物理学探索未来—拜拜，小苏西<br/>

物理学探索未来—拜拜，小苏西

2021-11-29编译夏冰

世界科学 2021年11期

编译夏冰

早有谚语教导我们：不要把鸡蛋放在一个篮子里。然而，在最近几十年里，物理学家没能遵此行事。对他们来说，20世纪——实际上还有之前的19世纪——是收获伟大胜利的阶段。他们改变了认识物质世界的方式，从而提升了人类操控周遭世界的能力。如果没有物理学家在过去两个世纪内获取的知识，现代社会可能压根不存在。

另一方面，物质世界也为物理学家提供了昂贵的玩具。举一个近些年的项目，2008年，大型强子对撞机投入运行。这件耗资60亿美元的“玩具”占据着日内瓦附近一条总长27千米的环形隧道。这件玩具不负众望，很快就发现了一种物理学家早已预言存在的基本粒子：希格斯玻色子。早在20世纪60年代，物理学家就通过相关计算预言存在这种粒子。此后，大型强子对撞机就把重点放在了它真正的设计目标上，寻找一种叫作“超对称”（supersymmetry）的现象。

超对称理论问世于20世纪70年代，简写为“苏西”（Susy）,堪称一个包罗万象的篮子。不过，物理学家最近才把所有标着“基本粒子”的鸡蛋放到这个篮子里。粒子物理学标准模型涉及大量随意的数学假设，而超对称理论就能消除它们。此外，超对称理论还是更深层假说弦理论的先驱，后者旨在将标准模型同爱因斯坦广义相对论结合在一起。爱因斯坦的理论解释了引力问题，而标准模型则解释了其他三种基本力——电磁力、弱核力和强核力——以及与这些力相关的粒子。这两种理论都很好地描述了各自领域的物理现实，但它们之间并不互通。而弦理论就是连接这两种理论的桥梁，因此也称作“万物理论”。

弦驱动的物质世界

弦理论认为，宇宙由一些极其微小的事物构成，这些东西的振动方式就类似于乐器中的弦。和我们熟悉的弦一样，弦理论中的弦也具有共振频率和谐波。这个理论认为，弦的各种振动模式就对应着各种基本粒子。这些粒子既包含了此前已观测到的所有粒子（它们是标准模型的组成部分），又囊括了那些超对称理论预言的粒子（有待发现）。按照超对称理论的设想，如果标准模型中的每种粒子都有一种与之对应的“超对称粒子”——这种所谓的“超粒子”质量更大，因而也叫作“引力子”，是将引力整合进统一理论的必需，但相对论本身并没有预言引力子的存在——那么标准模型的数学弱点就会随之消散。

然而，到目前为止，无论是超对称理论，还是弦理论，都没有得到有力证据的支持。大型强子对撞机已经运行13年，却还未找到任何超粒子的踪迹。即便是2021年早些时候公布的两项有待解释的实验结果（一项来自大型强子对撞机，另一项来自一架规模小一些的类似机器），也没有出现任何能够直接支持超对称理论的证据。因此，很多物理学家都担心，他们的努力只是徒劳。

实际上，他们也完全有理由紧张起来。弦理论现在已经贴上了一个令人惴惴不安的概念标签——我们熟悉的宇宙是四维的（三维空间再加上时间），而弦理论要在这个基础上再增加6个维度（某个版本的弦理论要求增加7个维度）。此外，弦理论描述的宇宙有10500种可能，其中只有一种匹配我们人类生活的这个宇宙。光是接受这些概念就很有挑战性。然而，如果没有超对称理论作基础，弦理论还会变得更加疯狂：宇宙的维度会急剧上升到26个。此外，缺少超对称理论的弦理论还有诸多缺陷，无法描述标准模型中的大部分粒子；会预言一些奇怪物质的存在，比如“超光速粒子”（顾名思义，这种粒子的运动速度会超过光速），因而与相对论相抵触。因此，如果没有超对称理论作基础，以万物理论为目标的弦理论看上去完全就是一条死胡同。如果事实果真如此，那么那些万物的非弦理论就有了生存空间。

