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以麥為劍木蟲 (正式寫手)
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物理學(xué)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(xué)家》，Physics crunch: Desperately seeking everything 這都怪古希臘人，因?yàn)橐磺卸际撬麄冮_的頭。這個(gè)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(gòu)建起“實(shí)在”（reality）的磚塊——從根本上構(gòu)成物質(zhì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)的困頓：希格斯粒子撞到死胡同？》）。廣義相對論則對空間和時(shí)間進(jìn)行了脫胎換骨的處理，給我們帶來了宇宙學(xué)，對由第4種基本力——引力所主宰的宇宙進(jìn)行了準(zhǔn)確到驚人的描述（參見《 物理學(xué)的困頓：宇宙學(xué)心臟上的黑暗虛空》）。沒錯(cuò)，這兩種理論都各有缺點(diǎn)，但當(dāng)我們要將它們合二為一去追求一種終極理論之時(shí)，真的就應(yīng)當(dāng)棄之如敝履嗎？ 拿這個(gè)問題去問許多物理學(xué)家，你會(huì)得到一個(gè)氣急敗壞的回答�！盎玖Ｗ游锢韺W(xué)現(xiàn)在所處的狀態(tài)，就跟當(dāng)年門捷列夫（創(chuàng)造元素周期表）時(shí)的化學(xué)差不多，”英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·多伊奇（David Deutsch）說，“東西已經(jīng)被分門別類，你也意識(shí)到其中必定存在某種底層結(jié)構(gòu)，但就是對這種結(jié)構(gòu)到底是什么百思不得其解。” 重點(diǎn)在于，量子理論和廣義相對論在本質(zhì)上仍然互不相容。我們用廣義相對論描述非常大的結(jié)構(gòu)，比如恒星、星系和宇宙，或者用量子理論描述非常小的結(jié)構(gòu)，比如分子、原子和亞原子粒子時(shí)，一切都很完美。但是，要想完整理解這個(gè)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?yàn)槭返俜摇せ艚穑⊿tephen Hawking）和雅各布·貝肯施泰因（Jacob Bekenstein）在上世紀(jì)70年代指出，廣義相對論預(yù)言的黑洞可能會(huì)摧毀信息，這是量子理論所不允許的。 即便從空間和時(shí)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(shí)空如同一塊光滑的四維毯子，而支撐起標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成的“點(diǎn)陣”，而時(shí)間甚至沒有被當(dāng)作是真實(shí)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(xué)家會(huì)選擇量子理論，因?yàn)樗臄?shù)學(xué)結(jié)構(gòu)猶如一塊透徹的棱鏡，透過它我們成功看到了整個(gè)世界。另一方面，愛因斯坦的擁躉卻指責(zé)量子理論看起來“缺乏真實(shí)性”，指責(zé)量子理論中明顯互不相關(guān)的物體之間那種幽靈一般違背直覺的關(guān)聯(lián)。他們主張，除非我們能夠給這些關(guān)聯(lián)找到一個(gè)有說服力的物理解釋，否則量子理論可能就只是一個(gè)更深層理論的近似罷了。 借用一些倍受鐘愛的數(shù)學(xué)概念，比如對稱，科學(xué)家也在嘗試打破這一僵局。超對稱理論（supersymmetry）就是結(jié)果之一，人們普遍認(rèn)為它會(huì)是一個(gè)路標(biāo)，指向通往弦論（string theory）之路，后者是深受理論學(xué)家喜愛的一個(gè)終極理論的候選者。弦論預(yù)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(jìn)各種幾何形狀之中，形成我們看到的基本粒子，并在有質(zhì)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(chǔ)上統(tǒng)一全部4種基本力，弦論的確向前邁進(jìn)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(gè)重大缺陷——用美國亞利桑那州立大學(xué)保羅·戴維斯（Paul Davies）的話來說，“弦論確實(shí)預(yù)言了一些新的東西，但在可以預(yù)見的未來，這些預(yù)言幾乎肯定是無法檢驗(yàn)的�！� 荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的雷娜特·洛爾（Renate Loll）說，這類失敗意味著萬物至理這個(gè)想法已經(jīng)是曇花一現(xiàn)了，“在弦論的全盛時(shí)期，你會(huì)不時(shí)看到有論文提到這個(gè)想法，但現(xiàn)在它已經(jīng)完全過時(shí)了”。英國倫敦帝國理工學(xué)院的克里斯·艾沙姆（Chris Isham）則更為激進(jìn)，稱萬物理論是“強(qiáng)迫癥”的表現(xiàn)，物理學(xué)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(xué)之力目前已經(jīng)獲得的進(jìn)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(xué)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(xué)之外，卻沒有透露只言片語（參見《物理學(xué)的困頓：數(shù)學(xué)是現(xiàn)實(shí)的根基嗎？》）�！皵�(shù)學(xué)只能揭示抽象對象中的真理，”多伊奇說，“物理學(xué)卻不像數(shù)學(xué)那樣偏重于研究這些抽象對象本身，而是更關(guān)心哪些對象我們能在現(xiàn)實(shí)世界中找到它的對應(yīng)�！睂�(shí)際上，我們目前用于構(gòu)建物理理論的數(shù)學(xué)概念，在我們已知的純數(shù)學(xué)概念之中只占了很小的一部分。 比如說，粒子、場、空間及時(shí)間之間的所有關(guān)系，都可以用一套能在圖靈機(jī)（Turing machine，今天所有計(jì)算機(jī)的原型）上運(yùn)行的數(shù)學(xué)運(yùn)算來表示�！拔覀儾恢罏槭裁磿�(huì)這樣，”多伊奇說，“這個(gè)事實(shí)看起來毫無道理可言�！睂で笕f物至理的進(jìn)程，或許需要闖進(jìn)那些今天看來根本不可計(jì)算的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。 多伊奇的直覺更為離經(jīng)叛道。他認(rèn)為，我們必須摒棄過去一個(gè)世紀(jì)以來一直都行之有效的思維模式：只要我們先在數(shù)學(xué)上取得突破，現(xiàn)實(shí)中的進(jìn)展就會(huì)隨之而來。相反，我們必須先審視自己在理解物理宇宙時(shí)碰到的問題，比如宇宙中缺失的物質(zhì)，比如引力為什么會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)，付諸實(shí)驗(yàn)。這才是應(yīng)有的邏輯順序，”多伊奇說，“相當(dāng)多的理論物理學(xué)家試圖先做數(shù)學(xué)，這樣永遠(yuǎn)都走不通�！� 這樣的努力是否值得？戴維斯認(rèn)為值，不過我們心里必須要明確一點(diǎn)——就算是萬物至理，至少是物理學(xué)家心目中的萬物至理，也不會(huì)包含所有的答案——“這樣的理論不會(huì)幫我們解決生命起源或者意識(shí)本質(zhì)之類的問題”。美國哈佛大學(xué)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(gè)理論就能解釋我們?yōu)槭裁磿?huì)在這里嗎？” 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(xué)洞見，都來自于對物理學(xué)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(rèn)識(shí)，為今天的絕大多數(shù)技術(shù)提供了理論基石。愛因斯坦將能量和質(zhì)量統(tǒng)一進(jìn)質(zhì)能方程E=mc2，打開了核子時(shí)代的大門。戴維斯說：“從歷史上看，這些努力通常都會(huì)有所回報(bào)。” 對純粹主義者而言，這樣的看法或許過于功利。但戴維斯認(rèn)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(jì)末認(rèn)為物理學(xué)業(yè)已完結(jié)的那些人的覆轍。“你可能會(huì)想出某個(gè)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(huì)有被別人超越的可能。” |
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