● 物理學(xué)的困頓 ●
絕望地尋求一切
鄧雪梅/編譯
終極理論：我們會(huì)擁有嗎？
● 一個(gè)統(tǒng)一所有物理的終極理論似乎像過(guò)去一樣久久不能到來(lái)——但是，這并不意味著我們應(yīng)該停止追逐夢(mèng)想。如果我們挖掘的足夠遠(yuǎn)，那么我們最終將會(huì)贏得最高金像獎(jiǎng)——一個(gè)支配所有事物的終極理論。
支配萬(wàn)物的終極理論
要怪就怪古希臘人吧：是從他們開(kāi)始的。這個(gè)想法似乎很合理。如果我們繼續(xù)挖掘下去，那么我們能夠揭示現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)：物質(zhì)最終是由什么組成的，統(tǒng)治萬(wàn)物的信條是什么。如果我們挖掘的足夠遠(yuǎn)，那么我們將會(huì)贏得最高金像獎(jiǎng)——一個(gè)支配所有事物的終極理論。
從某種意義上說(shuō)，我們一直做得很好。量子理論的不可思議可能會(huì)欺騙我們，但是成功地建立起粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，可以把事情簡(jiǎn)化成幾個(gè)基本粒子和三種作用力。廣義相對(duì)論對(duì)于時(shí)間和空間的彎曲處理塑造了一個(gè)宇宙學(xué)，這個(gè)宇宙學(xué)通過(guò)第四種力——引力——來(lái)準(zhǔn)確驚人的描述著。是的，這兩個(gè)理論無(wú)法調(diào)和，但是當(dāng)我們走向一個(gè)能結(jié)合兩種理論的物理終極理論時(shí)，它們真地會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題嗎？
如果你把這個(gè)問(wèn)題丟給物理學(xué)家，那么你會(huì)得到脾氣暴躁的回應(yīng)。“基本粒子物理學(xué)幾乎就像是尚處于門(mén)捷列夫時(shí)代的化學(xué)，”在元素周期表創(chuàng)建期間，牛津大學(xué)的大衛(wèi)·杜奇（DavidDeutsch）說(shuō)。“它一直在分類(lèi)，并且已經(jīng)意識(shí)到還存在著一個(gè)潛在結(jié)構(gòu)，但是卻不知道那個(gè)潛在結(jié)構(gòu)是什么。”
至關(guān)重要地是，量子理論和廣義相對(duì)論從根本上仍然不相容。我們使用相對(duì)論來(lái)描述恒星、星系以及宇宙不是問(wèn)題，用量子理論來(lái)描述分子、原子以及亞原子粒子也不是問(wèn)題，但對(duì)于一個(gè)宇宙的完整理解，我們必須知道這個(gè)微小的新生宇宙是如何變得如此之大：回溯到大爆炸就需要兩個(gè)理論共同起作用；很可能黑洞的存在也需要兩個(gè)理論的共同作用。正如20世紀(jì)70年代斯蒂芬·霍金（StephenHawking）和雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）所證明的一樣，這個(gè)廣義相對(duì)論“怪物”可能會(huì)破壞由量子理論所隱藏的信息。
甚至一些如同空間和時(shí)間一樣的東西都會(huì)突顯出這兩個(gè)理論是融合得多么得不好。相對(duì)論的時(shí)空是一個(gè)光滑的四維流型；成為標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)的量子場(chǎng)論則暗示了空間能夠縮小到10-35米的尺度，并且甚至不把時(shí)間看成是一個(gè)真正看得見(jiàn)的東西。
玄理論終究難有作為
如果要對(duì)這兩個(gè)理論做出選擇，那么大多數(shù)物理學(xué)家會(huì)打賭量子理論是“正確的”，因?yàn)樗臄?shù)學(xué)是一個(gè)能夠成功看待這個(gè)世界的棱鏡。當(dāng)然，其他站在愛(ài)因斯坦這一邊的物理學(xué)家會(huì)持有反對(duì)意見(jiàn)，他們不贊同量子理論中關(guān)于看似無(wú)關(guān)對(duì)象的“虛構(gòu)”和幽靈般的反直覺(jué)相關(guān)性。如果我們不能夠找到一個(gè)令人信服的關(guān)于這些相關(guān)性的物理原因，他們爭(zhēng)論道，那么或許量子理論僅僅是一個(gè)近似的理論。
超越這個(gè)僵局的嘗試已經(jīng)開(kāi)始，如對(duì)稱性等受人青睞的數(shù)學(xué)想法。一個(gè)解決方案是超對(duì)稱，該理論被廣泛認(rèn)為是通向弦理論的一種理論，同時(shí)也是終極理論的一個(gè)最佳候選者。弦理論預(yù)言空間存在著隱藏的額外維度，嵌入這些維度中的對(duì)稱性會(huì)產(chǎn)生能量并把這些能量轉(zhuǎn)化成幾何形狀，而這種幾何形狀看起來(lái)就像是某種基本粒子存在的結(jié)果，或者這種幾何形狀還模仿著由于物質(zhì)存在而造成的時(shí)空彎曲。
該理論已經(jīng)產(chǎn)生了一些可信的粒子描述，其中之一便是長(zhǎng)期尋找的引力子。引力子是一種量子粒子，其能夠攜帶引力。因此，需要進(jìn)一步地基于量子理論來(lái)統(tǒng)一四種基本作用力。然而，就如同其他被提出的理論框架一樣，它有一個(gè)很大的缺陷。“弦理論的確預(yù)言了新東西，但是這些新東西在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)中幾乎肯定是無(wú)法探測(cè)的，”亞利桑那州立大學(xué)的保羅·戴維斯（PaulDavies）說(shuō)。
