愛因斯坦：説一千道一萬，其實我想告訴你的很簡單_風聞

原創：中科院物理所

作者：K·C· Cole

翻譯：loulou

審校：Automan-Ex

阿爾伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)的百年洞見所結出的耀眼果實如今已深深嵌入大眾的想象之中：黑洞、時空扭曲和蟲洞經常作為情節點出現在電影、書籍和電視節目中。與此同時，它們推動了前沿研究，幫助物理學家提出許多有關空間、時間甚至信息本身的問題。

諷刺的是，愛因斯坦的遺產中最具革命性的部分卻很少受到關注。它沒有引力波的轟動，沒有黑洞的吸引力，甚至沒有夸克的魅力。但隱藏在所有這些奇異現象背後的是一個看似簡單的想法，它拉動科學的槓桿，顯示出各個部分是如何組合在一起的，並照亮前方的道路。 

這個想法是這樣的：某些改變不會改變任何事情。大自然的最基本的部分是保持不變的，即使它們似乎在以意想不到的方式改變後呈現在我們眼前。例如，愛因斯坦1905年發表的相對論論文得出了一個不容置疑的結論，即能量和質量之間的關係是不變的，儘管能量和質量本身可以有截然不同的形式。太陽能抵達地球，以綠葉的形式大量存在，創造出我們可以吃的食物，並作為思考的燃料。(“我們的思想是什麼？這些具有意識的原子是什麼？”已故的理查德·費曼説道，“是來自上週吃的土豆！”）。這就是E = mc2的意思。c代表光速，一個非常大的數字，所以不需要太多的物質就能產生大量的能量；事實上，太陽每秒將數百萬噸的質量轉化為能量。

物質無窮無盡地轉化為能量(反之亦然)，為宇宙、物質和生命提供動力。然而，經歷了這一切，宇宙的能量物質的量從未改變。這很奇怪，但卻是事實：物質和能量本身並沒有它們之間潛在的關係那麼基本。

我們傾向於認為現實的核心是事物本身，而不是他們之間的關係。但大多數情況下，情況恰恰相反。布朗大學(Brown University)物理學家斯蒂芬·亞歷山大(Stephon Alexander)説：“這不是問題所在。”

愛因斯坦指出，對於像空間和時間這樣的“物質”，似乎是自然界中穩定的、不可改變的部分；事實上，空間和時間的關係總是保持不變，即使空間收縮和時間膨脹。就像能量和物質一樣，空間和時間是哪些更深層次的、不可動搖的基礎的可變表現：這些基礎的東西無論如何都不會改變。

“愛因斯坦的深刻觀點是，空間和時間基本上是由正發生的事情之間的關係建立起來的，”物理學家羅伯特迪傑格拉夫(Robbert Dijkgraaf)説。

最終對愛因斯坦的遺產影響最大的關係是對稱性。科學家們經常把對稱性描述為不會真正改變任何東西的變化，不會產生任何影響的變化，不會改變深層關係的變化。在日常生活中很容易找到例子。你可以把一片雪花旋轉60度，它看起來還是一樣的。你可以在蹺蹺板上調換位置而不會破壞平衡。更為複雜的對稱性指引了物理學家們發現了從中微子到夸克等粒子，甚至愛因斯坦自己也發現了萬有引力是時空的曲率，現在我們知道，時空的曲率可以自我捲曲，縮進黑洞。 

阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論手稿的第一頁 

在過去的幾十年裏，一些物理學家開始質疑關注對稱性是否仍然像過去一樣富有成效。基於對稱性理論預測的新粒子在實驗中並沒有如人們所希望的那樣出現，而且被探測到的希格斯玻色子太輕，無法符合任何已知的對稱結構。對稱性也還沒有解釋為什麼引力如此微弱，為什麼真空能量如此之小，或者為什麼暗物質仍然是透明的。

“在粒子物理學中，有一種偏見是認為對稱性是我們對自然描述的根源，”賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)物理學家賈斯汀·庫裏(Justin Khoury)説。“這個想法非常強有力。但誰知道呢？也許我們真的必須放棄這些行之有效且美麗珍貴的原則。所以現在是一個非常有趣的時刻。”

