假設(shè)A和B都被要求準(zhǔn)備一頓飯。A喜歡中餐，B喜歡意大利菜。他們各自選擇自己喜歡的食譜，在當(dāng)?shù)氐膶Ｙu店里購買材料，并仔細(xì)地按照說明進(jìn)行操作。但是當(dāng)他們把盤子從烤箱里拿出來的時(shí)候，感到驚訝不已，他們做的飯菜是一樣的。我們可以想象，A和B肯定會(huì)有疑問了，不同的食材怎么能做出同樣的菜呢？甚至做中餐或意大利菜到底意味著什么？難道他們準(zhǔn)備食物的方法是完全錯(cuò)誤的？
這正是量子物理學(xué)家所經(jīng)歷的困惑。他們發(fā)現(xiàn)了許多關(guān)于同一物理系統(tǒng)的兩種完全不同描述的例子。物理學(xué)中，佐料就是粒子和力；食譜是使其相互作用的數(shù)學(xué)公式；烹飪過程是量子化程序，將方程轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象的概率。就像A和B一樣，量子物理學(xué)家想知道不同的食譜如何導(dǎo)致相同的結(jié)果。
在制定基本定律時(shí)，自然有什么選擇嗎？阿爾伯特·愛因斯坦曾有一個(gè)著名的想法：考慮到一些通用原則，本質(zhì)上存在一種獨(dú)特的方式來構(gòu)建一個(gè)一致的、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的宇宙。在愛因斯坦看來，如果我們對(duì)物理的本質(zhì)足夠深入，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有且只有一種方式使物質(zhì)、輻射、力、時(shí)間和空間組合在一起形成現(xiàn)實(shí)世界，就像時(shí)鐘的齒輪、彈簧、表盤和指針的獨(dú)特結(jié)合使鐘走得準(zhǔn)。
目前粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是一種含有少量成分的嚴(yán)格構(gòu)造的機(jī)制。然而，宇宙似乎不是唯一的，而是無限可能世界中的一個(gè)。我們不知道為什么粒子和力的這種特殊結(jié)合是自然結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。為什么存在六“味”夸克，三“代”中微子和一種希格斯玻色子？此外，標(biāo)準(zhǔn)模型有19個(gè)自然常量，比如電子的質(zhì)量和電荷，這些都必須在實(shí)驗(yàn)中測量。這些自由參數(shù)的值似乎沒有任何更深的含義。一方面，粒子物理學(xué)是一種優(yōu)雅的奇跡；另一方面，它是一個(gè)假設(shè)性內(nèi)容。
如果我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個(gè)，那我們?cè)趺疵鎸?duì)其他宇宙呢？目前的觀點(diǎn)可以看作是愛因斯坦唯一宇宙夢想的對(duì)立面。現(xiàn)代物理學(xué)家們接受了各種可能性，并試圖理解其包羅萬象的邏輯和相互聯(lián)系。他們從淘金者變成了地理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家，詳細(xì)地描繪了物理景觀，并研究了塑造它的力。
導(dǎo)致觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變的游戲規(guī)則改變者是弦理論。在這一刻，它是唯一可行的自然統(tǒng)一理論候選者，能夠描述所有的粒子和力，包括引力，同時(shí)遵循量子力學(xué)和相對(duì)論嚴(yán)格的邏輯規(guī)則。好消息是，弦理論沒有自由參數(shù)。詢問哪個(gè)弦理論能描述我們的宇宙是沒有意義的，因?yàn)閮H只有一個(gè)。沒有任何額外的特性會(huì)導(dǎo)致一種根本的結(jié)果，自然界的所有數(shù)字都應(yīng)該由物理本身來決定，它們不是“自然常數(shù)”，只是由方程固定的變量。
但這也有壞處，弦理論的解答廣泛且復(fù)雜。這在物理學(xué)中并不罕見。我們傳統(tǒng)上用數(shù)學(xué)方程，以及這些方程的解來區(qū)分基本定律。通常，只有很少的定律，但是有無數(shù)的解決方案。以牛頓定律為例。它們明確又優(yōu)美，但卻描述了非常廣泛的現(xiàn)象，從萬有引力到月球的軌道。如果你知道一個(gè)特定系統(tǒng)的初始條件，這些定律就可以讓你解出方程并預(yù)測接下來會(huì)發(fā)生什么。我們不期望也不要求一個(gè)能描述一切的唯一優(yōu)先解決方案。
在弦理論中，物理的某些特征，比如特定的粒子和力，實(shí)際上就是解。它們由隱藏的額外維度的形狀和大小決定的。所有這些解決方案的空間通常被稱為“景觀”。即使是最令人驚嘆的景觀，與這個(gè)浩瀚的空間相比都顯得蒼白。盡管這個(gè)景觀的地理位置只被理解了一點(diǎn)點(diǎn)，但我們知道它有巨大維度的大陸。其中一個(gè)最吸引人的特征是，可能所有的東西都是相連的，每兩個(gè)模型都由一條不間斷的路徑連接起來。通過對(duì)宇宙進(jìn)行足夠的震動(dòng)，我們將能夠從一個(gè)可能的世界轉(zhuǎn)移到另一個(gè)世界，改變我們所認(rèn)為不可變的自然法則和構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的基本粒子的特殊組合。