我们必须承认，在其他那些万物理论中，有许多名字都很拗口，比如“因果动态三角化理论”“渐进安全引力理论”“圈量子引力理论”“量子理论的振幅多面体形式”。不过，就目前来说，学界偏爱的万物理论（统一相对论和标准模型的理论）是所谓的“熵引力假说”。

这里有怪兽

熵是系统无序度的测度。我们大家都知道，热力学第二定律是这么说的：熵只会随着时间的推移而增加，也即，事物在发展的过程中总会有变得更加混乱的倾向。上述与引力理论（先不提更普遍的“万物理论”）之间存在何种关系似乎不是很明显。不过，黑洞把这两者连接了起来。所谓“黑洞”，就是一些引力场强大到连光都无法逃脱的天体。广义相对论的数学推演就预言了黑洞的存在。虽然爱因斯坦直到1955年去世都怀疑黑洞是否真的存在，但后来的观测结果证明，这种天体的确存在，只不过并不是黑的。

1974年，剑桥大学的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）证明，黑洞可以通过其边界处的量子效应向外辐射粒子——尤其是光子。光子是与电磁辐射（包括光在内）相关的粒子。这个结论产生了一些特别的结果，光子可以携带辐射热，所以释放光子的事物必然具有温度。于是，根据黑洞的温度和质量就能计算出它的熵。这点很重要，因为把所有这些变量都放到热力学第一定律中后——“热力学第一定律”的内容是：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式（比如热）转变成另一种形式（比如机械功）——就能得到爱因斯坦广义相对论方程组。

2010年，阿姆斯特丹大学埃里克·弗林德（Erik Verlinde）发现了熵与广义相对论之间的这种联系，这一发现意义重大。热力学定律的基础是统计力学，涉及以概率形式描述粒子行为的物理量（如温度、熵等）。而支撑标准模型的数学理论：量子力学也同样描述这些粒子。既然爱因斯坦方程组可以用热力学形式重新表述，那就意味着，时间和空间同样也是量子力学这种深层微观图景的外在属性。那么，从原理上讲，量子力学和相对论的现有形式似乎都可以从某些描述宇宙更本质性质的深层理论中推导得出。

而弦理论就不太容易推导出来，因为弦并不是足够基本的物理实在。熵引力假说却宣称能够描述空间和时间（用爱因斯坦的术语来说，就是“时空”）的真正本质。这个理论认为，时空由连接宇宙所有粒子的“量子纠缠”现象编织而成。

量子纠缠也是爱因斯坦嗤之以鼻但最后证明为真的现象，其概念的提出可以追溯到1935年。这是一种两个或两个以上物体结合（也即所谓的“纠缠”）在一起的形式，处于量子纠缠状态的物体无法分别独立描述。这引出了不少怪异效应。其中最特别的是，假设有两个粒子处于量子纠缠状态，那么，无论它们相隔多远，其中一个的状态改变都会立刻影响到另一个的状态。爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”，因为这种现象似乎违反了相对论的基本前提：宇宙存在速度上限，也即光速。

就黑洞来说，爱因斯坦没有活到见证自己的观点被推翻。然而，实验结果确实表明他错了，量子纠缠也是如此。实验表明，这种现象真实存在，并不违反相对论。虽然处于量子纠缠状态的两个粒子之间可以产生瞬时影响，但我们无法利用这种效应以快于光速的速度传递信息。此外，在过去5年中，哈佛大学布莱恩·斯温格尔（Brian Swingle）和加州理工学院肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）已经开始运用量子信息理论构建弗林德博士理论的实践模型。他们在这一过程中用量子信息比特（也即所谓的“量子比特”）代替纠缠粒子。其结果是简洁但信息丰富的时空模拟。

量子比特是经典比特（常规计算机的设计基础，也就是0和1）在量子理论中的对应物。熟悉量子计算领域的人肯定很熟悉这个概念。量子比特是量子信息理论的基础，它与经典比特之间的区别主要是两点：其一，量子比特可以处于“叠加态”，即可以同时代表0和1；其二，量子比特与量子比特之间可以发生纠缠。量子计算机正是凭借这两大特性完成了常规计算机很难（甚至根本不可能）完成的壮举，比如一次执行多种计算任务、以相对较少的时间完成特殊类型的计算。

