作用力；食譜是描述相互作用的數(shù)學(xué)公式；烹飪過程是量子化過程，它將數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象的概率。就像 A 和 B 一樣，量子物理學(xué)家感到驚奇的是，不同的方法何以會(huì)導(dǎo)致相同的結(jié)果。
1 物理常量是自然的嗎？
自然在選擇它的基本定律時(shí)有什么選擇嗎？對此愛因斯坦有一個(gè)著名的觀點(diǎn)，給定一些普遍原則，就會(huì)形成一種獨(dú)特的方式來構(gòu)建一個(gè)一致且運(yùn)轉(zhuǎn)良好的宇宙。在愛因斯坦看來，如果我們對物理學(xué)的本質(zhì)探索得足夠深，那就會(huì)有且只有一種方式使得所有的成分——物質(zhì)、輻射、力、空間與時(shí)間——組合成運(yùn)行良好的世界，這就像一個(gè)機(jī)械鐘的齒輪、彈簧、表盤獨(dú)特地結(jié)合在一起，保持對時(shí)間的精確記錄一樣。
目前的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型事實(shí)上正是一個(gè)只包含少量成分緊密關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。然而，宇宙似乎并不是獨(dú)特的，而是無數(shù)個(gè)可能世界中的一個(gè)。我們也不知道為什么'粒子和力'的這種特殊組合構(gòu)成了自然世界的基石。為什么夸克有六種“風(fēng)味”，中微子有三“代”，希格斯粒子只有一種？此外，標(biāo)準(zhǔn)模型包含19個(gè)物理常量，比如電子的質(zhì)量、電子的電荷量之類的物理量，這些物理常量必須通過實(shí)驗(yàn)來測量。這些“自由參數(shù)”的值似乎沒有任何更深刻的含義。一方面，粒子物理學(xué)是優(yōu)雅的奇跡；另一方面，它敘述了一個(gè)“本就如此”的故事。
2012年，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)27公里長的圓形隧道中，粒子相互碰撞產(chǎn)生了希格斯玻色子
如果我們的世界只是眾多世界中的一個(gè)，那么我們該如何對待其他的選項(xiàng)呢？愛因斯坦想象的是一個(gè)獨(dú)一無二的宇宙，但是目前的研究與這個(gè)觀點(diǎn)去之甚遠(yuǎn)。現(xiàn)代物理學(xué)家擁抱物理廣闊的可能性空間，并試圖理解它包羅萬象的邏輯和相互聯(lián)系。他們從最開始物理規(guī)律的淘金者變成了地理和地質(zhì)學(xué)家，對物理規(guī)律的世界進(jìn)行詳細(xì)測繪，并研究塑造這種地貌的作用力。
2 弦理論（string theory）的廣闊空間
然而，弦理論（string theory）使這種觀點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。目前看來，弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時(shí)遵循量子力學(xué)與相對論的嚴(yán)格邏輯規(guī)則的唯一可行的候選自然理論。好消息是，弦理論沒有自由參數(shù)，它不是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的表盤。要問哪個(gè)弦理論描述了我們的宇宙是沒有意義的，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)弦理論。不存在任何自由參數(shù)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)震撼的結(jié)論，那就是自然界中所有的數(shù)字都要由物理學(xué)本身來確定。它們不是“物理常量”，而是由方程（也許是非常復(fù)雜的方程）確定的變量。
而這也帶來了壞消息。弦理論的解空間巨大而復(fù)雜。這在物理學(xué)中并不罕見。按照傳統(tǒng)，我們會(huì)把數(shù)學(xué)方程描述的基本定律和這些方程的解做區(qū)分，因?yàn)橥ǔＶ挥袔讉€(gè)定律，但有無數(shù)的解。以牛頓定律為例，它簡潔優(yōu)雅，卻能描述從墜落的蘋果到月球軌道廣泛的現(xiàn)象。如果知道一個(gè)特定系統(tǒng)的初始條件，這些定律能夠解出方程，并預(yù)測接下來會(huì)發(fā)生什么。我們不期望，也不需要一個(gè)能夠描述一切的先驗(yàn)唯一解。
在弦理論中，通常會(huì)將一些物理特征看作自然定律，比如特定的粒子和力，事實(shí)上這些定律是一些高維定律的解。它們由隱藏的額外維度的形狀和大小決定。所有這些解，它們構(gòu)成的空間通常被稱為“圖景（landscape）”，但這是一種輕率的輕描淡寫，與這個(gè)空間的廣闊相比，即使是最令人敬畏的山脈景觀也會(huì)黯然失色。雖然對它的地理脈絡(luò)知之甚少，但我們知道，它有著規(guī)模巨大的領(lǐng)土。
弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時(shí)遵循量子力學(xué)與相對論的嚴(yán)格邏輯規(guī)則的唯一可行的候選自然理論。
一個(gè)最引人注意的特點(diǎn)是，可能這片土地上所有東西都是相互連接的，也就是說，任意兩個(gè)模型之間都有一條完整的連接路徑。如果宇宙能足夠程度上被震動(dòng)，我們將能夠從一個(gè)可能的世界移動(dòng)到另一個(gè)，改變那些被認(rèn)為是不可改變的自然定律，改變構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的基本粒子的特殊組合。