光

1905年，愛因斯坦在撰寫他的第一篇相對論論文時，並沒有考慮到不變性或對稱性，但歷史學家推測，他在瑞士專利局任職期間與物理界的隔絕，可能幫助他看穿了人們習以為常但又無用的問題。

和他那個時代的其他物理學家一樣，愛因斯坦也在思考一些看似不相干的難題。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋方程揭示了電場和磁場之間的密切聯繫，但在不同的參照系中，無論觀察者是在運動還是靜止，其結果看起來都是截然不同的。此外，電磁場在空間中傳播的速度幾乎與實驗中反覆測量的光速完全吻合——無論如何，光速都不會改變。觀察者可以朝着光跑，也可以從光中衝出去，速度沒有變化。

愛因斯坦把這些點聯繫起來：光速是電場和磁場之間對稱關係的可測量表現——這是一個比空間本身更基本的概念。光的傳播不需要任何介質，因為它本身就是運動中的電磁場。“靜止”的概念——由艾薩克·牛頓提出的靜態的“絕對空間”——是沒有必要且沒有意義的。“這裏”或“現在”這兩個概念並不是普適的：對一個觀察者來説不同事件可能同時出現，但對另一個觀察者來説則不是如此，而且兩個觀察者的觀點都是正確的。

追逐光束產生了另一種奇特的效果，即愛因斯坦第二篇相對論論文的主題，“一個物體的慣性是否取決於它的能含量？”答案是肯定的。你追得越快，就越難再加速。變化產生的阻力在光速下變得無窮大。因為阻力是慣性，慣性是質量的度量，所以運動的能量轉化為質量。“質量和能量之間沒有本質區別，”愛因斯坦寫道。

愛因斯坦花了好幾年的時間才認識到，空間和時間是交織在一起的一個時空結構，不可分割。“他仍然沒有以一種完全統一的方式思考時空，”麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的物理學家和科學歷史學家戴維·凱澤(David Kaiser)説。

統一時空是一個很難理解的概念。但是，如果我們思考一下“速度”的真正含義，它就開始變得有意義了。光速和任何速度一樣，都是一種關係——隨着時間的推移而移動的距離。但是光速是特殊的，因為它不能改變；你的激光束不會因為從一個高速運行的衞星上發射而前進得更快。因此，對距離和時間的測量必須根據一個人的運動狀態而改變，從而導致所謂的“空間收縮”和“時間膨脹”效應。不變的是：無論兩個人相對於對方的速度有多快，他們總是測量相同的“時空間隔”。坐在辦公桌前，你穿越了時間，但幾乎沒有穿越空間。宇宙射線以接近光速的速度飛越遙遠的距離，但幾乎不穿越時間，永遠保持一開始的狀態。這些關係是不變的，不管你怎麼改變其他要素。

引力

愛因斯坦最早提出的狹義相對論是“特殊的”，因為它只適用於時空中穩定不變的運動——而不是像物體向地面下落那樣的加速運動。令愛因斯坦煩惱的是，他的理論沒有包括引力，而他努力將引力納入其中，使得對稱性成為他思想的核心。凱澤説：“當他全身心投入到廣義相對論中時，他在不變性和時空間隔的概念上投入得更多了，他認為這些是不應該依賴於觀測者的狀態的。”

具體來説，愛因斯坦對一種沒有什麼影響的變化或者説一種沒有意義的對稱感到困惑。把一團揉皺的紙和一串沉重的鑰匙並排扔到地上，看到它們以某種方式、幾乎是奇蹟般地同時着地，仍然令人震驚——正如伽利略從比薩斜塔上扔下輕球和重球所證明的那樣。如果重力依賴於質量，那麼一個物體的質量越大，它的下落速度就應該越快。令人費解的是，事實並非如此。

 

1933年，德國數學家埃米·諾特(Emmy Noether)被納粹政權趕出哥廷根大學(University of Gottingen)，移居美國，在布林莫爾學院(Bryn Mawr College)和高等研究院(Institute for Advanced Study)任教。 