斯温格尔博士和卡罗尔博士还表示，借助量子比特的纠缠特性，我们还可以利用它们来研究现实如何运作。纠缠作用更紧密的量子比特就代表时空中更接近的两枚粒子。由于到目前为止，量子计算机仍处于发展阶段，这个建模过程只能借助量子比特的数学表征方式完成。饶是如此，相关结果似乎也的确符合广义相对论方程组，从而支持熵引力假说的相关论断。

冒着颠覆因果关系的危险

在弦理论迟迟没有突破的情况下，上述模型让熵引力假说成了头号备选方案。不过，“时空是宇宙外在属性而非基本构件”的概念也带来了一个令人困扰的后果：它模糊了因果关系的本质。

根据熵引力假说构建的理论图景，时空是多种状态的叠加。正是这一点让因果关系变得模糊起来。就目前来说，描述时空的最佳数学分支是4条轴（而不是我们更为熟悉的3条轴）互成直角的几何形式。额外增加的这第四条轴代表时间，因此，就像物体在时空中的位置一样，事件在时空中的发生顺序由几何形式决定。现在既然熵引力假说要求不同的几何构型可以叠加，那么有时就会出现“A导致B”以及“B导致A”这两个命题都为真的情况。

这个结果并非只是猜测的产物。2016年，英国布里斯托大学的朱莉亚·鲁比诺（Giulia Rubino）使用偏振光子和棱镜开展实验，得到的结果与理论预测完全一致。这显然给那些对因果关系本质持传统观点的老派学者造成了困扰。

不过，加拿大圆周理论物理研究所的路西安·哈代（Lucien Hardy）发现了一种重新表述量子力学定律的方式，它能解决上面提到的这个问题。在他看来，通常的因果关系可看作计算过程中的数据压缩：这是一种能让你花小钱办大事的概念。有了因果关系，你就可以根据现时现刻的一小点信息推断出未来会出现的诸多状况——也就是将捕捉未来物理系统状态所需的细节信息压缩了。

然而，哈代博士认为，因果关系或许并不是唯一一种描述这类关联的方法。相反，他从零开始发明了一种一般方法，用于描述各种关联模式。他本人称这个方法为“类因果框架”。这种方法的目的是重现因果关系，但它本身并不以因果关系为前提。哈代博士以类因果框架为基础，重新表述了量子理论（2005年）和广义相对论（2016年）。类因果框架的数学并不是万物理论。不过，等我们真的发现了这种理论，很有可能需要类因果原理来描述它，就像广义相对论需要四维几何形式描述时空一样。

振幅调制

的确有很多坚实的概念性工作支持熵引力假说，但这个理论并不是替代弦理论的唯一方案。在其他值得注意的理论中，有一个叫作“圈量子引力理论”的老对手。这个理论最初是由匹兹堡大学的卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）和加拿大圆周理论物理学研究所的李·斯莫林（Lee Smolin）在1994年提出。最近这些年则出现了一种类似的理论，叫作“因果动态三角化理论”。这两个理论都认为，时空并不是广义相对论认为的那种平滑结构，而是一种复杂结构。圈量子引力理论认为，时空的基本构型是圈；而因果动态三角化理论则认为，时空的基本构型是三角。

第三种备选方案则是“渐进安全引力理论”，其历史要比圈量子引力理论更为悠久，可以追溯到1976年，由标准模型的主要构建者之一史蒂文·温伯格（Steven Weinberg，2021年7月逝世）提出。在标准模型中引入引力子是提出量子引力理论的自然方法。遗憾的是，这种方法没有任何作用，因为当我们在能量较高的背景下计算引力子这些假想粒子间的相互作用时，相应的数学内容似乎就变得毫无意义。然而，温伯格认为，如果能有功能足够强大的机器做相关计算，那么就能克服这种表面上的数学崩溃现象。（用数学语言来说，这种计算就是“渐进安全”。）近年来涌现的诸多超级计算机就拥有这样的高超性能，并且，从它们得到的初期结果上看，温伯格似乎是正确的。