3 探索廣闊圖景
但對于那些動(dòng)輒具有數(shù)百個(gè)維度的宇宙物理模型，要如何探索它們的廣闊圖景呢？一個(gè)很有幫助的辦法是，將這片圖景想象成很大程度上未被開發(fā)的荒野，它的大部分隱藏在層層難以處理的復(fù)雜性下面。只有在最邊緣處，才發(fā)現(xiàn)了一些適合居住的地方。在這些偏僻的前哨點(diǎn)，生活簡單而美好，我們找到了自己完全理解的基本模型。它們對于描述真實(shí)世界幾乎沒有什么價(jià)值，卻可以成為探索周圍區(qū)域的方便起點(diǎn)。
量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論就是一個(gè)很好的例子，它描述的是物質(zhì)和光之間的相互作用。這個(gè)模型只有一個(gè)參數(shù)，也就是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α，它的數(shù)值接近1/137，衡量兩個(gè)電子之間力的強(qiáng)度。
量子電動(dòng)力學(xué)描述的是物質(zhì)和光之間的相互作用。
在量子電動(dòng)力學(xué)中，所有過程都可以看作是由基本的相互作用產(chǎn)生的。例如，兩個(gè)電子之間的斥力可以看作是光子的交換。量子電動(dòng)力學(xué)要求我們考慮兩個(gè)電子彼此交換一個(gè)光子的所有可能方式，在實(shí)踐中這意味著物理學(xué)家必須解決一個(gè)極其復(fù)雜的無限求和問題。但這個(gè)理論也提供了一條出路：每個(gè)額外的光子交換會(huì)增加包含α升高一個(gè)指數(shù)的項(xiàng)。因?yàn)檫@是一個(gè)相對較小的數(shù)字，具有多個(gè)光子交換的項(xiàng)只會(huì)起到很小的作用，在尋找“真實(shí)”值的近似中可以忽略它們。
在整個(gè)圖景的前哨點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了這些弱耦合理論。在這里，其他因素的影響強(qiáng)度很小，討論基本粒子的列表以及計(jì)算它們相互作用力是有意義的。但是，如果離開這里，更深入地進(jìn)入荒野，那么耦合就會(huì)變得更強(qiáng)，每一個(gè)額外的展開項(xiàng)都會(huì)變得更加重要，我們不再能區(qū)分單個(gè)粒子，相反，它們會(huì)溶解成一個(gè)糾纏的能量網(wǎng)，就像熱烤箱中的蛋糕一樣。
然而，并不是所有以往的規(guī)律都不復(fù)存在。有時(shí)，穿越黑暗荒野的道路會(huì)終結(jié)于另一個(gè)前哨點(diǎn)，也就是另一個(gè)控制良好的模型中，只不過這個(gè)模型由完全不同的粒子和力組成。在這種情況下，就像 A 和 B 的菜一樣，同一個(gè)底層物理規(guī)律，有兩種不同的描述方法。這些互補(bǔ)的描述被稱為對偶模型（dual model），它們之間的關(guān)系是對偶的。我們可以將對偶關(guān)系看成海森堡發(fā)現(xiàn)的波粒二象性的一個(gè)巨大的外推。對于 A 和 B 來說，這就像是是中國菜和意大利菜的食譜之間的翻譯，只不過是用兩套不同的描述來形容同一種食物。
對于物理學(xué)來說，為什么這如此令人興奮呢？現(xiàn)代量子物理學(xué)最令人震驚的一個(gè)結(jié)論是：許多模型是一個(gè)巨大且相互連接的空間的一部分。這是一種視角的轉(zhuǎn)變，足以被稱為“范式轉(zhuǎn)移（paradigm shift）”。它告訴我們，發(fā)現(xiàn)的不是由單個(gè)島嶼組成的群島，而是一塊巨大的大陸。從某種意義上說，通過足夠深入地研究一個(gè)模型，就可以研究所有的模型。我們可以探究這些模型之間是如何聯(lián)系的，并闡明它們的共同結(jié)構(gòu)。
需要強(qiáng)調(diào)的是，這種現(xiàn)象與弦理論是否描述真實(shí)世界的問題在很大程度上是無關(guān)的。它是量子物理學(xué)的固有屬性，而無論未來的“萬物理論”會(huì)是什么樣子，這種現(xiàn)象依舊存在。
為了尋求對所有自然現(xiàn)象的統(tǒng)一、連貫的描述，即一個(gè)'萬物理論'，物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了連接越來越多不同現(xiàn)象的主要線索。
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一個(gè)更引人注目的結(jié)論是，基礎(chǔ)物理學(xué)的所有傳統(tǒng)描述都必須被拋棄。粒子、場、力、對稱——它們都不過是在復(fù)雜圖景邊緣上的人為描述。構(gòu)建簡單模塊來思考物理學(xué)似乎是錯(cuò)誤的，或者至少是受限的。也許存在一種全新的框架，能夠?qū)⒆匀坏幕径山y(tǒng)一起來，并拋棄掉所有熟悉的概念。
對于這種激動(dòng)人心的觀點(diǎn)而言，弦理論的數(shù)學(xué)復(fù)雜性和一致性是一個(gè)強(qiáng)大的動(dòng)力。但我們必須重視現(xiàn)實(shí)。用玻爾（Niels Bohr）的話來說就是，目前關(guān)于取代粒子和場的想法幾乎沒有哪個(gè)“瘋狂到足以成為現(xiàn)實(shí)”。就像 A 和 B 一樣，物理學(xué)已經(jīng)準(zhǔn)備好拋棄舊的食譜，擁抱一種現(xiàn)代的融合烹飪。
翻譯：公孫龍馬
審校：陳曦
編輯：王怡藺
文章地址：
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