科里·S.鮑威爾+晨飛

這是最大的問題，也是最小的問題。

目前，物理學(xué)家有兩本獨立的規(guī)則手冊，解釋大自然如何運作。廣義相對論巧妙地說明了重力及其主導(dǎo)的所有事物：軌道行星，相撞的星系，整個宇宙不斷膨脹的動態(tài)。這個大。還有量子力學(xué)，它應(yīng)對另外三種力—電磁和兩種核力。量子理論非常擅長描述當(dāng)鈾原子衰變或當(dāng)單個光粒子撞擊太陽能電池時會發(fā)生什么。這個小。

現(xiàn)在的問題是：相對論和量子力學(xué)是根本不同的理論，它們有不同的規(guī)則。這不僅僅是科學(xué)術(shù)語的問題，而是真正不相容的現(xiàn)實描述之間的沖突。

物理學(xué)兩個部分之間的這種沖突一直在醞釀，已有100多年。這是由愛因斯坦1905年的兩篇論文引發(fā)的，一篇概括相對論，另一篇介紹量子。但是，最近它已經(jīng)進入一個有趣的、不可預(yù)測的新階段。兩位著名的物理學(xué)家在他們的陣營中圈定了極端位置，做了一些實驗，最終可以確定哪種方法至關(guān)重要。

像素是屏幕圖像的最小單位，所以可能有一個不可再分的最小距離單位：空間量子。

你基本上可以將相對論和量子系統(tǒng)之間的區(qū)分用“平滑”與“團塊”來形容。在廣義相對論中，事件是連續(xù)的、確定的，這意味著每個因都符合具體的、局部的果。在量子力學(xué)中，由亞原子粒子的相互作用產(chǎn)生的事件呈跳躍型（是的，是量子跳躍），其結(jié)果具有或然性而不是確定性。量子規(guī)則允許經(jīng)典物理學(xué)禁止的連接。這在最近進行的一個討論得很多的實驗中得到證實。在這次實驗中，荷蘭研究人員一反常規(guī)，無視局部效應(yīng)。實驗顯示：兩個粒子（這里是兩個電子），即使它們相距1.6千米，也可以瞬間相互影響。如果用團塊的量子風(fēng)格來解釋平滑的相對論規(guī)律，或者用平滑的量子風(fēng)格來解釋團塊的相對論規(guī)律，事情會非常糟糕。

當(dāng)您嘗試將其縮小到量子大小時，相對性給出無意義的答案，最終在其重力描述中下降到無限值。同樣，量子力學(xué)在將其擴充到宇宙尺度時會遇到嚴重的麻煩。量子場攜帶一定的能量，即使在看似空的空間中，場越大能量也越大。愛因斯坦認為，能量和質(zhì)量是等價的（即e=mc2），所以堆積能量就像堆積質(zhì)量一樣。大到一定程度，量子領(lǐng)域中的能量變得非常大，因而產(chǎn)生一個黑洞，導(dǎo)致宇宙自身折疊。哎喲！

芝加哥大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、費米國立加速器實驗室粒子天體物理中心主任克雷格·霍根正在用一種新理論重新解釋量子，其中空間本身的量子單位可能大到足以直接研究。同時，加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究院的創(chuàng)始人之一李·斯莫林正在試著通過回到愛因斯坦的哲學(xué)根基向前推進物理學(xué)，并將其調(diào)整到一個激動人心的方向。

要想了解什么處于險境，就得回頭看先例。愛因斯坦公布廣義相對論時，它不僅取代了牛頓的重力理論，而且還釋放出一種新的物理觀念，引發(fā)了大爆炸和黑洞的現(xiàn)代概念，更不用說還有原子彈和手機GPS必需的時間調(diào)整。同樣，量子力學(xué)也不僅僅是重新編寫了詹姆斯·克萊斯·麥克斯韋的電、磁和光的教科書方程，它為大型強子對撞機、太陽能電池和所有現(xiàn)代微電子學(xué)提供了概念性工具。

