物理學(xué)中有兩個(gè)非常成功的理論——廣義相對論和量子力學(xué)。簡略地說，前者是關(guān)于引力和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的理論，后者是關(guān)于物質(zhì)的基本構(gòu)成、亞原子粒子及其相互作用的理論。在過去的一個(gè)多世紀(jì)里，這兩個(gè)理論在各自領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。
然而，我們雖然已經(jīng)有了可用來很好地解釋引力是如何作用于宏觀物體的理論，但我們卻不能在極高能量下，或在極小的微觀物體上了解引力是如何運(yùn)作的。這是物理學(xué)的一個(gè)重大問題，解決這個(gè)問題是許多物理學(xué)家一生的夙愿。他們希望能找到一種可以將廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的理論——量子引力理論，從而物理學(xué)打開一個(gè)全新的局面。
目前，弦理論是物理學(xué)家研究量子引力的最佳方法，這一理論已經(jīng)發(fā)展了約50年之久，并取得了許多可喜的成就。但也有物理學(xué)家認(rèn)為，作為一種主要的研究方法，弦理論暴露的不足似乎在與日俱增。物理學(xué)家迫切地希望能夠出現(xiàn)尋找新物理學(xué)的其他途徑。
○ 史蒂芬·沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram）。| 圖片來源：Wikipedia
4月14日，企業(yè)家史蒂芬·沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram）宣布了一個(gè)新項(xiàng)目——“沃爾弗拉姆物理項(xiàng)目”（The Wolfram Physics Project）的啟動，這是一項(xiàng)專門為了發(fā)展新物理學(xué)而推出的新計(jì)劃。
沃爾弗拉姆是軟件公司沃爾夫勒姆研究公司（Wolfram Research）的創(chuàng)始人，他為計(jì)算機(jī)、物理學(xué)，和數(shù)學(xué)領(lǐng)域都作出了杰出貢獻(xiàn)。在成為一名企業(yè)家之前，他是一名物理學(xué)家。他設(shè)計(jì)出了幾乎所有科學(xué)家都在使用的計(jì)算軟件Mathematica。此外，想必大多數(shù)有學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、科學(xué)以及工程的人都使用過他的Wolfram Alpha搜索引擎。
在新計(jì)劃中，沃爾夫勒姆提出，宇宙中的一切都可以歸結(jié)為將簡單的規(guī)則應(yīng)用于一些基本單元之上。他將宇宙視為一個(gè)巨大的、不斷增長的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間的各種關(guān)系構(gòu)成了空間本身以及其中的一切。其實(shí)早在18年前，沃爾夫勒姆就發(fā)表過類似的觀點(diǎn)，不過那時(shí)候這些想法還較為模糊。現(xiàn)在，他認(rèn)為他已經(jīng)找到了更清晰的思路，并相信這些想法或許能帶來基礎(chǔ)理論的新發(fā)現(xiàn)。
沃爾弗拉姆試圖利用圖論來找到一種可以替代弦理論的方法。圖論是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它研究的是線和頂點(diǎn)的連接所構(gòu)成的圖形。具體說來，他的方法是基于一個(gè)被稱為“超圖”（hypergraph）的概念，這是一種廣義上的圖，在這種圖形中，一條邊可以連接任意數(shù)量的頂點(diǎn)。沃爾夫勒姆相信，這種復(fù)雜的超圖可以模擬宇宙的許多特征，比如物質(zhì)和能量，并可被用于重現(xiàn)由廣義相對論和量子力學(xué)所描述的所有物理結(jié)構(gòu)和過程。
復(fù)雜的超圖如何可以協(xié)調(diào)廣義相對論和量子力學(xué)呢？量子理論研究的是具有離散特征的離散對象；而在廣義相對論的視角中，宇宙是一個(gè)連續(xù)的實(shí)體。沃爾弗拉姆認(rèn)為，這種沖突可以通過用離散的結(jié)構(gòu)來建立一個(gè)類似于廣義相對論的幾何模型而得到調(diào)和。他建議通過將極為簡單的基本規(guī)則應(yīng)用到一個(gè)簡單的起點(diǎn)之上，然后不斷地重復(fù)應(yīng)用這些規(guī)則，來最終生成這種復(fù)雜的超圖。
舉例來說，假如有兩個(gè)被標(biāo)記為A和B的“抽象元素”，規(guī)則是每個(gè)A都要被更改為BBB，每個(gè)BB都要被替換為A。那么如果以A為起點(diǎn)，按照規(guī)則，它會在一次“更新”中變成BBB；由于BBB擁有兩個(gè)BB，所以接下來BBB可以有兩次更新，一次是把前兩個(gè)B變成A，產(chǎn)生AB，另一次是把后兩個(gè)B變成A，生成BA。這樣一來，A被連接到了BBB，而BBB又連接到了AB和BA。AB和BA接下來的更新都能生成BBBB，而BBBB又能產(chǎn)生ABB、BBA和BAB……
