萬物理論競賽，最終花落誰家？_風聞

現有的大統一理論統一了除引力之外的三種相互作用。還有一個理論嘗試用糾纏的量子信息統一三種相互作用和所有物質基本粒子。物理學家一直也在追尋引力和其他基本相互作用的統一，這些頂尖的大腦提出了許多有見地的理論。特別是超弦理論被寄予厚望，因其超對稱性有被實驗證實的可能，但至今最強大的對撞機並未能給出結果。因此，其他試圖統一的理論躍躍欲試——我們似乎正處於一個新物理學的黎明前夜。

撰文 | Leah James

翻譯 | 夏夢嬋、張一

——再見，小蘇西[1]

有句睿智的諺語説，不要把所有的雞蛋放在一個籃子裏。然而，近幾十年來，物理學家們卻未能遵循這一智慧。20世紀，乃至之前的19世紀，是物理學家的輝煌時期。他們轉變了人們對物質世界的理解，從而改變了人們改造周圍世界的能力。沒有物理學家在這兩個世紀裏所獲得的知識，就沒有現代文明的存在。

世界饋贈他們昂貴的玩具作為獎勵。大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）是其中最新的一個：它耗資60億美元，坐落在日內瓦附近一條周長27公里的隧道內，於2008年投入使用。它很快發現了一種早就被預言到的基本粒子——希格斯玻色子（Higgs boson），這是上世紀60年代理論計算的遺留。隨後LHC開始了其真正的目的：尋找一種叫作超對稱（Supersymmetry）的現象。

這一簡稱“Susy”的理論提出於20世紀70年代，它是一個包羅萬象的籃子，直到最近，粒子物理學的雞蛋才都被放入其中。就其本身而言，它本該消除所謂粒子物理學的標準模型（Standard Model）正常工作所需的許多任意的數學假設。但它也是一個更深層次的假設——弦理論（string theory，引入超對稱性後一般稱為超弦理論）的先鋒部隊，弦理論旨在將標準模型與愛因斯坦的廣義相對論結合起來。愛因斯坦的理論解釋了引力，而標準模型解釋了其他三種基本力——電磁力、弱力和強核力——及相關粒子。兩者都很好地描述了各自領域的實在,但它們並沒有聯繫在一起。弦理論將它們聯繫起來，從而提供了所謂的“萬物理論”（theory of everything）。

超弦驅動萬物

超弦理論認為宇宙是由極小的物體組成的，它們以樂器琴絃的方式振動。類似這些琴絃，它們也具有共振頻率和諧波。超弦理論家認為，這些不同的振動模式對應於不同的基本粒子。這些粒子包括所有已被觀測到的，作為標準模型涵蓋的的粒子,以及Susy預測出的更多粒子。Susy假設，如果標準模型的每個粒子都存在一個更重的“超對稱”夥伴粒子或“超（對稱）粒子”（sparticle，譯者注：後統一記為“超粒子”），加上被稱為引力子（graviton）的粒子，那麼就可以消除標準模型數學上的脆弱性。其中引力子是將引力納入任何統一理論所必需的粒子，但它不是相對論預言的。

然而，沒有Susy就沒有弦論。而且，在LHC啓用13年後，還沒有出現任何超粒子。甚至今年早些時候公佈的兩個尚未得到解釋的結果中（一個來自LHC，另一個來自較小的對撞機），也沒有提供直接支持Susy的證據。因此，許多物理學家擔心，他們一直在白費力氣。

他們有充分的理由感到焦慮。超弦理論已經在觀念上被貼上了令人不安的標籤——那就是在眾所周知的四維（三個空間維度和一個時間維度）之上，為宇宙額外增加了六個維度（在某個版本中增加了七個）；它描述了大約10^500個可能的宇宙，其中只有一個與人類生活的宇宙相匹配。接受這一切已經足具挑戰性了。然而，如果沒有Susy，弦論就會徹底瘋狂——維數將爆增到26個。理論也失去了描述大部分標準模型粒子的能力。這意味着存在着一些奇怪的東西，比如被稱為快子（tachyon）的（超光速）粒子，它們的運動速度比光還快，因此與相對論不相容。如果沒有Susy，弦論作為一種萬物理論看起來幾乎是死定了。如是就為非弦論的萬物理論掃清了障礙。

