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导读

我们似乎正处于一个新物理学的黎明前夜。

现有的大统一理论统一了除引力之外的三种相互作用。还有一个理论尝试用纠缠的量子信息统一三种相互作用和所有物质基本粒子。物理学家一直也在追寻引力和其他基本相互作用的统一,这些顶尖的大脑提出了许多有见地的理论。特别是超弦理论被寄予厚望,因其超对称性有被实验证实的可能,但至今最强大的对撞机并未能给出结果。因此,其他试图统一的理论跃跃欲试——我们似乎正处于一个新物理学的黎明前夜。

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撰文 |Leah James

翻译 | 夏梦婵、张一

——再见,小苏西[1]

有句睿智的谚语说,不要把所有的鸡蛋放在一个篮子里。然而,近几十年来,物理学家们却未能遵循这一智慧。20世纪,乃至之前的19世纪,是物理学家的辉煌时期。他们转变了人们对物质世界的理解,从而改变了人们改造周围世界的能力。没有物理学家在这两个世纪里所获得的知识,就没有现代文明的存在。

世界馈赠他们昂贵的玩具作为奖励。大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)是其中最新的一个:它耗资60亿美元,坐落在日内瓦附近一条周长27公里的隧道内,于2008年投入使用。它很快发现了一种早就被预言到的基本粒子——希格斯玻色子(Higgs boson),这是上世纪60年代理论计算的遗留。随后LHC开始了其真正的目的:寻找一种叫作超对称(Supersymmetry)的现象。

这一简称“Susy”的理论提出于20世纪70年代,它是一个包罗万象的篮子,直到最近,粒子物理学的鸡蛋才都被放入其中。就其本身而言,它本该消除所谓粒子物理学的标准模型(Standard Model)正常工作所需的许多任意的数学假设。但它也是一个更深层次的假设——弦理论(string theory,引入超对称性后一般称为超弦理论)的先锋部队,弦理论旨在将标准模型与爱因斯坦的广义相对论结合起来。爱因斯坦的理论解释了引力,而标准模型解释了其他三种基本力——电磁力、弱力和强核力——及相关粒子。两者都很好地描述了各自领域的实在,但它们并没有联系在一起。弦理论将它们联系起来,从而提供了所谓的“万物理论”(theory of everything)。

超弦驱动万物

超弦理论认为宇宙是由极小的物体组成的,它们以乐器琴弦的方式振动。类似这些琴弦,它们也具有共振频率和谐波。超弦理论家认为,这些不同的振动模式对应于不同的基本粒子。这些粒子包括所有已被观测到的,作为标准模型涵盖的的粒子,以及Susy预测出的更多粒子。Susy假设,如果标准模型的每个粒子都存在一个更重的“超对称”伙伴粒子或“超(对称)粒子”(sparticle,译者注:后统一记为“超粒子”),加上被称为引力子(graviton)的粒子,那么就可以消除标准模型数学上的脆弱性。其中引力子是将引力纳入任何统一理论所必需的粒子,但它不是相对论预言的。

然而,没有Susy就没有弦论。而且,在LHC启用13年后,还没有出现任何超粒子。甚至今年早些时候公布的两个尚未得到解释的结果中(一个来自LHC,另一个来自较小的对撞机),也没有提供直接支持Susy的证据。因此,许多物理学家担心,他们一直在白费力气。

他们有充分的理由感到焦虑。超弦理论已经在观念上被贴上了令人不安的标签——那就是在众所周知的四维(三个空间维度和一个时间维度)之上,为宇宙额外增加了六个维度(在某个版本中增加了七个);它描述了大约10^500个可能的宇宙,其中只有一个与人类生活的宇宙相匹配。接受这一切已经足具挑战性了。然而,如果没有Susy,弦论就会彻底疯狂——维数将爆增到26个。理论也失去了描述大部分标准模型粒子的能力。这意味着存在着一些奇怪的东西,比如被称为快子(tachyon)的(超光速)粒子,它们的运动速度比光还快,因此与相对论不相容。如果没有Susy,弦论作为一种万物理论看起来几乎是死定了。如是就为非弦论的万物理论扫清了障碍。

