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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 專業(yè)學科區(qū) » 物理 » 基礎物理 » 物理學的困頓：終極理論夢一場
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以麥為劍木蟲 (正式寫手)
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物理學的困頓：終極理論夢一場 已有10人參與
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編譯自：《新科學家》，Physics crunch: Desperately seeking everything 這都怪古希臘人，因為一切都是他們開的頭。這個想法本身看上去再合理不過了：只要我們不斷深入探尋，最終就能找到構建起“實在”（reality）的磚塊——從根本上構成物質的那些東西，以及掌控它們行為的那些規(guī)律。沿著這條路，只要我們挖的足夠深，有朝一日就能掘得真金，找到一個解釋世間萬物的所謂“萬物至理”。 就某些角度而言，我們已經(jīng)所獲頗豐。盡管量子理論的詭異可能仍讓我們困惑，但粒子物理的標準模型已經(jīng)成功將萬物化歸為少數(shù)基本粒子和區(qū)區(qū)3種基本力（參見《物理學的困頓：希格斯粒子撞到死胡同？》）。廣義相對論則對空間和時間進行了脫胎換骨的處理，給我們帶來了宇宙學，對由第4種基本力——引力所主宰的宇宙進行了準確到驚人的描述（參見《 物理學的困頓：宇宙學心臟上的黑暗虛空》）。沒錯，這兩種理論都各有缺點，但當我們要將它們合二為一去追求一種終極理論之時，真的就應當棄之如敝履嗎？ 拿這個問題去問許多物理學家，你會得到一個氣急敗壞的回答。“基本粒子物理學現(xiàn)在所處的狀態(tài)，就跟當年門捷列夫（創(chuàng)造元素周期表）時的化學差不多，”英國牛津大學的物理學家戴維·多伊奇（David Deutsch）說，“東西已經(jīng)被分門別類，你也意識到其中必定存在某種底層結構，但就是對這種結構到底是什么百思不得其解�！� 重點在于，量子理論和廣義相對論在本質上仍然互不相容。我們用廣義相對論描述非常大的結構，比如恒星、星系和宇宙，或者用量子理論描述非常小的結構，比如分子、原子和亞原子粒子時，一切都很完美。但是，要想完整理解這個宇宙，我們還需要知曉初生的小宇宙如何變成今天的大家伙：回溯到大爆炸之初，就需要量子理論和廣義相對論并肩協(xié)力。黑洞的存在或許也需要這兩種理論聯(lián)手拯救，因為史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和雅各布·貝肯施泰因（Jacob Bekenstein）在上世紀70年代指出，廣義相對論預言的黑洞可能會摧毀信息，這是量子理論所不允許的。 即便從空間和時間這樣的基本概念中，都可以一窺這兩種理論是何其之水火不容。相對論的時空如同一塊光滑的四維毯子，而支撐起標準模型的量子理論卻暗示，空間是一塊塊只有10-35米大小的單元構成的“點陣”，而時間甚至沒有被當作是真實存在并且可以觀測的東西。 如果要在這兩種理論上押寶，大多數(shù)物理學家會選擇量子理論，因為它的數(shù)學結構猶如一塊透徹的棱鏡，透過它我們成功看到了整個世界。另一方面，愛因斯坦的擁躉卻指責量子理論看起來“缺乏真實性”，指責量子理論中明顯互不相關的物體之間那種幽靈一般違背直覺的關聯(lián)。他們主張，除非我們能夠給這些關聯(lián)找到一個有說服力的物理解釋，否則量子理論可能就只是一個更深層理論的近似罷了。 借用一些倍受鐘愛的數(shù)學概念，比如對稱，科學家也在嘗試打破這一僵局。超對稱理論（supersymmetry）就是結果之一，人們普遍認為它會是一個路標，指向通往弦論（string theory）之路，后者是深受理論學家喜愛的一個終極理論的候選者。弦論預言空間具有隱藏維度，包含在這些維度中的對稱性將能量“折疊”進各種幾何形狀之中，形成我們看到的基本粒子，并在有質量物體的周圍“模擬”出空間彎曲。 