必須承認，許多非弦論理論的名字對英語來説確實是一種折磨。它們包括“因果動力學三角剖分”（causal dynamical triangulation）、“漸近安全引力”（asymptotically safe gravity）、“圈量子引力（loop quantum gravity）和“量子理論的概率幅多面體形式[2]”（amplituhedron formulation of quantum theory）。但目前博彩公司最喜歡的統一相對論和標準模型的是一種叫作“熵引力”（entropic gravity）的東西。

怪物藏其內

熵是衡量一個系統無序程度的指標。眾所周知，熱力學第二定律斷言熵隨時間增加（即，事物有隨着時間推移而變得更混亂的趨勢）。這與引力理論的關係也許還不甚明顯，更別説萬物理論。但兩者間的聯繫是黑洞。黑洞具有強大的引力場，甚至光線都無法從中逃逸。它們由廣義相對論所預言，儘管愛因斯坦在1955年去世前一直對它們的真實存在持懷疑態度，但隨後的觀測表明它們確實存在。而且，它們並不“黑”。

1974年，劍橋大學的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明，黑洞邊界的量子效應允許黑洞輻射粒子——特別是光子，它們是包括光在內的電磁輻射的粒子。這會產生不尋常的後果。光子攜帶輻射熱，所以發射它們的東西是有温度的。根據其温度和質量，有可能計算出黑洞的熵。這很重要，因為當所有這些變量都被代入熱力學第一定律，即能量既不能被創造也不能被破壞，只能從一種形式（比如熱）轉化為另一種形式（比如機械功），那麼就能推出愛因斯坦的廣義相對論方程。

阿姆斯特丹大學的埃裏克·維林德 (Erik Verlinde) 在2010年發現了這種關係。這有重大意義。熱力學定律依賴於統計力學。它們涉及的屬性（温度、熵等）湧現自對相關的底層粒子行為的概率描述。這些也是量子力學所描述的粒子，量子力學是支撐標準模型的數學理論。愛因斯坦方程能以熱力學方式重新表述，這意味着空間和時間也是從更深層的微觀圖景湧現出的屬性。因此，量子力學和相對論的現有形式原則上似乎都可以從描述宇宙底層結構的更深層次理論中推導出來。

但弦論不是這樣導出的，超弦還不是那麼基礎的實體。但熵引力聲稱描述了空間和時間，或借用愛因斯坦的術語——“時空” (spacetime)——的本性。它聲稱這是由連接宇宙中每個粒子的“量子糾纏” (quantum entanglement) 細絲編織而成的。

量子糾纏的思想——又一被愛因斯坦嗤之以鼻卻被證明正確的現象——可以追溯到1935年。它是兩個或更多以某種方式相互關聯（“糾纏”）的物體的屬性，這意味着它們不能被獨立描述。這會造成奇怪的效應。特別是，兩個纏纏的粒子即使相距很遠，也會在瞬間影響彼此的行為。愛因斯坦將這種行為稱為“鬼魅的超距作用” (spooky action at a distance)，因為它似乎違反了相對論的前提，即宇宙有一個速度極限——光速。

和黑洞一樣，愛因斯坦未能看到自己被證明是錯的那一天。不過實驗的確表明他錯了。糾纏是真實的，並不違反相對論，因為儘管一個粒子對另一個粒子的影響是瞬時的，但無法利用這種效應以比光速更快的速度傳遞信息。而在過去五年中，哈佛大學的布萊恩·斯温格爾 (Brian Swingle) 和加州理工學院的肖恩·卡羅爾 (Sean Carroll) 已經開始利用量子信息理論的思想，構造維林德博士的想法在實際中可能的模型。他們的方法是利用量子信息比特（所謂的“量子比特”，qubit）來代替糾纏粒子。其結果是一個簡單但信息豐富的時空類似物。

