編譯 夏冰

早有諺語教導(dǎo)我們：不要把雞蛋放在一個籃子里。然而，在最近幾十年里，物理學(xué)家沒能遵此行事。對他們來說，20世紀(jì)——實際上還有之前的19世紀(jì)——是收獲偉大勝利的階段。他們改變了認(rèn)識物質(zhì)世界的方式，從而提升了人類操控周遭世界的能力。如果沒有物理學(xué)家在過去兩個世紀(jì)內(nèi)獲取的知識，現(xiàn)代社會可能壓根不存在。

另一方面，物質(zhì)世界也為物理學(xué)家提供了昂貴的玩具。舉一個近些年的項目，2008年，大型強子對撞機投入運行。這件耗資60億美元的“玩具”占據(jù)著日內(nèi)瓦附近一條總長27千米的環(huán)形隧道。這件玩具不負(fù)眾望，很快就發(fā)現(xiàn)了一種物理學(xué)家早已預(yù)言存在的基本粒子：希格斯玻色子。早在20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家就通過相關(guān)計算預(yù)言存在這種粒子。此后，大型強子對撞機就把重點放在了它真正的設(shè)計目標(biāo)上，尋找一種叫作“超對稱”（supersymmetry）的現(xiàn)象。

超對稱理論問世于20世紀(jì)70年代，簡寫為“蘇西”（Susy）,堪稱一個包羅萬象的籃子。不過，物理學(xué)家最近才把所有標(biāo)著“基本粒子”的雞蛋放到這個籃子里。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型涉及大量隨意的數(shù)學(xué)假設(shè)，而超對稱理論就能消除它們。此外，超對稱理論還是更深層假說弦理論的先驅(qū)，后者旨在將標(biāo)準(zhǔn)模型同愛因斯坦廣義相對論結(jié)合在一起。愛因斯坦的理論解釋了引力問題，而標(biāo)準(zhǔn)模型則解釋了其他三種基本力——電磁力、弱核力和強核力——以及與這些力相關(guān)的粒子。這兩種理論都很好地描述了各自領(lǐng)域的物理現(xiàn)實，但它們之間并不互通。而弦理論就是連接這兩種理論的橋梁，因此也稱作“萬物理論”。

弦驅(qū)動的物質(zhì)世界

弦理論認(rèn)為，宇宙由一些極其微小的事物構(gòu)成，這些東西的振動方式就類似于樂器中的弦。和我們熟悉的弦一樣，弦理論中的弦也具有共振頻率和諧波。這個理論認(rèn)為，弦的各種振動模式就對應(yīng)著各種基本粒子。這些粒子既包含了此前已觀測到的所有粒子（它們是標(biāo)準(zhǔn)模型的組成部分），又囊括了那些超對稱理論預(yù)言的粒子（有待發(fā)現(xiàn)）。按照超對稱理論的設(shè)想，如果標(biāo)準(zhǔn)模型中的每種粒子都有一種與之對應(yīng)的“超對稱粒子”——這種所謂的“超粒子”質(zhì)量更大，因而也叫作“引力子”，是將引力整合進(jìn)統(tǒng)一理論的必需，但相對論本身并沒有預(yù)言引力子的存在——那么標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)弱點就會隨之消散。

然而，到目前為止，無論是超對稱理論，還是弦理論，都沒有得到有力證據(jù)的支持。大型強子對撞機已經(jīng)運行13年，卻還未找到任何超粒子的蹤跡。即便是2021年早些時候公布的兩項有待解釋的實驗結(jié)果（一項來自大型強子對撞機，另一項來自一架規(guī)模小一些的類似機器），也沒有出現(xiàn)任何能夠直接支持超對稱理論的證據(jù)。因此，很多物理學(xué)家都擔(dān)心，他們的努力只是徒勞。