從此，騷動中出現(xiàn)的可以算得上是現(xiàn)代物理學(xué)的第三次革命，具有驚人的影響意義。當(dāng)每一個事件都與其原因有確定性聯(lián)系時，我們就可能知道自然法則來自哪里、宇宙是建立在不確定性上還是從根本上來說是決定性的。

團塊宇宙

霍根，量子觀的冠軍，就是你所說的燈柱物理學(xué)家：他不在黑暗中摸索，而更喜歡把重點放在光線明亮的地方，因為在那里你最有可能看到有趣的東西，這是他目前研究工作的指導(dǎo)原則。他指出，當(dāng)你嘗試分析極短距離內(nèi)的重力作用時，相對論和量子力學(xué)之間的沖突就會發(fā)生，所以他已經(jīng)決定要好好看看正在發(fā)生的事情。他說：“我認為有一個我們可以做的實驗，可能會看到發(fā)生了什么，看到我們?nèi)匀徊幻靼椎慕缑?。?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/06/fdts201709fdts20170918-1-l.jpg" style="">

愛因斯坦物理學(xué)中的一個基本假設(shè)一直可以上溯到亞里士多德，即：空間是連續(xù)的、無限可分的，所以任何距離都可以被切分成更小的距離。但霍根質(zhì)疑是否真的如此。就像一個像素是屏幕上圖像的最小單位，光子是最小的光單位，所以可能有一個不可切分的最小的距離單位：空間量子。

在霍根的這種觀點中，詢問重力在小于單個空間的距離處的行為是無意義的。沒有辦法讓重力在最小尺度上起作用，因為不存在這樣的尺度?；蛘邠Q句話說，廣義相對論將被迫跟量子物理學(xué)講和，因為物理學(xué)家測量相對性的影響的空間本身將被分解成不可分的量子單位。重力作用的現(xiàn)實劇場將發(fā)生在量子舞臺上。

霍根承認，他的概念聽起來有點奇怪，即使對研究量子的很多同事來說也是奇怪的。自20世紀60年代后期以來，一群物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家一直在研究一種被稱為弦理論的框架，以幫助調(diào)和廣義相對論與量子力學(xué)。多年來，盡管它沒有履行大部分的早期承諾，但是已經(jīng)演變成默認的主流理論。像團塊空間解決方案一樣，弦理論假定了空間的基本結(jié)構(gòu)，但是從這個點開始，兩家分道揚鑣：弦理論認為宇宙中的每一個物體都是振動的能量弦。像團塊空間一樣，弦理論通過向宇宙引入有限的最小尺度來避免重力災(zāi)難，盡管單位弦甚至比霍根試圖找到的空間結(jié)構(gòu)大得多。

團塊空間并不完全符合弦理論中的想法，也不符合任何其他的物理模型?；舾f：“這是一個新的想法。這不在教科書里，不是對任何標(biāo)準(zhǔn)理論的預(yù)測——但不是還沒有任何標(biāo)準(zhǔn)的理論嗎？”聽起來好像滿不在乎的樣子。

如果團塊空間觀正確的話，那么這將廢掉弦理論現(xiàn)有的大量公式，并激發(fā)出一種新的方法，用量子的方式訂正廣義相對論。這將暗示新的方法可用來了解空間和時間的固有本質(zhì)。最奇怪的是，也許這將增強一個傲慢的觀念，即我們看似三維的現(xiàn)實是由更基本的二維單位組成?；舾鶎Α跋袼亍北扔骱苷J真：正如電視圖片可以從一堆平面像素中創(chuàng)造出立體感，空間本身也可能從一整套二維的元素中出現(xiàn)。

霍根的思想像今天理論物理學(xué)最邊緣的許多想法一樣，聽起來像是新生宿舍里熬夜時的那些猜想一樣。唯一的不同是，他計劃對自己的想法進行實驗測試，就像他現(xiàn)在做的那樣。

