探索万物理论谜题

在我们日常说话时,句子总是有隐含前提的。比如说「我太忙了」,只是在一个假定的时间范围内有效(今天或这周),而不会是本世纪或者1微秒;再比如「税很重」,只是对某个收入范围内的群体而言的。这种句子不甚枚举。

但你可能会想到,科学中这种隐含前提会很少。毕竟,在科学方法经过几个世纪发展后,传统的观念认为存在着在所有尺度下都绝对成立的理论,即使它不能在经验领域得到确证。例如,牛顿的万有引力定律曾被认为普遍的,它既适用于落下的苹果,也适用于被牵引的行星,并在已知的所有重大观察里占有分量,甚至对未知的现象也是如此。

相对论的出现,特别是广义相对论,让牛顿的引力定律显然只能成为一个更基础理论的近似理论。但是广义相对论在数学上是那么漂亮,以至于认为它以质量和能量完美统一了空间和时间的行为这种假设也似乎是合理的。

但在那之后,量子力学的出现再次改变了一切。当量子力学与相对论相结合时,它又有了出人意料的结论——这则支配物质和能量的物理定律在具体应用时,还得取决于你测算它们的物理尺度。这也许是20世纪里最大的未被承认的科学革命:我们知道不存在一个既能够统一自然世界与经验世界,又是绝对正确的理论。(我不认为这个发现会很快改变什么,弦理论物理学家仍抱有希望。)即便如此,理论物理学家们依然投入了相当大的精力去追求正确的理论。问题是,接下来会发生什么?是继续挖掘一个更普适的理论,还是将科学真理建立在某个适用尺度下?

The Trouble with Theories of Everything1

量子力学和相对论的结合意味着一个尺度变换(scaling)问题。海森堡著名的处在量子力学核心位置的测不准原理认为:小尺度上,在短时间内,我们不可能完全限制基本粒子的行为。粒子的能量和动量中存有一个不能被削弱的内在的不确定性。当这个事实结合狭义相对论后得出的结论是,你甚至不能真正约束一个小体积中短时间内存在的粒子数量。所谓的「虚粒子」可以在极短的时间刻度内跳进跳出测量空间以致于我们不能直接测算他们的存在。

这个事实的一个显著的影响是,当我们测量电子之间的作用力时,比如说决定电子间作用力的电子实际测量电荷,它取决于我们的测量尺度。我们越接近电子,我们对包围电子的虚拟电子「云」的穿透就越深。因为正虚拟粒子被电子吸引,我们对云穿透的越深,我们看到的正态云就越少,而能看到的负电荷就越多。

这样,当你准备计算两个粒子间的作用力时,你需要将所有虚拟粒子的作用包括在内。而这些粒子可能在测量的时候跳出空空间(empty space)。这包含出现在任意小时间内却有着任意大质量和能量的粒子。如果我们将这些影响计算在内的话,计算出的力将是无限的。

我们知道不存在一个既能够统一自然世界与经验世界,又是绝对正确的理论。

理查德·费曼在提取了一系列其他无关的无限力后,从而创造出一个能够持续计算剩余的有限力的方法,他因此而获得了诺贝尔奖。因此,我们现在可以从基本原则进行计算,例如将电子的磁矩保留到10位有效数字,这是其他科学领域的的实验所所无法达到的水平。

但费曼最终对他写出的东西很失望——从他1965年的诺贝尔演讲的资料中可以看出。当时他说「我认为重整化理论(renormalization)只将是一个简单的将电动力学的分歧难题掩饰起来的方式。」他认为所有完整的合理理论一开始都不应该产生无限,他和其他人开发的数学技巧从根本上说是一种组合。

现在我们会从不同的方面理解这些事情,费曼的关注显然在某种意义上放错了位置。这个问题与理论无关,而是试图超越尺度,而尺度恰恰提供了自然的正确描述。

有理由相信由任意大质量和能量的虚拟粒子创造出的无限在物理上是非相关的:它们是基于错误的推断,认为该理论是完整的。换句话说,这一理论描绘了所有尺度上的物理现象,甚至任意小尺度的距离和时间上的物理现象。但如果我们想要我们的理论是完整的,这就意味着在我们能够找到万有理论(theory of anything)之前,我们需要首先找到万物理论(theory of everything)——这一理论包含了所有我们已经发现的元素粒子效用,以及我们尚未发现的所有粒子!最好的情况就是不切实际,最坏就是压根不可能。

因此,在我们能在实验室中进行测量的尺度上来说,有意义的理论必须在小得多的距离尺度上(或者较少的情况下,在大得多的尺度上)对可能的新物理效应是不敏感的。这不仅是个临时问题的实际应变方法,我们也期待它能够随着我们得出更好的性质描述而消失。由于我们的经验主义知识可能总是不太完整,这样一种用来解释我们所能够探知到的部分宇宙的理论,从实际的必要性来说,需要对超出我们现有范围的可能的新物理现象不太敏感。这是我们认识论的特征,也是一些在我们开始探索终极尺度(这让量子力学和相对论变得非常重要)之前不曾被我们完全认可的东西。

这一点甚至可以应用于我们现有最好的物理理论中:量子电动力学,该理论描述了在电子与光之间的量子相互作用。根据费曼的指引,我们可以放弃这些理论产生的无限性,原因就在于它们是人造的。他们试图将该理论推广到那些可能不再有效的领域。费曼对他自己在关于这些无限性方面的成功感到失望是毫无理由的——这是他在不理解这种比当时可探测尺度小得多的新物理的情况下所能做到的最好的情况了。即使再半个世纪之后的今天,这些理论已经在量子电动力学不再是正确描述的尺度上接管了这些,该理论本身仍然被期待解析至更小的尺度上。