實際上，他們也完全有理由緊張起來。弦理論現(xiàn)在已經(jīng)貼上了一個令人惴惴不安的概念標(biāo)簽——我們熟悉的宇宙是四維的（三維空間再加上時間），而弦理論要在這個基礎(chǔ)上再增加6個維度（某個版本的弦理論要求增加7個維度）。此外，弦理論描述的宇宙有10500種可能，其中只有一種匹配我們?nèi)祟惿畹倪@個宇宙。光是接受這些概念就很有挑戰(zhàn)性。然而，如果沒有超對稱理論作基礎(chǔ)，弦理論還會變得更加瘋狂：宇宙的維度會急劇上升到26個。此外，缺少超對稱理論的弦理論還有諸多缺陷，無法描述標(biāo)準(zhǔn)模型中的大部分粒子；會預(yù)言一些奇怪物質(zhì)的存在，比如“超光速粒子”（顧名思義，這種粒子的運動速度會超過光速），因而與相對論相抵觸。因此，如果沒有超對稱理論作基礎(chǔ)，以萬物理論為目標(biāo)的弦理論看上去完全就是一條死胡同。如果事實果真如此，那么那些萬物的非弦理論就有了生存空間。

我們必須承認(rèn)，在其他那些萬物理論中，有許多名字都很拗口，比如“因果動態(tài)三角化理論”“漸進(jìn)安全引力理論”“圈量子引力理論”“量子理論的振幅多面體形式”。不過，就目前來說，學(xué)界偏愛的萬物理論（統(tǒng)一相對論和標(biāo)準(zhǔn)模型的理論）是所謂的“熵引力假說”。

這里有怪獸

熵是系統(tǒng)無序度的測度。我們大家都知道，熱力學(xué)第二定律是這么說的：熵只會隨著時間的推移而增加，也即，事物在發(fā)展的過程中總會有變得更加混亂的傾向。上述與引力理論（先不提更普遍的“萬物理論”）之間存在何種關(guān)系似乎不是很明顯。不過，黑洞把這兩者連接了起來。所謂“黑洞”，就是一些引力場強大到連光都無法逃脫的天體。廣義相對論的數(shù)學(xué)推演就預(yù)言了黑洞的存在。雖然愛因斯坦直到1955年去世都懷疑黑洞是否真的存在，但后來的觀測結(jié)果證明，這種天體的確存在，只不過并不是黑的。

1974年，劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明，黑洞可以通過其邊界處的量子效應(yīng)向外輻射粒子——尤其是光子。光子是與電磁輻射（包括光在內(nèi)）相關(guān)的粒子。這個結(jié)論產(chǎn)生了一些特別的結(jié)果，光子可以攜帶輻射熱，所以釋放光子的事物必然具有溫度。于是，根據(jù)黑洞的溫度和質(zhì)量就能計算出它的熵。這點很重要，因為把所有這些變量都放到熱力學(xué)第一定律中后——“熱力學(xué)第一定律”的內(nèi)容是：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只會從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從一種形式（比如熱）轉(zhuǎn)變成另一種形式（比如機械功）——就能得到愛因斯坦廣義相對論方程組。

2010年，阿姆斯特丹大學(xué)埃里克·弗林德（Erik Verlinde）發(fā)現(xiàn)了熵與廣義相對論之間的這種聯(lián)系，這一發(fā)現(xiàn)意義重大。熱力學(xué)定律的基礎(chǔ)是統(tǒng)計力學(xué)，涉及以概率形式描述粒子行為的物理量（如溫度、熵等）。而支撐標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)理論：量子力學(xué)也同樣描述這些粒子。既然愛因斯坦方程組可以用熱力學(xué)形式重新表述，那就意味著，時間和空間同樣也是量子力學(xué)這種深層微觀圖景的外在屬性。那么，從原理上講，量子力學(xué)和相對論的現(xiàn)有形式似乎都可以從某些描述宇宙更本質(zhì)性質(zhì)的深層理論中推導(dǎo)得出。

而弦理論就不太容易推導(dǎo)出來，因為弦并不是足夠基本的物理實在。熵引力假說卻宣稱能夠描述空間和時間（用愛因斯坦的術(shù)語來說，就是“時空”）的真正本質(zhì)。這個理論認(rèn)為，時空由連接宇宙所有粒子的“量子糾纏”現(xiàn)象編織而成。