2007年，霍根開始考慮如何建立一個可以測量極其細微的粒狀空間的設(shè)備。事實證明，他的同事對如何做到這一點有很多想法，比如利用搜索引力波開發(fā)的技術(shù)?；舾昧藘赡陼r間提出一項建議，并與芝加哥大學(xué)費米實驗室以及其他機構(gòu)合作建立了一個團塊檢測機，并給它取了一個優(yōu)雅的名稱：全息儀。（這個名字是一個難懂的雙關(guān)語，參考了1 7世紀的測量儀器和二維空間可能出現(xiàn)三維的理論，類似于全息圖。）

在其概念復(fù)雜性的層面之下，全息儀在技術(shù)上跟激光束差不多，一面半反射鏡將激光分成兩個垂直光束，另外兩個反射鏡將這些光束沿著一對40米長的隧道彈回。校準(zhǔn)光束以確定鏡子的精確位置。如果空間很大，鏡子的位置將不斷地漫游（嚴格來說，空間本身也在漫游），造成它們分離中不斷變化的隨機變化。當(dāng)兩個光束重新組合時，它們將略不同步，其差將顯示空間團塊的大小。

對于霍根希望找到的空間團塊尺寸，他需要將測量距離的精度保持在10-18米，是氫原子直徑的一億分之一，并以每秒大約1億個讀數(shù)的速度收集數(shù)據(jù)。令人驚訝的是，這樣的實驗不僅可能而且實用?；舾f：“由于光電子學(xué)的發(fā)展，我們的研究成本大大降低，因為有大量的現(xiàn)成零件，快速的電子產(chǎn)品和類似的東西。這是一個猜測成分很大的實驗，所以如果不便宜就不會做的?！比x目前正在全力運行，以目標(biāo)準(zhǔn)確度收集數(shù)據(jù)，預(yù)計2017年年底前會進行初步的解讀。

質(zhì)疑霍根的人也有的是，其中包括理論物理界的內(nèi)部人士。分歧的原因很容易理解：全息儀的成功將意味著弦理論大量工作的失敗。盡管有這種表面上的爭吵，霍根及其大多數(shù)搞理論的同事都深切地認為：他們基本上同意廣義相對論最終將從屬于量子力學(xué)。另外三個物理定律都遵循量子規(guī)則，所以重力也得這樣也是有道理的。

對今天的大多數(shù)理論家來說，相信量子力學(xué)的主導(dǎo)地位仍然有更深一層的意思。在哲學(xué)認識論層面上，他們認為古典物理學(xué)的大尺度現(xiàn)實是一種幻覺，這種幻覺源于量子世界在更小尺度上的更“真實”方面。團塊空間肯定符合這個世界觀。

霍根把他的項目比作19世紀的邁克爾森-莫利實驗，該實驗搜索了以太這個假設(shè)的空間物質(zhì)。根據(jù)當(dāng)時的主導(dǎo)理論，這種假想的物質(zhì)通過真空傳播光波。該實驗沒有任何發(fā)現(xiàn)。這個令人困惑的無效結(jié)果促生了愛因斯坦的狹義相對論，從而產(chǎn)生了廣義相對論，最終顛覆了整個物理學(xué)界。除了歷史連接之外，邁克爾森-莫利實驗還使用鏡子和分束光來測量空間的結(jié)構(gòu)，其設(shè)置與霍根的非常相似。

霍根說：“我們正在以這種精神做全息儀。我們沒有看到任何東西，或者看到某些東西，不管怎么樣都很有趣。做這種實驗的理由只是為了看我們能否找到一些指導(dǎo)理論的東西。你可以通過你那些搞理論的同事對這個想法做出的反應(yīng)來了解它們的構(gòu)成。有一個非常依賴數(shù)學(xué)來思考的世界。我希望有一個實驗結(jié)果，迫使人們把理論思維集中在一個不同的方向?！?/p>

無論是否能找到空間的量子結(jié)構(gòu)，霍根都相信，全息儀可以幫助物理學(xué)解決其“大—小”問題。這將揭示了解空間的基本量子結(jié)構(gòu)，及其如何影響穿流它的重力的相對規(guī)律的正確方式（或排除錯誤的方式）。