必须承认,许多非弦论理论的名字对英语来说确实是一种折磨。它们包括“因果动力学三角剖分”(causal dynamical triangulation)、“渐近安全引力”(asymptotically safe gravity)、“圈量子引力(loop quantum gravity)和“量子理论的概率幅多面体形式[2]”(amplituhedron formulation of quantum theory)。但目前博彩公司最喜欢的统一相对论和标准模型的是一种叫作“熵引力”(entropic gravity)的东西。

怪物藏其内

熵是衡量一个系统无序程度的指标。众所周知,热力学第二定律断言熵随时间增加(即,事物有随着时间推移而变得更混乱的趋势)。这与引力理论的关系也许还不甚明显,更别说万物理论。但两者间的联系是黑洞。黑洞具有强大的引力场,甚至光线都无法从中逃逸。它们由广义相对论所预言,尽管爱因斯坦在1955年去世前一直对它们的真实存在持怀疑态度,但随后的观测表明它们确实存在。而且,它们并不“黑”。

1974年,剑桥大学的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明,黑洞边界的量子效应允许黑洞辐射粒子——特别是光子,它们是包括光在内的电磁辐射的粒子。这会产生不寻常的后果。光子携带辐射热,所以发射它们的东西是有温度的。根据其温度和质量,有可能计算出黑洞的熵。这很重要,因为当所有这些变量都被代入热力学第一定律,即能量既不能被创造也不能被破坏,只能从一种形式(比如热)转化为另一种形式(比如机械功),那么就能推出爱因斯坦的广义相对论方程。

阿姆斯特丹大学的埃里克·维林德 (Erik Verlinde) 在2010年发现了这种关系。这有重大意义。热力学定律依赖于统计力学。它们涉及的属性(温度、熵等)涌现自对相关的底层粒子行为的概率描述。这些也是量子力学所描述的粒子,量子力学是支撑标准模型的数学理论。爱因斯坦方程能以热力学方式重新表述,这意味着空间和时间也是从更深层的微观图景涌现出的属性。因此,量子力学和相对论的现有形式原则上似乎都可以从描述宇宙底层结构的更深层次理论中推导出来。

但弦论不是这样导出的,超弦还不是那么基础的实体。但熵引力声称描述了空间和时间,或借用爱因斯坦的术语——“时空” (spacetime)——的本性。它声称这是由连接宇宙中每个粒子的“量子纠缠” (quantum entanglement) 细丝编织而成的。

量子纠缠的思想——又一被爱因斯坦嗤之以鼻却被证明正确的现象——可以追溯到1935年。它是两个或更多以某种方式相互关联(“纠缠”)的物体的属性,这意味着它们不能被独立描述。这会造成奇怪的效应。特别是,两个缠缠的粒子即使相距很远,也会在瞬间影响彼此的行为。爱因斯坦将这种行为称为“鬼魅的超距作用” (spooky action at a distance),因为它似乎违反了相对论的前提,即宇宙有一个速度极限——光速。

和黑洞一样,爱因斯坦未能看到自己被证明是错的那一天。不过实验的确表明他错了。纠缠是真实的,并不违反相对论,因为尽管一个粒子对另一个粒子的影响是瞬时的,但无法利用这种效应以比光速更快的速度传递信息。而在过去五年中,哈佛大学的布莱恩·斯温格尔 (Brian Swingle) 和加州理工学院的肖恩·卡罗尔 (Sean Carroll) 已经开始利用量子信息理论的思想,构造维林德博士的想法在实际中可能的模型。他们的方法是利用量子信息比特(所谓的“量子比特”,qubit)来代替纠缠粒子。其结果是一个简单但信息丰富的时空类似物。

量子比特,即经典比特的量子等价物——常规计算所基于的1和0——对量子计算领域的研究者来说非常熟悉。它们是量子信息理论的基础。量子比特有两个区别于常规比特的属性。首先,可以将它们置于“叠加”状态,同时表示1和0。第二,几个量子比特可以纠缠在一起。这些特性使量子计算机能够同时完成多项计算,或在合理的时间内完成对于普通计算机来说困难甚至是不可能完成的某些特定的计算。

