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導(dǎo)語(yǔ) 科學(xué)家尋求對(duì)現(xiàn)實(shí)的單一描述,，但現(xiàn)代物理學(xué)卻允許很多不同的描述,，而且其中許多描述是“異曲同工”的,，它們互相通過(guò)數(shù)學(xué)可能性的廣闊圖景連接起來(lái)。
假設(shè) A 和 B 都被要求準(zhǔn)備一道菜,， A 喜歡中餐,，B 喜歡意大利餐（美國(guó)人覺(jué)得兩個(gè)菜系差不多）。讓他們分別挑選自己最喜愛(ài)的配方,，購(gòu)買食材,，然后照說(shuō)明去做。但是當(dāng)他們將盤(pán)子從烤箱里拿出來(lái)時(shí),，兩人都大吃一驚,，這兩道菜竟然是完全一樣的。我們可以想象 A 和 B 必然會(huì)開(kāi)始“人生三問(wèn)”：不同的配料怎么會(huì)做出同樣的菜呢,？烹飪中國(guó)菜或意大利菜到底意味著什么,？他們準(zhǔn)備食物的方法是錯(cuò)誤的嗎,？ 這正是量子物理學(xué)家所經(jīng)歷的困惑。他們發(fā)現(xiàn),，對(duì)于同一個(gè)物理系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)有兩種完全不同的描述,。只不過(guò)在物理學(xué)中，配料不是肉類與醬料,，而是粒子和作用力,；食譜是描述相互作用的數(shù)學(xué)公式；烹飪過(guò)程是量子化過(guò)程,，它將數(shù)學(xué)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)家感到驚奇的是,，不同的方法何以會(huì)導(dǎo)致相同的結(jié)果,。 1 物理常量是自然的嗎？ 自然在選擇它的基本定律時(shí)有什么選擇嗎,？對(duì)此愛(ài)因斯坦有一個(gè)著名的觀點(diǎn),，給定一些普遍原則，就會(huì)形成一種獨(dú)特的方式來(lái)構(gòu)建一個(gè)一致且運(yùn)轉(zhuǎn)良好的宇宙,。在愛(ài)因斯坦看來(lái),，如果我們對(duì)物理學(xué)的本質(zhì)探索得足夠深，那就會(huì)有且只有一種方式使得所有的成分——物質(zhì),、輻射、力,、空間與時(shí)間——組合成運(yùn)行良好的世界,，這就像一個(gè)機(jī)械鐘的齒輪、彈簧,、表盤(pán)獨(dú)特地結(jié)合在一起,，保持對(duì)時(shí)間的精確記錄一樣。 目前的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型事實(shí)上正是一個(gè)只包含少量成分緊密關(guān)聯(lián)的系統(tǒng),。然而,，宇宙似乎并不是獨(dú)特的，而是無(wú)數(shù)個(gè)可能世界中的一個(gè),。我們也不知道為什么'粒子和力'的這種特殊組合構(gòu)成了自然世界的基石,。為什么夸克有六種“風(fēng)味”，中微子有三“代”,，希格斯粒子只有一種,？此外，標(biāo)準(zhǔn)模型包含19個(gè)物理常量,，比如電子的質(zhì)量,、電子的電荷量之類的物理量,，這些物理常量必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量。這些“自由參數(shù)”的值似乎沒(méi)有任何更深刻的含義,。一方面,，粒子物理學(xué)是優(yōu)雅的奇跡；另一方面,，它敘述了一個(gè)“本就如此”的故事,。 2012年,，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)27公里長(zhǎng)的圓形隧道中,，粒子相互碰撞產(chǎn)生了希格斯玻色子 如果我們的世界只是眾多世界中的一個(gè)，那么我們?cè)撊绾螌?duì)待其他的選項(xiàng)呢,？愛(ài)因斯坦想象的是一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的宇宙,，但是目前的研究與這個(gè)觀點(diǎn)去之甚遠(yuǎn)。現(xiàn)代物理學(xué)家擁抱物理廣闊的可能性空間,，并試圖理解它包羅萬(wàn)象的邏輯和相互聯(lián)系,。他們從最開(kāi)始物理規(guī)律的淘金者變成了地理和地質(zhì)學(xué)家，對(duì)物理規(guī)律的世界進(jìn)行詳細(xì)測(cè)繪,，并研究塑造這種地貌的作用力,。 2 弦理論（string theory）的廣闊空間 然而，弦理論（string theory）使這種觀點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)變,。