愛因斯坦在一次著名的思想實驗中獲得了關鍵的靈感。他想象一個人從樓上掉下來。這個人會像宇航員一樣快樂地漂浮在太空中，直到地面擋住了他的去路。當愛因斯坦意識到自由下落的人會感到失重時，他把這一發現描述為他一生中最快樂的想法。他花了一段時間才確定廣義相對論的數學細節，但當他證明引力是時空本身的曲率時，引力之謎就解開了。如愛因斯坦想象中的人或伽利略的球這樣的“墜落”物體，只是沿着為它們開闢的時空路徑運動。

在狹義相對論問世10年後，廣義相對論首次發表時，一個問題出現了：能量似乎不可能在強彎曲的時空中守恆。眾所周知，自然界中某些量總是守恆的：能量的量(包括質量形式的能量)，電荷的量，動量的量。德國數學家埃米·諾特(Emmy Noether)在一項非凡的數學研究中證明，這些守恆量中的每一個都與一種特定的對稱性有關，這種變化不會改變任何東西。

諾特證明了廣義相對論的對稱性——它在不同參照系之間轉換時的不變性——確保了能量總是守恆的。愛因斯坦的理論得到了數學支撐。自那以後，諾特和對稱性都站上了物理學的中心舞台。

物質

愛因斯坦之後，對稱性的吸引力變得更加強大。保羅·狄拉克(Paul Dirac)試圖讓量子力學與狹義相對論的對稱性要求相容，他在一個方程式中發現了一個負號，表明“反物質”必須存在，否則不能平衡這兩者。事實確實是這樣。不久之後，沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)試圖解釋放射性粒子衰變過程中似乎丟失的能量，他推測，丟失的能量可能被某種未知的、難以捉摸的粒子帶走了。是的，這個粒子就是中微子。

從20世紀50年代開始，不變性煥發了新生命，變得越來越抽象，用凱澤的話説，它“跳出”了時空的對稱性。凱澤説，這些被稱為“規範”不變性的新對稱變得極其多產，“為世界存在提供了條件”，因為它要求從W和Z玻色子到膠子的所有粒子都存在。他説：“因為我們認為這種對稱性是如此重要，必須不惜一切代價保護它，所以我們發明了新東西。”規範對稱“規定了你必須引入的其他成分。“舉個簡單的例子，我們在旋轉120度仍不變的三角形必須具備三條相等的邊的條件。

規範對稱性描述了構成了我們的世界的粒子系統的內部結構。它們表明了物理學家們在不改變任何重要東西的情況下，可以改變、旋轉、扭曲等各種方式改變方程式。亞歷山大説：“對稱性告訴你可以用多少種方式翻轉物體，改變力的作用方式，但它不會改變任何東西。”其結果是在支撐着自然的基本成分的隱藏的支架上窺探這個世界。

規範對稱性的抽象性在某些領域引起了一定的不安。“你看不到整個機制，只看到結果，”迪傑格拉夫説。“我認為規範對稱性仍然存在很多疑問。”

正如賓夕法尼亞大學的物理學家馬克·特羅登(Mark Trodden)所説，為了解決問題，規範對稱性產生了描述單一物理系統的多種方法——這是一種冗餘。斯特德解釋説，規範理論的這一特性使得計算“極其複雜”。一頁又一頁的計算只得出了非常簡單的答案。這讓你想知道：為什麼？中間所有的複雜性從何而來？一個可能的答案就是規範對稱性給大家的關於冗餘的描述。

與這種內在的複雜性相反，對稱性通常呈現給我們的是簡單性。隨着瓷磚圖案的重複，“你只需要看一小部分，就可以預測剩下的部分，”迪傑格拉夫説。你不需要兩個定律，一個滿足能量守恆另外一個滿足物質守恆。宇宙是對稱的，因為它在大尺度上是均勻的；它沒有左，右，上，下等方向。“如果不是這樣的話，宇宙學將會是一團亂麻，”庫裏説。

對稱性破缺

最大的問題是，現在所理解的對稱性似乎無法回答物理學中一些最大的問題。的確，對稱性告訴物理學家去哪裏尋找希格斯玻色子和引力波——這是過去十年的兩個重大發現。同時，基於對稱性推理預測的一系列事情還沒有在實驗中被證實，包括“超對稱”粒子，該粒子可以作為宇宙的暗物質，並且可以解釋為什麼引力與電磁力以及其他力相比為什麼會這麼弱。