量子糾纏也是愛因斯坦嗤之以鼻但最后證明為真的現(xiàn)象，其概念的提出可以追溯到1935年。這是一種兩個或兩個以上物體結(jié)合（也即所謂的“糾纏”）在一起的形式，處于量子糾纏狀態(tài)的物體無法分別獨立描述。這引出了不少怪異效應(yīng)。其中最特別的是，假設(shè)有兩個粒子處于量子糾纏狀態(tài)，那么，無論它們相隔多遠(yuǎn)，其中一個的狀態(tài)改變都會立刻影響到另一個的狀態(tài)。愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”，因為這種現(xiàn)象似乎違反了相對論的基本前提：宇宙存在速度上限，也即光速。

就黑洞來說，愛因斯坦沒有活到見證自己的觀點被推翻。然而，實驗結(jié)果確實表明他錯了，量子糾纏也是如此。實驗表明，這種現(xiàn)象真實存在，并不違反相對論。雖然處于量子糾纏狀態(tài)的兩個粒子之間可以產(chǎn)生瞬時影響，但我們無法利用這種效應(yīng)以快于光速的速度傳遞信息。此外，在過去5年中，哈佛大學(xué)布萊恩·斯溫格爾（Brian Swingle）和加州理工學(xué)院肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）已經(jīng)開始運用量子信息理論構(gòu)建弗林德博士理論的實踐模型。他們在這一過程中用量子信息比特（也即所謂的“量子比特”）代替糾纏粒子。其結(jié)果是簡潔但信息豐富的時空模擬。

量子比特是經(jīng)典比特（常規(guī)計算機的設(shè)計基礎(chǔ)，也就是0和1）在量子理論中的對應(yīng)物。熟悉量子計算領(lǐng)域的人肯定很熟悉這個概念。量子比特是量子信息理論的基礎(chǔ)，它與經(jīng)典比特之間的區(qū)別主要是兩點：其一，量子比特可以處于“疊加態(tài)”，即可以同時代表0和1；其二，量子比特與量子比特之間可以發(fā)生糾纏。量子計算機正是憑借這兩大特性完成了常規(guī)計算機很難（甚至根本不可能）完成的壯舉，比如一次執(zhí)行多種計算任務(wù)、以相對較少的時間完成特殊類型的計算。

斯溫格爾博士和卡羅爾博士還表示，借助量子比特的糾纏特性，我們還可以利用它們來研究現(xiàn)實如何運作。糾纏作用更緊密的量子比特就代表時空中更接近的兩枚粒子。由于到目前為止，量子計算機仍處于發(fā)展階段，這個建模過程只能借助量子比特的數(shù)學(xué)表征方式完成。饒是如此，相關(guān)結(jié)果似乎也的確符合廣義相對論方程組，從而支持熵引力假說的相關(guān)論斷。

冒著顛覆因果關(guān)系的危險

在弦理論遲遲沒有突破的情況下，上述模型讓熵引力假說成了頭號備選方案。不過，“時空是宇宙外在屬性而非基本構(gòu)件”的概念也帶來了一個令人困擾的后果：它模糊了因果關(guān)系的本質(zhì)。

根據(jù)熵引力假說構(gòu)建的理論圖景，時空是多種狀態(tài)的疊加。正是這一點讓因果關(guān)系變得模糊起來。就目前來說，描述時空的最佳數(shù)學(xué)分支是4條軸（而不是我們更為熟悉的3條軸）互成直角的幾何形式。額外增加的這第四條軸代表時間，因此，就像物體在時空中的位置一樣，事件在時空中的發(fā)生順序由幾何形式?jīng)Q定?，F(xiàn)在既然熵引力假說要求不同的幾何構(gòu)型可以疊加，那么有時就會出現(xiàn)“A導(dǎo)致B”以及“B導(dǎo)致A”這兩個命題都為真的情況。

這個結(jié)果并非只是猜測的產(chǎn)物。2016年，英國布里斯托大學(xué)的朱莉亞·魯比諾（Giulia Rubino）使用偏振光子和棱鏡開展實驗，得到的結(jié)果與理論預(yù)測完全一致。這顯然給那些對因果關(guān)系本質(zhì)持傳統(tǒng)觀點的老派學(xué)者造成了困擾。

不過，加拿大圓周理論物理研究所的路西安·哈代（Lucien Hardy）發(fā)現(xiàn)了一種重新表述量子力學(xué)定律的方式，它能解決上面提到的這個問題。在他看來，通常的因果關(guān)系可看作計算過程中的數(shù)據(jù)壓縮：這是一種能讓你花小錢辦大事的概念。有了因果關(guān)系，你就可以根據(jù)現(xiàn)時現(xiàn)刻的一小點信息推斷出未來會出現(xiàn)的諸多狀況——也就是將捕捉未來物理系統(tǒng)狀態(tài)所需的細(xì)節(jié)信息壓縮了。