目前看來(lái),，弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時(shí)遵循量子力學(xué)與相對(duì)論的嚴(yán)格邏輯規(guī)則的唯一可行的候選自然理論,。好消息是,，弦理論沒(méi)有自由參數(shù)，它不是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的表盤(pán),。要問(wèn)哪個(gè)弦理論描述了我們的宇宙是沒(méi)有意義的,，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)弦理論。不存在任何自由參數(shù)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)震撼的結(jié)論,，那就是自然界中所有的數(shù)字都要由物理學(xué)本身來(lái)確定,。它們不是“物理常量”，而是由方程（也許是非常復(fù)雜的方程）確定的變量,。 而這也帶來(lái)了壞消息,。弦理論的解空間巨大而復(fù)雜。這在物理學(xué)中并不罕見(jiàn),。按照傳統(tǒng),，我們會(huì)把數(shù)學(xué)方程描述的基本定律和這些方程的解做區(qū)分，因?yàn)橥ǔＶ挥袔讉€(gè)定律,，但有無(wú)數(shù)的解,。以牛頓定律為例,，它簡(jiǎn)潔優(yōu)雅，卻能描述從墜落的蘋(píng)果到月球軌道廣泛的現(xiàn)象,。如果知道一個(gè)特定系統(tǒng)的初始條件,，這些定律能夠解出方程，并預(yù)測(cè)接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么,。我們不期望,，也不需要一個(gè)能夠描述一切的先驗(yàn)唯一解。 在弦理論中,，通常會(huì)將一些物理特征看作自然定律,，比如特定的粒子和力，事實(shí)上這些定律是一些高維定律的解,。它們由隱藏的額外維度的形狀和大小決定,。所有這些解，它們構(gòu)成的空間通常被稱為“圖景（landscape）”,，但這是一種輕率的輕描淡寫(xiě),，與這個(gè)空間的廣闊相比，即使是最令人敬畏的山脈景觀也會(huì)黯然失色,。雖然對(duì)它的地理脈絡(luò)知之甚少,，但我們知道，它有著規(guī)模巨大的領(lǐng)土,。 弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時(shí)遵循量子力學(xué)與相對(duì)論的嚴(yán)格邏輯規(guī)則的唯一可行的候選自然理論,。 一個(gè)最引人注意的特點(diǎn)是,，可能這片土地上所有東西都是相互連接的，也就是說(shuō),，任意兩個(gè)模型之間都有一條完整的連接路徑。如果宇宙能足夠程度上被震動(dòng),，我們將能夠從一個(gè)可能的世界移動(dòng)到另一個(gè),，改變那些被認(rèn)為是不可改變的自然定律，改變構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的基本粒子的特殊組合,。 3 探索廣闊圖景 但對(duì)于那些動(dòng)輒具有數(shù)百個(gè)維度的宇宙物理模型,，要如何探索它們的廣闊圖景呢？一個(gè)很有幫助的辦法是,，將這片圖景想象成很大程度上未被開(kāi)發(fā)的荒野,，它的大部分隱藏在層層難以處理的復(fù)雜性下面。只有在最邊緣處,，才發(fā)現(xiàn)了一些適合居住的地方,。在這些偏僻的前哨點(diǎn),，生活簡(jiǎn)單而美好，我們找到了自己完全理解的基本模型,。它們對(duì)于描述真實(shí)世界幾乎沒(méi)有什么價(jià)值,，卻可以成為探索周圍區(qū)域的方便起點(diǎn)。 量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論就是一個(gè)很好的例子,，它描述的是物質(zhì)和光之間的相互作用,。這個(gè)模型只有一個(gè)參數(shù)，也就是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α,，它的數(shù)值接近1/137,，衡量?jī)蓚€(gè)電子之間力的強(qiáng)度。 量子電動(dòng)力學(xué)描述的是物質(zhì)和光之間的相互作用,。 在量子電動(dòng)力學(xué)中，所有過(guò)程都可以看作是由基本的相互作用產(chǎn)生的,。例如,，兩個(gè)電子之間的斥力可以看作是光子的交換。