根据斯温格尔和卡罗尔的说法,由于量子比特的纠缠,它们也可以被用作现实如何运作的替身。量子比特纠缠的越紧密,代表时空中相应点上的粒子距离越近。到目前为止,量子计算机尚在研究中,这种建模只能通过量子比特的数学表示来完成。不过,它们似乎遵循广义相对论方程。这支持了熵引力理论的主张。

“富贵险中求”

所有这些模型都使熵引力处于有利地位,取代弦论成为人们长期追求的万物理论。但是,认为“时空是宇宙的一种涌现 (emergent) 属性,而非其基本属性”的观点有一个令人不安的后果。它模糊了因果关系(causality)的本质。

在熵引力形成的图景中,时空是多个状态的叠加。正是这一点模糊了因果关系。最能描述时空的数学分支是一种几何形式,它有四个互成直角的轴,而不是我们更熟悉的三个轴。第四个轴代表时间,因此,就像物体的位置一样,时空中事件的顺序由几何决定。如果如熵引力所要求的那样,不同的几何排列叠加起来,那么有时会出现“A导致B”和“B导致A”的说法都正确的情况。

这不仅仅是猜测。在2016年,英国布里斯托大学的朱利亚·鲁比诺 (Giulia Rubino) 构造了一个涉及极化光子和棱镜的实验,精准地实现了这一情形。这对那些持有守旧的因果性本质观念的人带来了麻烦。

然而,加拿大圆周物理研究所的卢西恩·哈代 (Lucien Hardy) 发现了一种方法,可以重新表述量子力学定律,从而克服这一困难。在他看来,人们普遍认为的因果关系就像计算中的数据压缩:这是一个物超所值的概念,只要有一点关于现在的信息,因果关系就可以推断出很多关于未来的信息——压缩了及时捕获物理系统细节所需的信息量。

但哈代博士认为,因果关系可能不是描述这种相关性的唯一方式。相反,他发明了一种从头开始建立关联模式描述的通用方法。他称之为“类因果框架”(the causaloid framework)的方法倾向于再现因果关系,但并不假设因果关系。他用这种方法重新表述了量子理论(2005年)和广义相对论(2016年)。类因果数学并不是一种万物理论。但是有一个很好的机会,如果这样一个理论被发现,很有可能需要类因果原理 (causaloid principle) 来描述它,正如广义相对论需要一种四维几何来描述时空一样。

概率幅调制

因此,熵引力有很多繁重的概念性工作来支持它。但它并不是取代弦论的唯一候选者。其他争相引起关注的,还有一个被称为圈量子引力的老对手,最初由其时在匹兹堡大学的卡罗·罗威利 (Carlo Rovelli) 和圆周研究所的李·斯莫林(Lee Smolin) 在1994年提出。这一理论,以及因果动力学三角剖分——一个更晚但类似的思想——表示时空不是广义相对论所断言的平滑结构,而是具有基本的圈(loop)或三角形的结构,这取决于你支持哪一种。

第三种选择——渐近安全引力——可以追溯到更远的1976年,由标准模型的主要设计师之一斯蒂文·温伯格 (Steven Weinberg) 提出。发展量子引力理论的一个自然方式是在模型中加入引力子。不幸的是,这种方法行不通,因为当以更高的能量计算这些假定粒子的相互作用时,数学似乎变得毫无意义。然而,温伯格(他于今年7月去世)认为,如果使用足够强大的计算机进行计算,这种明显的崩溃将消失(用数学的话说,计算将是“渐近安全的”)。而且,随着最近这种能力的超级计算机的出现,从早期的结果来看,他似乎是对的。