實實在在的大表演

如果你正在尋找完全不同的方向，那么就去找圓周理論研究院的斯莫林?；舾巧陨宰鲗?，斯莫林則是干脆反對：“理查德·費曼在我當(dāng)研究生時就告訴過我一件事情。他大概是這樣說的，‘如果你所有的同事都試圖說明一些事情是真實的，但沒能說服大家，那可能是因為這件事是不正確的。得了，弦理論已經(jīng)理論了四五十年，但是沒有明確的進展?！?/p>

這只是更廣泛批評的開始。斯莫林認為，小尺度的物理方法本質(zhì)上是不完整的。量子理論的當(dāng)前版本做了一個很好的工作，它解釋了個體粒子或小系統(tǒng)的粒子行為，但是沒有考慮到需要一個整體上的合理理論。它不解釋為什么現(xiàn)實是這樣的，而不是別的什么樣。在斯莫林的術(shù)語中，量子力學(xué)僅僅是“宇宙子系統(tǒng)的一個理論”。

他認為，更有成效的方法是將宇宙視為一個巨大的體系，并建立一種適用于整個體系的新型理論。而且，我們已經(jīng)有一個理論為這個方法提供了一個框架：廣義相對論。與量子框架不同，廣義相對論不允許外部觀察者或外部時鐘的位置，因為沒有“外部”，而是根據(jù)對象之間的關(guān)系和不同空間區(qū)域之間的關(guān)系來描述所有的現(xiàn)實，甚至像慣性這樣基礎(chǔ)的東西可以被認為與宇宙中其他每個粒子的引力場關(guān)聯(lián)。

最后一句話聽上去很怪，但值得暫停一下，仔細地想一想，它與1907年引導(dǎo)愛因斯坦產(chǎn)生這個想法的那個問題密切相關(guān)。如果宇宙完全是空的，只有兩個宇航員，那會怎么樣？其中一個在旋轉(zhuǎn)，另一個靜止不動。旋轉(zhuǎn)的人感到頭暈，好像在太空中推手推車一樣。但是哪一個在旋轉(zhuǎn)？不管從哪個宇航員的角度來說，另一個都是旋轉(zhuǎn)的。愛因斯坦認為，如果沒有任何外部參考，那就沒有辦法說出哪一個是正確的，無論誰也沒有理由感覺到另外一位感覺的不同效果。

只有當(dāng)您重新引入宇宙的其余部分時，兩位宇航員之間的區(qū)別才有意義。在廣義相對論的經(jīng)典解釋中，慣性之所以存在，就是因為你可以參照整個宇宙引力場對其進行測量。對于現(xiàn)實世界中的每一個東西，這種思想問題都是正確的：每個部分的行為都與其他部分的行為不可分割。如果你曾經(jīng)覺得自己想要成為一個偉大事物的一部分，那么你的這個物理學(xué)就學(xué)對了。斯莫林認為，要想知道所有規(guī)模的自然如何真正發(fā)揮作用，這也是一個有希望的方法。

他說：“廣義相對論不是對子系統(tǒng)的描述，而是把整個宇宙作為一個封閉的系統(tǒng)進行描述。”因此，當(dāng)物理學(xué)家試圖解決相對論和量子力學(xué)之間的沖突時，這似乎是一個聰明的策略：跟著愛因斯坦的思路走，能走多遠走多遠。

斯莫林敏銳地意識到，他正在推動著普遍的小尺度量子式思維。他快活地說：“我不是想找事，只是這事情只能這樣做。我的工作就是清楚地考慮這些困難的問題，拿出我的結(jié)論，然后讓塵埃落定。我希望人們能夠參與論證，但我真的希望這些觀點得出的預(yù)測能夠得到驗證?！?