然而，哈代博士認(rèn)為，因果關(guān)系或許并不是唯一一種描述這類關(guān)聯(lián)的方法。相反，他從零開始發(fā)明了一種一般方法，用于描述各種關(guān)聯(lián)模式。他本人稱這個方法為“類因果框架”。這種方法的目的是重現(xiàn)因果關(guān)系，但它本身并不以因果關(guān)系為前提。哈代博士以類因果框架為基礎(chǔ)，重新表述了量子理論（2005年）和廣義相對論（2016年）。類因果框架的數(shù)學(xué)并不是萬物理論。不過，等我們真的發(fā)現(xiàn)了這種理論，很有可能需要類因果原理來描述它，就像廣義相對論需要四維幾何形式描述時空一樣。

振幅調(diào)制

的確有很多堅實的概念性工作支持熵引力假說，但這個理論并不是替代弦理論的唯一方案。在其他值得注意的理論中，有一個叫作“圈量子引力理論”的老對手。這個理論最初是由匹茲堡大學(xué)的卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）和加拿大圓周理論物理學(xué)研究所的李·斯莫林（Lee Smolin）在1994年提出。最近這些年則出現(xiàn)了一種類似的理論，叫作“因果動態(tài)三角化理論”。這兩個理論都認(rèn)為，時空并不是廣義相對論認(rèn)為的那種平滑結(jié)構(gòu)，而是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。圈量子引力理論認(rèn)為，時空的基本構(gòu)型是圈；而因果動態(tài)三角化理論則認(rèn)為，時空的基本構(gòu)型是三角。

第三種備選方案則是“漸進(jìn)安全引力理論”，其歷史要比圈量子引力理論更為悠久，可以追溯到1976年，由標(biāo)準(zhǔn)模型的主要構(gòu)建者之一史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg，2021年7月逝世）提出。在標(biāo)準(zhǔn)模型中引入引力子是提出量子引力理論的自然方法。遺憾的是，這種方法沒有任何作用，因為當(dāng)我們在能量較高的背景下計算引力子這些假想粒子間的相互作用時，相應(yīng)的數(shù)學(xué)內(nèi)容似乎就變得毫無意義。然而，溫伯格認(rèn)為，如果能有功能足夠強大的機器做相關(guān)計算，那么就能克服這種表面上的數(shù)學(xué)崩潰現(xiàn)象。（用數(shù)學(xué)語言來說，這種計算就是“漸進(jìn)安全”。）近年來涌現(xiàn)的諸多超級計算機就擁有這樣的高超性能，并且，從它們得到的初期結(jié)果上看，溫伯格似乎是正確的。

不過，熵引力假說的最有力競爭者是“量子理論的振幅多面體形式”。這個理論由普林斯頓高等研究院的尼瑪·阿爾卡尼-哈默德（Nima Arkani-Hamed）和加州大學(xué)戴維斯分校的亞羅斯拉夫·特恩卡（Jaroslav Trnka）在2013年提出。他們發(fā)現(xiàn)了一類叫作“振幅多面體”的幾何結(jié)構(gòu)，每一種多面體都編碼了一種可能出現(xiàn)的量子相互作用的細(xì)節(jié)。另一方面，這種振幅多面體的各個面包含了所有可能出現(xiàn)的物理過程。于是，我們就可能通過振幅多面體重新描述所有量子理論。

大多數(shù)以萬物理論為目標(biāo)的理論都試圖將引力（愛因斯坦從幾何角度描述引力）引入量子理論（并不依賴幾何描述）。量子理論的振幅多面體形式則恰恰相反。這個理論認(rèn)為，無論如何，量子理論在本質(zhì)上仍舊是可以用幾何描述的。更巧妙的是，量子理論的振幅多面體形式不僅不以時空概念為基礎(chǔ)，甚至不以統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ)。相反，時空概念和統(tǒng)計力學(xué)都可以自然地從這個理論中推導(dǎo)出來。因此，雖然量子理論的振幅多面體形式尚未全面建立量子引力理論，但它確實開辟了一條極有可能實現(xiàn)這個目標(biāo)的道路。