不过，熵引力假说的最有力竞争者是“量子理论的振幅多面体形式”。这个理论由普林斯顿高等研究院的尼玛·阿尔卡尼-哈默德（Nima Arkani-Hamed）和加州大学戴维斯分校的亚罗斯拉夫·特恩卡（Jaroslav Trnka）在2013年提出。他们发现了一类叫作“振幅多面体”的几何结构，每一种多面体都编码了一种可能出现的量子相互作用的细节。另一方面，这种振幅多面体的各个面包含了所有可能出现的物理过程。于是，我们就可能通过振幅多面体重新描述所有量子理论。

大多数以万物理论为目标的理论都试图将引力（爱因斯坦从几何角度描述引力）引入量子理论（并不依赖几何描述）。量子理论的振幅多面体形式则恰恰相反。这个理论认为，无论如何，量子理论在本质上仍旧是可以用几何描述的。更巧妙的是，量子理论的振幅多面体形式不仅不以时空概念为基础，甚至不以统计力学为基础。相反，时空概念和统计力学都可以自然地从这个理论中推导出来。因此，虽然量子理论的振幅多面体形式尚未全面建立量子引力理论，但它确实开辟了一条极有可能实现这个目标的道路。

时间、空间甚至因果关系都只是宇宙的外在表现而非基本属性，这种观点相当激进且令人费解。不过，这极有可能是解决问题的关键。我们之所以认为，20世纪的两大科学革命，广义相对论和量子力学是极为深刻的物理学理论，就是因为它们推翻了常识。接受相对论，意味着放弃人类此前固有的时间和空间概念；而接受量子力学，则意味着坦然面对像纠缠和叠加这样的古怪量子现象；接受熵引力假说，或者其他类似的理论，意味着你的想象力要完成类似的飞跃。

不过，如果没有相关数据支撑，任何理论都不会有什么价值。毕竟，这正是超对称性理论面对的问题。鲁比诺博士的工作就明确地指出了这点。当然，粒子物理学实验室之外的理论突破也是我们期望见到的。此外，虽然意义尚不明确，但在过去几个月中，我们确实看到了两项可能表明标准模型存在缺陷的实验结果。

2021年3月23日，欧洲核子研究委员会（大型强子对撞机就是这个组织管理运行的）的一支研究团队报告称，他们发现，电子与其质量较大的“表亲”渺子的性质出现了意想不到的差异。由于电子和渺子之间除了质量不同之外，其他属性完全一样，标准模型便预言，当其他粒子衰变成这两种粒子时，产生的电子数目应该与渺子数目完全一致。然而，事实可能并非如此。大型强子对撞机的中期实验结果表明，有一种叫作“B介子”的粒子在衰变时往往会产生更多的电子。这意味着，标准模型可能还缺少了一种基本力。接着，2021年4月7日，美国最大的粒子物理学研究机构费米实验室宣布了他们的渺子实验中期结果，即渺子g-2实验。

在量子世界中，不存在完美真空。相反，在时空的每一个角落，都会有粒子不断冒出、消失。这些粒子是“虚”粒子，而非“实”粒子——也就是说，它们是肇始于量子不确定性的瞬时涨落。不过，虽然这些粒子的存在时间很短，但也足够和更永久的物质发生作用，比如：霍金预言的黑洞辐射的来源。

标准模型预言了这些虚粒子与比黑洞更传统的物质之间的相互作用的强度。为了检验这些预言，渺子g-2实验让发射出来的渺子沿着一根磁性强大的超导储磁环排列。量子涨落会改变渺子晃动的方式，而探测器则会以不可思议的精确度捕捉到这种变化。渺子g-2实验的结果表明，让渺子产生这种晃动的相互作用要比标准模型的预言稍强一些。如果这个结果得到进一步证实的话，那就意味着标准模型至少缺失了一种基本粒子。