量子電動(dòng)力學(xué)要求我們考慮兩個(gè)電子彼此交換一個(gè)光子的所有可能方式,，在實(shí)踐中這意味著物理學(xué)家必須解決一個(gè)極其復(fù)雜的無(wú)限求和問(wèn)題,。但這個(gè)理論也提供了一條出路：每個(gè)額外的光子交換會(huì)增加包含α升高一個(gè)指數(shù)的項(xiàng)。因?yàn)檫@是一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)字,，具有多個(gè)光子交換的項(xiàng)只會(huì)起到很小的作用,，在尋找“真實(shí)”值的近似中可以忽略它們。 在整個(gè)圖景的前哨點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了這些弱耦合理論,。在這里,，其他因素的影響強(qiáng)度很小，討論基本粒子的列表以及計(jì)算它們相互作用力是有意義的,。但是,，如果離開(kāi)這里，更深入地進(jìn)入荒野,，那么耦合就會(huì)變得更強(qiáng),，每一個(gè)額外的展開(kāi)項(xiàng)都會(huì)變得更加重要，我們不再能區(qū)分單個(gè)粒子,，相反,，它們會(huì)溶解成一個(gè)糾纏的能量網(wǎng)，就像熱烤箱中的蛋糕一樣,。 然而,，并不是所有以往的規(guī)律都不復(fù)存在。有時(shí)，穿越黑暗荒野的道路會(huì)終結(jié)于另一個(gè)前哨點(diǎn),，也就是另一個(gè)控制良好的模型中,，只不過(guò)這個(gè)模型由完全不同的粒子和力組成。在這種情況下,，就像 A 和 B 的菜一樣,，同一個(gè)底層物理規(guī)律，有兩種不同的描述方法,。這些互補(bǔ)的描述被稱為對(duì)偶模型（dual model）,，它們之間的關(guān)系是對(duì)偶的。我們可以將對(duì)偶關(guān)系看成海森堡發(fā)現(xiàn)的波粒二象性的一個(gè)巨大的外推,。對(duì)于 A 和 B 來(lái)說(shuō),，這就像是是中國(guó)菜和意大利菜的食譜之間的翻譯，只不過(guò)是用兩套不同的描述來(lái)形容同一種食物,。 對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō),，為什么這如此令人興奮呢？現(xiàn)代量子物理學(xué)最令人震驚的一個(gè)結(jié)論是：許多模型是一個(gè)巨大且相互連接的空間的一部分,。這是一種視角的轉(zhuǎn)變,，足以被稱為“范式轉(zhuǎn)移（paradigm shift）”。它告訴我們,，發(fā)現(xiàn)的不是由單個(gè)島嶼組成的群島,，而是一塊巨大的大陸。從某種意義上說(shuō),，通過(guò)足夠深入地研究一個(gè)模型,，就可以研究所有的模型。我們可以探究這些模型之間是如何聯(lián)系的,，并闡明它們的共同結(jié)構(gòu),。 需要強(qiáng)調(diào)的是，這種現(xiàn)象與弦理論是否描述真實(shí)世界的問(wèn)題在很大程度上是無(wú)關(guān)的,。它是量子物理學(xué)的固有屬性,，而無(wú)論未來(lái)的“萬(wàn)物理論”會(huì)是什么樣子，這種現(xiàn)象依舊存在,。 為了尋求對(duì)所有自然現(xiàn)象的統(tǒng)一、連貫的描述,，即一個(gè)'萬(wàn)物理論'，物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了連接越來(lái)越多不同現(xiàn)象的主要線索,。
一個(gè)更引人注目的結(jié)論是,，基礎(chǔ)物理學(xué)的所有傳統(tǒng)描述都必須被拋棄。粒子、場(chǎng),、力,、對(duì)稱——它們都不過(guò)是在復(fù)雜圖景邊緣上的人為描述。構(gòu)建簡(jiǎn)單模塊來(lái)思考物理學(xué)似乎是錯(cuò)誤的,，或者至少是受限的,。也許存在一種全新的框架，能夠?qū)⒆匀坏幕径山y(tǒng)一起來(lái),，并拋棄掉所有熟悉的概念,。 對(duì)于這種激動(dòng)人心的觀點(diǎn)而言，弦理論的數(shù)學(xué)復(fù)雜性和一致性是一個(gè)強(qiáng)大的動(dòng)力,。但我們必須重視現(xiàn)實(shí),。用玻爾（Niels Bohr）的話來(lái)說(shuō)就是，目前關(guān)于取代粒子和場(chǎng)的想法幾乎沒(méi)有哪個(gè)“瘋狂到足以成為現(xiàn)實(shí)”,。就像 A 和 B 一樣,，物理學(xué)已經(jīng)準(zhǔn)備好拋棄舊的食譜，擁抱一種現(xiàn)代的融合烹飪,。
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