The Trouble with Theories of Everything2

物理理论的尺度还有另外一个版本的叙事。并非将这些理论正式地分门别类至各自的领域,在该领域之外这些理论就毫无作用。尺度分析揭示了理论间某种隐藏的联系,并指出一条通往新统一理论的路径,这样一条理论不仅包含最原始的理论,它们本身还能应用于更广泛的尺度范围。

比如说,希格斯玻色子(上帝粒子)的发现之所以在过去几年引发轩然大波,正是因为它是电弱统一理论中最后缺失的一环,电弱统一理论是电磁相互作用(描述电磁作用的量子理论是量子电动力学)和弱相互作用的统一理论。这两者属于自然界的四种相互作用力(强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁相互作用是四种人类目前所知的所有的力),表面上它们看上去完全不一样。但现在我们明白了,在极小的尺度上和极高的能量下,这两种力可以理解为同一种基本力的不同表现形式,即电弱力(electroweak force)。

尺度也激励着物理学家尝试一统另一种自然界的基本力——强作用力,从而发展出更为宽泛的理论。强作用力作用于构成质子和中子的夸克之间,直到1973年才被人理解。是年,三位理论家——David Gross, Frank Wilczek 和David Politzer提出了出人意料的非凡理论。他们提出了描述强作用力的备选理论,即量子色动力学(quantum chromodynamics)——与量子电动力学类似,量子色动力学有所谓「渐近自由」(Asymptotic freedom)的性质。

如果我们希望我们的理论完备,那就意味着在发现万有理论之前,我们必须先发现万物理论。

渐进自由使得夸克间的强作用力随着它们的距离变小而变弱。这不仅解释了众所周知的「尺度变换」这一实验现象——在高能和微距下,质子内部的夸克表现为独立的无相互作用的粒子,同时也为解释自然界为什么从未观察到自由夸克提供了可能性。如果在近距离下强作用力变弱,想必在远距离上强作用力就足够强以确保没有自由夸克能逃离它们的同伴。

距离减少,强作用力减弱的发现(而与弱作用力相统一的电磁力则是距离越小越强),使得20世纪70年代的理论家们提出,在足够小的尺度上,或许比一个质子大小再小15个数量级,这三种力(强作用力、弱作用力和电磁力)就能统一为一种力,这就是被称为大统一理论讲述的东西。在过去的40年间我们一直在寻找这种理论的直接证据——事实上大型强子对撞机正在搜寻要想证明这三种力间的变换是正确的似乎所必须的一组新的基本粒子。但尽管存在间接证据,至今尚未发现直接的确凿证据。

自然而然,努力把四种已知力中的三种统一起来会使得我们进一步努力以将第四种力——重力纳入进来。为了实现这一点,有假设认为,重力自身只是一种有效理论(effective theory),在足够小的尺度上它会和其他力合并,但只有当自然界中存在我们观察不到的超空间时才成立。这一理论通常被称为超弦理论,20世纪80年代和90年代在理论家中引起了极大的兴奋,但迄今没有任何证据表明超弦理论确实描述了我们生存的宇宙。

如果超弦理论真的是宇宙真理,那它将拥有一些独特的新特征。超弦理论可能最终将根本不会产生无限。因此,它将有潜力被运用在任何尺度上,不管多小。由于这个原因,它成为了某些人口中所说的「万物理论」——但实际上,在极小的尺度上,该理论也不可避免会出现奇异的现象,但这个尺度实在太小了,如果我们只考虑实验的可预见性,那这在物理学上可以忽略不计。

意识到我们理解物理实在的尺度效应,将我们慢慢引向了那个知名的理论(弦理论),尺度限制在其中消失了。这个动作是否反映了理论物理学家们在理解实在的道路上,习惯了在越来越小的尺度上步步为营,从而大胆迈出了错误的一步呢?

我们不知道答案,但是我们至少应当保持怀疑。目前,并没有任何基于直接实验和观测的证据能得出如弦理论这般宏大的推论,也没有成功地建立起任何关于自然的模型。此外,我们越是了解弦理论,它就显得越复杂,许多早期对其普适性的期待都明显过于乐观了。

大自然有可能正如费曼曾推测的那样,像一颗洋葱,有着一层一层的结构。每当我们回头看过去的层级,就会发现那些现存的美丽理论被一个崭新的、更大的框架所囊括。所以,永远有新的物理学等着我们去发现,也许永远不存在一个终极的、在任何空间和时间尺度上都适用且不需要任何修正的统一理论。

哪条路才是真正通往实在的那条路?这个问题留给大家来探讨。如果我们知道探索新事物的正确路径,那它就不能被称为探索了。也许我自己的偏好是建立在物理学家还会是个安全的职业的错误希望上呢!但是,我也很喜欢那种永远有谜题等待揭开的可能性。因为没有谜题的生活相当无聊,不管在什么尺度上都一样。

Lawrence M. Krauss是一名理论物理学家和宇宙学家,亚利桑那州立大学起源项目主管,地球空间探索学院客座教授。他也是许多畅销书的作者,包括《无中生有的宇宙》和《星际迷航中的科学》等。(可链接《一颗原子的时空之旅》书评)

本文选自Nautilus,机器之心编译出品,参与成员:Fm018-庞、王小宁、柒柒、电子羊、汪汪、小二 。

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