時間、空間甚至因果關(guān)系都只是宇宙的外在表現(xiàn)而非基本屬性，這種觀點相當(dāng)激進(jìn)且令人費解。不過，這極有可能是解決問題的關(guān)鍵。我們之所以認(rèn)為，20世紀(jì)的兩大科學(xué)革命，廣義相對論和量子力學(xué)是極為深刻的物理學(xué)理論，就是因為它們推翻了常識。接受相對論，意味著放棄人類此前固有的時間和空間概念；而接受量子力學(xué)，則意味著坦然面對像糾纏和疊加這樣的古怪量子現(xiàn)象；接受熵引力假說，或者其他類似的理論，意味著你的想象力要完成類似的飛躍。

不過，如果沒有相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，任何理論都不會有什么價值。畢竟，這正是超對稱性理論面對的問題。魯比諾博士的工作就明確地指出了這點。當(dāng)然，粒子物理學(xué)實驗室之外的理論突破也是我們期望見到的。此外，雖然意義尚不明確，但在過去幾個月中，我們確實看到了兩項可能表明標(biāo)準(zhǔn)模型存在缺陷的實驗結(jié)果。

2021年3月23日，歐洲核子研究委員會（大型強子對撞機就是這個組織管理運行的）的一支研究團(tuán)隊報告稱，他們發(fā)現(xiàn)，電子與其質(zhì)量較大的“表親”渺子的性質(zhì)出現(xiàn)了意想不到的差異。由于電子和渺子之間除了質(zhì)量不同之外，其他屬性完全一樣，標(biāo)準(zhǔn)模型便預(yù)言，當(dāng)其他粒子衰變成這兩種粒子時，產(chǎn)生的電子數(shù)目應(yīng)該與渺子數(shù)目完全一致。然而，事實可能并非如此。大型強子對撞機的中期實驗結(jié)果表明，有一種叫作“B介子”的粒子在衰變時往往會產(chǎn)生更多的電子。這意味著，標(biāo)準(zhǔn)模型可能還缺少了一種基本力。接著，2021年4月7日，美國最大的粒子物理學(xué)研究機構(gòu)費米實驗室宣布了他們的渺子實驗中期結(jié)果，即渺子g-2實驗。

在量子世界中，不存在完美真空。相反，在時空的每一個角落，都會有粒子不斷冒出、消失。這些粒子是“虛”粒子，而非“實”粒子——也就是說，它們是肇始于量子不確定性的瞬時漲落。不過，雖然這些粒子的存在時間很短，但也足夠和更永久的物質(zhì)發(fā)生作用，比如：霍金預(yù)言的黑洞輻射的來源。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了這些虛粒子與比黑洞更傳統(tǒng)的物質(zhì)之間的相互作用的強度。為了檢驗這些預(yù)言，渺子g-2實驗讓發(fā)射出來的渺子沿著一根磁性強大的超導(dǎo)儲磁環(huán)排列。量子漲落會改變渺子晃動的方式，而探測器則會以不可思議的精確度捕捉到這種變化。渺子g-2實驗的結(jié)果表明，讓渺子產(chǎn)生這種晃動的相互作用要比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言稍強一些。如果這個結(jié)果得到進(jìn)一步證實的話，那就意味著標(biāo)準(zhǔn)模型至少缺失了一種基本粒子。

破曉時分

這些缺失的粒子是超粒子的可能性并不高。不過，如果最后證明缺失的粒子的確是超粒子，那就意味著笑到最后的是超對稱性理論。然而，目前沒有任何有利于這個方向的證據(jù)。此外，正是由于長期以來一直沒有出現(xiàn)支持超對稱理論的證據(jù)，這個理論的擁躉明智地保持沉默。

無論上述兩項實驗結(jié)果的成因究竟是什么，有一點都是肯定的：它們確實表明，仍存在一些現(xiàn)有理論無法解釋的現(xiàn)象。實際上，量子理論和相對論的起點，也是一些類似的無法解釋的現(xiàn)象。因此，物理學(xué)的最黑暗階段之一似乎的確就要迎來黎明的曙光。

資料來源 The Economist