但是我們?nèi)绾翁剿骱芸赡苡袛?shù)百個(gè)維度的宇宙物理模型呢？如果把景觀想象成一個(gè)很大程度上未開發(fā)的荒野會(huì)有所幫助，它絕大部分都隱藏在棘手的的復(fù)雜性厚層之下。只有在最邊緣的地方，我們才能找到適合居住的地方，一切都簡單而美好。在這里我們找到了我們完全理解的基本模型。它們對(duì)于描述真實(shí)世界沒有什么價(jià)值，但可以作為探索局部鄰域的便利起點(diǎn)。
量子電動(dòng)力學(xué)（QED）是一個(gè)很好的例子，它描述了物質(zhì)與光之間的相互作用。這個(gè)模型有一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)，叫做精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α，它測量兩個(gè)電子之間力的強(qiáng)度。數(shù)字上接近1/137。在QED中，所有的過程都可以被看作是由基本的交互作用產(chǎn)生的。例如，兩個(gè)電子之間的斥力可以被想象成光子的交換。QED需要我們考慮兩個(gè)電子可能交換光子的所有可能方式，這實(shí)際上意味著物理學(xué)家必須解決無比復(fù)雜的問題。但這個(gè)理論也提供了一條出路：每一個(gè)額外的光子交換增加一個(gè)項(xiàng)，包括α提升到一個(gè)額外的量。由于這是一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)字，帶有許多交換的項(xiàng)只會(huì)造成一點(diǎn)點(diǎn)不同。它們可以被忽略，近似于實(shí)際值。
我們?cè)诰坝^邊緣發(fā)現(xiàn)了這些弱耦合理論。理論中力的強(qiáng)度很小，使得討論基本粒子和計(jì)算它們相互作用是有意義的。但是，如果我們離開眼前的環(huán)境，進(jìn)入荒野更深處探索，那么耦合就會(huì)變得很大，每一個(gè)額外的項(xiàng)變得更加重要?，F(xiàn)在我們不能再區(qū)分單個(gè)粒子了。相反，它們會(huì)溶入一個(gè)糾纏在一起的能量網(wǎng)，就像熱烤箱里蛋糕的成分一樣。
然而，并不是一切都消失了。有時(shí)，穿過黑暗荒野的道路會(huì)到達(dá)另一個(gè)邊緣。也就是說，有另一種控制良好的模型由完全不同的粒子和力組成。在這種情況下，對(duì)于相同的基礎(chǔ)物理，有兩種不同的食譜，就像A和B的菜一樣。這些互補(bǔ)的描述被稱為對(duì)偶模型，它們之間的關(guān)系是對(duì)偶性。我們可以把這些二象性看作是海森堡發(fā)現(xiàn)的著名波粒二象性的一個(gè)大概括。
標(biāo)準(zhǔn)模型
為什么這對(duì)物理學(xué)來說如此令人興奮？首先，許多模型是一個(gè)巨大相互連接的空間的一部分，這個(gè)結(jié)論是現(xiàn)代量子物理學(xué)最驚人的結(jié)果之一。這是一個(gè)可用“范式轉(zhuǎn)換”術(shù)語來表達(dá)的一種觀點(diǎn)改變。它告訴我們，我們沒有探索個(gè)別島嶼，而是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的大陸。從某種意義上說，通過對(duì)一個(gè)模型進(jìn)行足夠深入的研究，我們可以了解所有模型。我們可以探索這些模型是如何關(guān)聯(lián)的，闡明它們的共同結(jié)構(gòu)。重要的是這一現(xiàn)象在很大程度上獨(dú)立于弦理論是否描述真實(shí)世界的問題。它是量子物理留下來的固有特性，不管未來的萬物理論是什么，它都存在。
一個(gè)更引人注目的結(jié)論是，所有關(guān)于基礎(chǔ)物理的傳統(tǒng)描述都必須被拋棄。粒子、場、力、對(duì)稱性都是這個(gè)無比復(fù)雜的景觀邊緣的一個(gè)簡單存在的產(chǎn)物。從基礎(chǔ)構(gòu)建模塊來思考物理學(xué)似乎是錯(cuò)誤的，或者至少是有限的。也許有一個(gè)根本的新框架將自然的基本規(guī)律統(tǒng)一起來，并忽視掉所有熟悉的概念。弦理論的數(shù)學(xué)復(fù)雜性和一致性是這種引人注目的觀點(diǎn)的強(qiáng)大動(dòng)機(jī)。但引用量子物理學(xué)大師尼爾斯·玻爾的話來說，目前極少有關(guān)于取代粒子和場的想法是真實(shí)的。不過物理學(xué)已經(jīng)準(zhǔn)備好拋棄舊食譜，擁抱現(xiàn)代的融合烹飪。
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