“這一缺陷意味著一個(gè)終極理論的想法已悄然消失，”荷蘭奈梅亨大學(xué)的雷娜特·羅爾（RenateLoll）說(shuō)。“有一段時(shí)間，就在弦理論的全盛時(shí)期，你會(huì)在許多論文中看到它，但是現(xiàn)在它已經(jīng)完全過(guò)時(shí)了，”倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的克里斯·艾沙姆（Chris Isham）進(jìn)一步說(shuō)。一個(gè)終極理論是“人們的迫切心愿”，但是沒(méi)有任何理由認(rèn)為一定存在這樣的理論——而且我們也沒(méi)能找到這樣的理論。到目前為止，我們找到了相關(guān)數(shù)學(xué)的這件事已經(jīng)是一個(gè)驚人的事實(shí)了，但這并不意味著我們能夠一直走下去。
抑或需要從數(shù)學(xué)入手？
問(wèn)題是數(shù)學(xué)提供了無(wú)窮多種可以進(jìn)行的方式——除此以外沒(méi)有任何東西。“數(shù)學(xué)僅僅是揭示抽象事物的真相，”杜奇說(shuō)，“物理學(xué)與其說(shuō)是要研究這些事物，倒不如說(shuō)是為了找到事實(shí)的真相。”我們只是使用了純數(shù)學(xué)中的一小部分來(lái)構(gòu)建物理理論。
舉個(gè)例子，在粒子和場(chǎng)以及空間和時(shí)間之間的所有關(guān)系都可以表示為一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算的子集，并且這些關(guān)系都是可以在計(jì)算機(jī)中計(jì)算的。“我們并不知道原因，”杜奇說(shuō)，“它似乎只是一個(gè)無(wú)原因的事實(shí)。”一個(gè)朝向終極理論的進(jìn)程可能需要數(shù)學(xué)領(lǐng)域的不同分支，而這樣的終極理論并不被視為是可以計(jì)算的。
杜奇的直覺(jué)甚至更為激進(jìn)。他說(shuō)，我們必須放棄過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里我們獲益良多的想法：如果我們從數(shù)學(xué)著手，事實(shí)就會(huì)隨之而來(lái)。相反，我們必須首先看待我們對(duì)于物理宇宙理解的問(wèn)題——比如說(shuō)，宇宙丟失的物質(zhì)，或者為什么引力要比其他力弱很多——并且我們也應(yīng)當(dāng)試圖去找到改變我們世界觀的答案。“隨后我們不得不把它用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述，并且測(cè)試它。這才是正常的順序，”杜奇說(shuō)，“相當(dāng)多的理論物理都試圖先從數(shù)學(xué)著手，這是行不通的。”
這種努力值得嗎？戴維斯認(rèn)為值得——但除非是我們清楚即使是一個(gè)終極理論，至少如同物理學(xué)家所定義的一樣，也不會(huì)包含所有的答案。“它不會(huì)幫助解決生命起源問(wèn)題或意識(shí)的本質(zhì)，”他說(shuō)。哈佛大學(xué)的麗莎·藍(lán)道爾（LisaRandall）甚至更加直白的說(shuō)：“即使我們知道了這個(gè)最終的潛在理論，我們又如何去解釋我們?cè)谶@里的事實(shí)呢？”
或許持續(xù)研究的最大原因并不在于目標(biāo)，而在于我們尋找的路線。我們最偉大的改變生活的科學(xué)見(jiàn)解來(lái)自于試圖簡(jiǎn)化物理并把不同領(lǐng)域的理解匯集到一起。麥克斯韋統(tǒng)一了我們對(duì)于電和磁的理解，提出了許多現(xiàn)代技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的理論基石。愛(ài)因斯坦把能量和質(zhì)量通過(guò)公式E=mc2融合到了一起——并開(kāi)啟了核時(shí)代。“從歷史的觀點(diǎn)來(lái)看，這些東西通常會(huì)通向某個(gè)領(lǐng)域，”戴維斯說(shuō)。
對(duì)于一個(gè)純粹的人而言，這或許是過(guò)于功利的。但是任何一位純粹由于自身利益而尋求終極理論的人都會(huì)冒著最終失望而歸的風(fēng)險(xiǎn)。戴維斯說(shuō)，并且也會(huì)犯同19世紀(jì)末許多人相信的物理學(xué)是完整的同樣錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。“你能夠想出一些奇妙的計(jì)劃，你可以把它放在一個(gè)彩色玻璃窗上展覽，并且把它作為人類(lèi)智慧的奇跡來(lái)慶祝。但總會(huì)有這種可能性：有人想出了比你更好的辦法。”
[資料來(lái)源：NewScientist][責(zé)任編輯：則 鳴]
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