量子比特，即經典比特的量子等價物——常規計算所基於的1和0——對量子計算領域的研究者來説非常熟悉。它們是量子信息理論的基礎。量子比特有兩個區別於常規比特的屬性。首先，可以將它們置於“疊加”狀態，同時表示1和0。第二，幾個量子比特可以糾纏在一起。這些特性使量子計算機能夠同時完成多項計算，或在合理的時間內完成對於普通計算機來説困難甚至是不可能完成的某些特定的計算。

根據斯温格爾和卡羅爾的説法，由於量子比特的糾纏，它們也可以被用作現實如何運作的替身。量子比特糾纏的越緊密，代表時空中相應點上的粒子距離越近。到目前為止，量子計算機尚在研究中，這種建模只能通過量子比特的數學表示來完成。不過，它們似乎遵循廣義相對論方程。這支持了熵引力理論的主張。

“富貴險中求”

所有這些模型都使熵引力處於有利地位，取代弦論成為人們長期追求的萬物理論。但是，認為“時空是宇宙的一種湧現 (emergent) 屬性，而非其基本屬性”的觀點有一個令人不安的後果。它模糊了因果關係（causality）的本質。

在熵引力形成的圖景中，時空是多個狀態的疊加。正是這一點模糊了因果關係。最能描述時空的數學分支是一種幾何形式，它有四個互成直角的軸，而不是我們更熟悉的三個軸。第四個軸代表時間，因此，就像物體的位置一樣，時空中事件的順序由幾何決定。如果如熵引力所要求的那樣，不同的幾何排列疊加起來，那麼有時會出現“A導致B”和“B導致A”的説法都正確的情況。

這不僅僅是猜測。在2016年，英國布里斯托大學的朱利亞·魯比諾 (Giulia Rubino) 構造了一個涉及極化光子和稜鏡的實驗，精準地實現了這一情形。這對那些持有守舊的因果性本質觀念的人帶來了麻煩。

然而，加拿大圓周物理研究所的盧西恩·哈代 (Lucien Hardy) 發現了一種方法，可以重新表述量子力學定律，從而克服這一困難。在他看來，人們普遍認為的因果關係就像計算中的數據壓縮：這是一個物超所值的概念，只要有一點關於現在的信息，因果關係就可以推斷出很多關於未來的信息——壓縮了及時捕獲物理系統細節所需的信息量。

但哈代博士認為，因果關係可能不是描述這種相關性的唯一方式。相反，他發明了一種從頭開始建立關聯模式描述的通用方法。他稱之為“類因果框架”（the causaloid framework）的方法傾向於再現因果關係，但並不假設因果關係。他用這種方法重新表述了量子理論（2005年）和廣義相對論（2016年）。類因果數學並不是一種萬物理論。但是有一個很好的機會，如果這樣一個理論被發現，很有可能需要類因果原理 (causaloid principle) 來描述它，正如廣義相對論需要一種四維幾何來描述時空一樣。

概率幅調製

因此，熵引力有很多繁重的概念性工作來支持它。但它並不是取代弦論的唯一候選者。其他爭相引起關注的，還有一個被稱為圈量子引力的老對手，最初由其時在匹茲堡大學的卡羅·羅威利 (Carlo Rovelli) 和圓周研究所的李·斯莫林(Lee Smolin) 在1994年提出。這一理論，以及因果動力學三角剖分——一個更晚但類似的思想——表示時空不是廣義相對論所斷言的平滑結構，而是具有基本的圈(loop)或三角形的結構，這取決於你支持哪一種。

第三種選擇——漸近安全引力——可以追溯到更遠的1976年，由標準模型的主要設計師之一斯蒂文·温伯格 (Steven Weinberg) 提出。發展量子引力理論的一個自然方式是在模型中加入引力子。不幸的是，這種方法行不通，因為當以更高的能量計算這些假定粒子的相互作用時，數學似乎變得毫無意義。然而，温伯格（他於今年7月去世）認為，如果使用足夠強大的計算機進行計算，這種明顯的崩潰將消失（用數學的話説，計算將是“漸近安全的”）。而且，隨着最近這種能力的超級計算機的出現，從早期的結果來看，他似乎是對的。