乍一聽，斯莫林的想法像是具體實驗的一個很好的起點。他認為，宇宙所有部分都是跨越空間相互聯(lián)系的，它們也可能與時間相聯(lián)系。根據(jù)他的觀點，他假設(shè)物理定律在宇宙史上發(fā)生了變化。近些年來，他對如何會發(fā)生這樣的事已經(jīng)提出了兩種詳細的看法。他在20世紀90年代提出了宇宙自然選擇理論，將黑洞看作孵化新宇宙的宇宙蛋。最近，他對量子力學(xué)定律提出了挑戰(zhàn)，人們稱其為優(yōu)先原則，而這似乎更容易經(jīng)受檢驗。

斯莫林的優(yōu)先原則是為了回應(yīng)物理現(xiàn)象為什么可重現(xiàn)的問題而提出的。如果你執(zhí)行以前那種實驗，則結(jié)果與以前相同。（劃一根火柴，它會著火；以同樣的方式再劃一根……你就有了觀念。）重現(xiàn)性是我們生活中司空見慣的一部分，我們平時甚至沒有想過。我們只是將一致的結(jié)果歸功于自然“定律”，認為這種行為在任何時候都是一樣的。斯莫林假設(shè)，這些定律實際上可能隨著時間的推移而出現(xiàn)，因為量子系統(tǒng)復(fù)制了過去類似系統(tǒng)的行為。

要想捕捉到出現(xiàn)的過程，一個可能的方法是進行以前從未做過的實驗，所以沒有以前的版本（也就是沒有先例） 可供復(fù)制。這樣的實驗可能涉及創(chuàng)建一個高度復(fù)雜的量子系統(tǒng)，其中包含存在于一個新穎的糾纏狀態(tài)的許多組件。如果優(yōu)先原則正確，那么系統(tǒng)的初始回應(yīng)基本上是隨機的。然而，隨著實驗的重復(fù)，優(yōu)先級得到建立，就可預(yù)測到回應(yīng)……從理論上講是這樣的。

雖然優(yōu)先級可以在原子尺度上出現(xiàn)，但其影響將是全系統(tǒng)的，宇宙范圍的。這就把斯莫林的觀點又聯(lián)系到了一起，即小尺度簡化思維似乎是解決大謎題的錯誤方式。讓兩類物理學(xué)理論一起工作雖然重要，但這還不夠。他想知道的是我們大家都想知道的，這就是宇宙為什么是這樣的？為什么時間是前進而不是后退？我們怎么會在這里結(jié)束，了解了這些定律和這個宇宙，而不是其他的定律和其他的宇宙？

目前科學(xué)界對這些問題缺乏任何有意義的回答，這表明“我們對量子理論的理解有重大的錯誤”，斯莫林這樣說。他像霍根一樣，不太關(guān)心任何一個實驗的結(jié)果，他關(guān)心的是在更大尺度上尋求基本真理。對斯莫林來說，這意味著能夠講述一個關(guān)于宇宙的完整而連貫的故事，意味著能夠預(yù)測實驗，而且還能夠解釋使原子、行星、彩虹和人類獨特的屬性。他從愛因斯坦身上再次得到靈感。

斯莫林說：“廣義相對論一次又一次的教訓(xùn)是關(guān)系主義的勝利。獲得最大答案的最有可能的方法是與整個宇宙互動?！?/p>

最終獲勝者是……

如果你想在是大是小的辯論中挑選一名裁判，那么你就跟肖恩·卡羅爾不相上下。他是加州理工學(xué)院宇宙學(xué)、場理論和引力物理學(xué)專家。他熟悉相對論，熟悉量子力學(xué)，對荒謬的事有健康的看法：他稱他的個人博客為“荒謬的宇宙”。

卡羅爾把大部分的獎勵給了量子。他說：“我們這個游戲中的大多數(shù)人都認為量子力學(xué)比廣義相對論更為基礎(chǔ)。”自20世紀20年代以來，這是壓倒多數(shù)的看法。當(dāng)時愛因斯坦一直在努力尋找量子理論在反直覺預(yù)測中的缺陷，但一直未能成功。最近的荷蘭實驗證明了兩個廣泛分離的粒子之間的瞬時量子聯(lián)系，強調(diào)了證據(jù)的力量。而愛因斯坦當(dāng)時把它嘲笑為“不著邊際的鬼把戲”。