在某些情況下，自然界基本定律中的對稱性在現實中似乎被打破了。例如，當能量通過遵循偉大的公式E = mc2凝結成物質時，結果是等量的物質和反物質——一種對稱。但是，如果大爆炸的能量產生了等量的物質和反物質，它們就應該相互湮滅，不留任何物質的痕跡。然而，我們還存在着。

完美的對稱性本應存在於宇宙早期的高温時刻，但當它冷卻下來時，這種對稱性就被破壞了，就像完全對稱的水滴在結冰時失去了一些對稱性一樣。(一片雪花可能在六個不同的方向看起來是一樣的，但融化的雪花在每個方向看起來都是一樣的。)

“每個人都對自發對稱性破缺感興趣，”斯科蒂爾説。“自然法則遵循對稱性，但你感興趣的解並不如此。”

但是是什麼打破了物質和反物質之間的對稱性呢？

如果今天的物理學被證明揹負着不必要的支架，沒有人會感到驚訝，就像愛因斯坦之前誤導人們的“真空”概念一樣。一些人認為，今天的誤導甚至可能與對對稱本身的痴迷有關，至少目前人們是這樣理解的。

許多物理學家一直在探索一種與對稱性密切相關的概念，稱為“對偶性”。“對偶性對物理學來説並不新鮮。波與粒子的對偶（即我們熟知的“波粒二象性”）自量子力學誕生以來就一直存在。但是新發現的對偶性揭示了令人驚訝的關係：例如，一個沒有重力的三維世界可以在數學上等同於一個有重力的四維世界。

如果對不同空間維度的世界的描述是正確的，那麼“在某種意義上，一個維度可以被認為是可替代的”。特羅登説。

“這些二象性包括要素有維度的數量，我們認為這是不變的，”迪傑格拉夫説，“但它們不是。這兩種等價描述的存在，以及隨之而來的各種計算，提出了“一個非常深刻、近乎哲學的觀點：是否存在一種不變的方式來描述物理現實？”

沒人放棄對稱，其中一部分原因是它如此強大，也因為對許多物理學家來説放棄意味着放棄“自然性”，放棄探究宇宙和事物運行的方式。

顯然，自然的某些方面——比如行星的軌道——是歷史和偶然的結果，而不是對稱性。生物進化是已知機制和偶然的結合。作為對愛因斯坦“上帝不擲骰子”的説法的回應，馬克思·波恩指出“自然，以及人類事務，似乎既受必然性的支配，也受偶然性的支配”，也許他是對的。

物理學的某些方面必須保持不變——例如因果關係。“結果不能先於原因，”亞歷山大如是説。其他事情幾乎肯定不會。

在未來肯定不會起關鍵作用的一個方面是光速，它奠定了愛因斯坦工作的基礎。愛因斯坦在一個世紀前提出的光滑時空結構在黑洞內部和大爆炸的時刻會不可避免地被撕成碎片。“如果時空正在崩潰，光速就不可能保持恆定，”亞歷山大説。“如果時空正在崩潰，什麼是不變的？”

某些對偶性表明時空是從更基本的、也是最奇怪的關係中產生的：愛因斯坦所説的糾纏量子粒子之間的“幽靈般的”聯繫。許多研究人員認為，這些長程關聯將時空縫合在一起。正如凱澤所説，“希望類似於時空連續這樣的東西能作為次級的效應，由更基本的關係湧現出來，包括糾纏關係。”在這種情況下，他説，經典的、連續的時空將是一種“幻覺”。

新觀點的高門檻在於，它們不能與量子力學和相對論等一貫可靠的理論相悖——包括支持它們的對稱性。

愛因斯坦曾經把建立新理論比作爬山。從更高的角度看，你可以看到舊的理論仍然存在，但它已經改變了，而且你可以看到它擁有更大的、更具包容性的風景。並不是像費曼以“上週的土豆”作為類比的建議那樣，未來的思想家們可能會用量子糾纏中編碼的信息來思考物理學，量子糾纏直接編織時空來把“土豆”培植在最開始的地方。

原文來源：

https：//www·quantamagazine·org/einstein-symmetry-and-the-future-of-physics-20190626/

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