可是,熵引力最有趣的竞争对手之一是量子理论的概率幅多面体 (amplituhedron) 形式。这是在2013年由普林斯顿高等研究所的尼玛·阿卡尼-哈米德 (Nima Arkani Hamed) 和加州大学戴维斯分校的雅罗斯拉夫·特恩卡 (Jaroslav Trnka) 提出的。他们发现了一类被称为概率幅多面体的几何结构,每一种结构都编码了可能的量子相互作用的细节。反过来,这些是“主”概率幅多面体的面,它编码了每一种可能的物理过程。因此,用概率幅多面体来重新表述所有的量子理论成为可能。

大多数关于万物理论的尝试都试图将引力融入量子理论,爱因斯坦通过几何学描述引力,但量子理论并不以同样方式依赖于几何。概率幅多面体方法正好相反,它主张量子理论实际上深植于几何。更妙的是,概率幅多面体并不是建立在时空的概念上,甚至也不是统计力学的基础上。相反,这些观念是自然而然地从中涌现出来的。因此,尽管概率幅多面体方法尚未提供完整的量子引力理论,但它开辟了一条可能通向量子引力的有趣道路。

空间、时间甚至因果关系都是涌现出来的,而非宇宙基本属性,这是一种激进的思想,但恰是关键。20世纪的物理学革命——广义相对论和量子力学——之所以被视为意义深远,正是因为它们颠覆了常识。接受相对论意味着放弃时间和空间的普遍概念,认真对待量子力学意味着适应纠缠和叠加等观念。拥抱熵引力或其替代者将需要类似想象力的飞跃。

然而,没有数据,任何理论都一文不值。毕竟,这就是超对称性的困境所在。鲁比诺博士那样的工作指明了道路,粒子物理实验室外的一些东西也会受到欢迎。而且,尽管它们的含义并不明确,但在过去几个月里,人们确实看到了两个实验导致标准模型出现裂痕。

(今年)3月23日,运行LHC的欧洲核子研究中心(CERN)的一个研究小组报告说,电子和它们更重的表亲μ子 (muon) 之间的行为出现了意想不到的差异。两种粒子彼此之间除质量不同外,没有已知的性质的不同。标准模型预言,当其他粒子衰变为它们时,两者数量应相等。但这似乎不是真的。LHC的中期结果表明,一种称为B介子 (B-meson) 的粒子更可能衰变为电子而非μ子。这表明标准模型中缺少一种未知的基本力。在其后的4月7日,美国最大的粒子物理设施,费米国家实验室宣布了自己的μ子实验——μ子g-2的中期结果。

在量子世界里,并没有完美的真空——在时空中的任何地方,粒子的泡沫都会不断地产生和湮灭。这些是“虚的” (virtual) 而非“真实的”(real)粒子——也就是说,它们是直接从量子不确定性中诞生的转瞬即逝的涨落 (fluctuation)。虽然它们的寿命很短,但在它们存在的刹那,仍然可以与更持久的物质相互作用。例如,它们是霍金预言的黑洞辐射源。

标准模型预言了它们与相对黑洞来说更为常规的物质的相互作用强度。为了检验这些预言,μ子g-2实验将μ子发射进一个强大的超导磁储存环内。量子泡沫改变了μ子颤动的方式,探测器能以难以置信的精度检测到。μ子g-2实验表明,引起这些颤动的相互作用比标准模型预言的稍强。如果得到确认,这将意味着标准模型缺少一个或多个基本粒子。

破 晓

这些(粒子)是缺失的超粒子的可能性很小。如果真是超粒子,超对称的支持者将会笑到最后。但没有任何证据指向这一方向,并且迄今为止,他们未能使自己的观点站得住脚,因此明智地保持了缄默。

无论造成这两个结果的原因是什么,它们表明确实存在一些现有解释无法说明的东西。同样无法解释的异常现象是量子理论和相对论的起点。所以,物理学上最长的一个黑夜,看起来很有可能即将迎来一个新的黎明。

注释

[1] 题中“Susy”语意双关,借人名代指超对称(SUSY)理论。

[2] 振幅多面体是2013年Arkani-Hamed和Trnka引入的,人们猜测它的几何结构决定了特定类型量子场论中的散射振幅。参见:N. Arkani-Hamed and J. Trnka, The Amplituhedron, arxiv.org/abs/1312.2007

本文原标题:Physics seeks the future

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