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當(dāng)這個(gè)規(guī)則被不斷地應(yīng)用在這些元素上時(shí)，我們就得到了越來越復(fù)雜的圖形。
每一個(gè)“更新”步驟對應(yīng)于常規(guī)概念中的時(shí)間，當(dāng)一個(gè)規(guī)則被反復(fù)地應(yīng)用到一組抽象實(shí)體之上時(shí)，就會生成連接，這些連接就對應(yīng)于空間的結(jié)構(gòu)。因此，在沃爾弗拉姆的圖景中，空間是一個(gè)以極其復(fù)雜的模式連接的點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這些點(diǎn)可以描述物質(zhì)和能量，以及被統(tǒng)稱為物理學(xué)定律的各種關(guān)系。
沃爾夫勒姆認(rèn)為，幾乎所有存在的東西都是由空間構(gòu)成的，他說：“這基本上就是我認(rèn)為的宇宙空間的運(yùn)作方式。實(shí)際上，它是一堆抽象的點(diǎn)之間的離散、抽象的關(guān)系。但在我們的經(jīng)驗(yàn)尺度上，它所具有的關(guān)系模式使它看起來像是連續(xù)的空間。”這有點(diǎn)像魚把海洋看作是一種平滑的流體，而無法感知到水實(shí)則是由離散的分子組成的。
在這種超圖中構(gòu)建的空間可以具有非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，就像一個(gè)有著無限像素的數(shù)碼相機(jī)傳感器。據(jù)初步估計(jì)，與現(xiàn)如今的宇宙相對應(yīng)的超圖，或許已經(jīng)應(yīng)用了10???個(gè)時(shí)間步長（更新）。如此龐大的數(shù)字可以使得空間有足夠的細(xì)粒度來容納比物理學(xué)中已知的粒子要小得多的物質(zhì)-粒子結(jié)構(gòu)，從而有助于物理學(xué)家對暗物質(zhì)進(jìn)行探索。
此外，沃爾夫勒姆還認(rèn)為，推動了宇宙加速膨脹的暗能量或許只是這種超圖的一個(gè)自然特征，因?yàn)橐苍S暗能量在本質(zhì)上就是由空間本身構(gòu)成的。
沃爾夫勒姆相信，超圖可以將現(xiàn)有的許多物理理論都包含在內(nèi)，比如超弦理論、圈量子引力等等，從而解決當(dāng)前關(guān)于哪種理論是用于解釋基礎(chǔ)物理學(xué)的最佳理論的爭論。
目前，這種超圖已經(jīng)可以重現(xiàn)許多物理學(xué)理論的結(jié)果，其中包括狹義相對論。如果這項(xiàng)計(jì)劃真如沃爾夫勒姆所期待的那樣運(yùn)作順利，是否意味著理論物理學(xué)家可以摒棄他們原有的研究方法，僅憑一些規(guī)則來運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬即可？
事實(shí)并非如此，正如沃爾夫勒姆自己所指出的那樣，這項(xiàng)工作尚未完成。到目前為止，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)確定了近1000條規(guī)則，這些規(guī)則可以產(chǎn)生看起來與宇宙很像的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。但究竟是怎樣的規(guī)則造就了現(xiàn)在的宇宙，還有待進(jìn)一步摸索。
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如果有一天，這個(gè)模型真的能找到一個(gè)規(guī)則，這個(gè)規(guī)則具有所有正確的屬性，那么這或許表明我們終于破譯了宇宙的奧秘。而在此之前，這個(gè)聽起來令人興奮的計(jì)劃還將面臨許多挑戰(zhàn)。
參考鏈接：
[1] https://wolframphysics.org
[2] https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[3] https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics
[4] https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[5] https://phys.org/news/2020-04-wolfram-physics-fundamental-theory.html
[6] https://theconversation.com/a-new-kind-of-physics-stephen-wolfram-has-a-radical-plan-to-build-the-universe-from-dots-and-lines-136830
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