弦論可以引入一些粒子，把它們描述得頭頭是道，其中就包括一直在尋找的引力子（graviton）—— 一種能夠傳遞引力的量子粒子。因此，要在量子理論的基礎上統(tǒng)一全部4種基本力，弦論的確向前邁進了一大步。但是，正如通往萬物至理的其他路線圖一樣，弦論也有一個重大缺陷——用美國亞利桑那州立大學保羅·戴維斯（Paul Davies）的話來說，“弦論確實預言了一些新的東西，但在可以預見的未來，這些預言幾乎肯定是無法檢驗的�！� 荷蘭內(nèi)梅亨大學的雷娜特·洛爾（Renate Loll）說，這類失敗意味著萬物至理這個想法已經(jīng)是曇花一現(xiàn)了，“在弦論的全盛時期，你會不時看到有論文提到這個想法，但現(xiàn)在它已經(jīng)完全過時了”。英國倫敦帝國理工學院的克里斯·艾沙姆（Chris Isham）則更為激進，稱萬物理論是“強迫癥”的表現(xiàn)，物理學家急切地想要獲得它，卻沒有任何證據(jù)表明這樣的理論一定存在，或者就在我們的能力范圍之內(nèi)。借助數(shù)學之力目前已經(jīng)獲得的進步的確讓人驚嘆，但這并不意味著，沿著這條路我們就能一直走下去。 問題在于，數(shù)學中有無窮多種方法來處理數(shù)字和抽象概念，但對于哪些概念存在于數(shù)學之外，卻沒有透露只言片語（參見《物理學的困頓：數(shù)學是現(xiàn)實的根基嗎？》）�！皵�(shù)學只能揭示抽象對象中的真理，”多伊奇說，“物理學卻不像數(shù)學那樣偏重于研究這些抽象對象本身，而是更關心哪些對象我們能在現(xiàn)實世界中找到它的對應。”實際上，我們目前用于構建物理理論的數(shù)學概念，在我們已知的純數(shù)學概念之中只占了很小的一部分。 比如說，粒子、場、空間及時間之間的所有關系，都可以用一套能在圖靈機（Turing machine，今天所有計算機的原型）上運行的數(shù)學運算來表示。“我們不知道為什么會這樣，”多伊奇說，“這個事實看起來毫無道理可言�！睂で笕f物至理的進程，或許需要闖進那些今天看來根本不可計算的數(shù)學領域。 多伊奇的直覺更為離經(jīng)叛道。他認為，我們必須摒棄過去一個世紀以來一直都行之有效的思維模式：只要我們先在數(shù)學上取得突破，現(xiàn)實中的進展就會隨之而來。相反，我們必須先審視自己在理解物理宇宙時碰到的問題，比如宇宙中缺失的物質，比如引力為什么會遠遠弱于其他基本力，嘗試尋找要如何改變我們的世界觀才有可能解決這些問題。“接下來，你再將它訴諸數(shù)學，付諸實驗。這才是應有的邏輯順序，”多伊奇說，“相當多的理論物理學家試圖先做數(shù)學，這樣永遠都走不通。” 這樣的努力是否值得？戴維斯認為值，不過我們心里必須要明確一點——就算是萬物至理，至少是物理學家心目中的萬物至理，也不會包含所有的答案——“這樣的理論不會幫我們解決生命起源或者意識本質之類的問題”。美國哈佛大學的麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）表述得更為直接：“就算我們知道終極的底層理論，難道用這個理論就能解釋我們?yōu)槭裁磿谶@里嗎？” 或許繼續(xù)探尋萬物至理的最重要原因，不在于最終的目的，而在于我們探索的過程。我們最偉大的那些改變了文明面貌的科學洞見，都來自于對物理學的簡化和對不同理解范疇的綜合。麥克斯韋統(tǒng)一了我們對電和磁的認識，為今天的絕大多數(shù)技術提供了理論基石。愛因斯坦將能量和質量統(tǒng)一進質能方程E=mc2，打開了核子時代的大門。戴維斯說：“從歷史上看，這些努力通常都會有所回報�！� 對純粹主義者而言，這樣的看法或許過于功利。但戴維斯認為，任何純粹為了理論本身而去追尋萬物至理的人，最終可能都難免失望，而且很可能重蹈19世紀末認為物理學業(yè)已完結的那些人的覆轍�！澳憧赡軙氤瞿硞�絕妙的方案，將其金描彩繪一番，捧為人類智力的又一大美妙成就。但是，長江后浪推前浪，你總會有被別人超越的可能�！� |
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