大尺度的重要性無可否認，因為它是我們居住和觀察的世界

卡羅爾解釋說，從更廣的角度來看，實際問題不是廣義相對論與量子理論，而是經(jīng)典動力學(xué)與量子力學(xué)。相對論盡管感到陌生，但它在如何看待因果關(guān)系方面卻是經(jīng)典的，而量子力學(xué)絕對不是。愛因斯坦樂觀地認為，如果有更深入的發(fā)現(xiàn)，那將揭示隱藏在量子力學(xué)下面的經(jīng)典的確定性現(xiàn)實，但是目前尚未找到這樣的秩序。（那個不著邊際的鬼把戲已經(jīng)證明的現(xiàn)實性認為，這種秩序并不存在。）

卡羅爾說：“如果說有什么差別的話，那就是人們對于量子力學(xué)在多大程度上拋開了我們對空間和區(qū)域觀念（物理事件只能影響其周圍環(huán)境）的認識不足。那些東西根本就不存在于量子力學(xué)中?！彼鼈兛赡苁菑姆浅２煌男〕叨痊F(xiàn)象中出現(xiàn)的大尺度印象，如霍根從二維空間量子單位中出現(xiàn)的三維現(xiàn)實的觀點。

盡管如此，卡羅爾仍然認為霍根的全息儀是一個長鏡頭。另一方面，他并不認為斯莫林從空間開始的努力是一個根本的東西，他認為這個概念跟試圖說明空氣比原子更為根本一樣荒謬。至于什么樣的量子系統(tǒng)可能將物理學(xué)提升到一個新的水平，卡羅爾對弦理論抱有極大的樂觀態(tài)度，他認為“似乎是量子理論的非常自然的延伸”。在所有這些方面，他都忠于主流的、基于量子的現(xiàn)代物理思維。

當(dāng)然，卡羅爾的態(tài)度雖然幾乎完全傾向于量子，但并不純粹是對小尺度思維的認可，量子理論可以解釋的東西還有巨大的差距。他說：“我們無法弄清楚真正的量子力學(xué)是怎樣的，這真讓人尷尬。而當(dāng)我們考慮宇宙學(xué)或整個宇宙時，我們目前對量子力學(xué)的思考方式是完全失敗的。我們甚至不知道時間是什么?！被舾退鼓侄假澩@種觀點，盡管他們對于如何回應(yīng)觀點不同?？_爾贊成自下而上的解釋，認為時間從小尺度的量子互動出現(xiàn)，但他對斯莫林的時間更加普遍和更為根本的觀點“完全不可知”。至于時間，目前還沒有定論。

無論理論如何，大尺度的重要性無可否認，因為它是我們居住和觀察的世界。從本質(zhì)上講，整個宇宙是一個答案，物理學(xué)家遭遇的挑戰(zhàn)就是找到能夠讓自己的方程成立的方法。即使霍根是正確的，他的空間團塊也必須大體上與我們每天經(jīng)歷的平滑現(xiàn)實相符。即使斯莫林是錯誤的，還有一個完整的宇宙，那里有獨特的屬性需要解釋，而這個事情至少現(xiàn)在是量子物理本身無法做到的。

霍根和斯莫林正在通過推動理解的范圍來幫助物理學(xué)領(lǐng)域取得這種聯(lián)系。他們不僅僅推動量子力學(xué)與廣義相對論之間的和解，而且也促進思想與感知之間的和諧。下一個偉大的物理學(xué)理論無疑將引向美好的新數(shù)學(xué)和難以想象的新技術(shù)。但最好的結(jié)果是創(chuàng)造更深層次的意義來回應(yīng)我們這些觀察者，將我們自己定義為宇宙的基本規(guī)模。