可是，熵引力最有趣的競爭對手之一是量子理論的概率幅多面體 (amplituhedron) 形式。這是在2013年由普林斯頓高等研究所的尼瑪·阿卡尼-哈米德 (Nima Arkani Hamed) 和加州大學戴維斯分校的雅羅斯拉夫·特恩卡 (Jaroslav Trnka) 提出的。他們發現了一類被稱為概率幅多面體的幾何結構，每一種結構都編碼了可能的量子相互作用的細節。反過來，這些是“主”概率幅多面體的面，它編碼了每一種可能的物理過程。因此，用概率幅多面體來重新表述所有的量子理論成為可能。

大多數關於萬物理論的嘗試都試圖將引力融入量子理論，愛因斯坦通過幾何學描述引力，但量子理論並不以同樣方式依賴於幾何。概率幅多面體方法正好相反，它主張量子理論實際上深植於幾何。更妙的是，概率幅多面體並不是建立在時空的概念上，甚至也不是統計力學的基礎上。相反，這些觀念是自然而然地從中湧現出來的。因此，儘管概率幅多面體方法尚未提供完整的量子引力理論，但它開闢了一條可能通向量子引力的有趣道路。

空間、時間甚至因果關係都是湧現出來的，而非宇宙基本屬性，這是一種激進的思想，但恰是關鍵。20世紀的物理學革命——廣義相對論和量子力學——之所以被視為意義深遠，正是因為它們顛覆了常識。接受相對論意味着放棄時間和空間的普遍概念，認真對待量子力學意味着適應糾纏和疊加等觀念。擁抱熵引力或其替代者將需要類似想象力的飛躍。

然而，沒有數據，任何理論都一文不值。畢竟，這就是超對稱性的困境所在。魯比諾博士那樣的工作指明瞭道路，粒子物理實驗室外的一些東西也會受到歡迎。而且，儘管它們的含義並不明確，但在過去幾個月裏，人們確實看到了兩個實驗導致標準模型出現裂痕。

（今年）3月23日，運行LHC的歐洲核子研究中心(CERN)的一個研究小組報告説，電子和它們更重的表親μ子 (muon) 之間的行為出現了意想不到的差異。兩種粒子彼此之間除質量不同外，沒有已知的性質的不同。標準模型預言，當其他粒子衰變為它們時，兩者數量應相等。但這似乎不是真的。LHC的中期結果表明，一種稱為B介子 (B-meson) 的粒子更可能衰變為電子而非μ子。這表明標準模型中缺少一種未知的基本力。在其後的4月7日，美國最大的粒子物理設施，費米國家實驗室宣佈了自己的μ子實驗——μ子g-2的中期結果。

在量子世界裏，並沒有完美的真空——在時空中的任何地方，粒子的泡沫都會不斷地產生和湮滅。這些是“虛的” (virtual) 而非“真實的”（real）粒子——也就是説，它們是直接從量子不確定性中誕生的轉瞬即逝的漲落 (fluctuation)。雖然它們的壽命很短，但在它們存在的剎那，仍然可以與更持久的物質相互作用。例如，它們是霍金預言的黑洞輻射源。

標準模型預言了它們與相對黑洞來説更為常規的物質的相互作用強度。為了檢驗這些預言，μ子g-2實驗將μ子發射進一個強大的超導磁儲存環內。量子泡沫改變了μ子顫動的方式，探測器能以難以置信的精度檢測到。μ子g-2實驗表明，引起這些顫動的相互作用比標準模型預言的稍強。如果得到確認，這將意味着標準模型缺少一個或多個基本粒子。

破 曉

這些（粒子）是缺失的超粒子的可能性很小。如果真是超粒子，超對稱的支持者將會笑到最後。但沒有任何證據指向這一方向，並且迄今為止，他們未能使自己的觀點站得住腳，因此明智地保持了緘默。

無論造成這兩個結果的原因是什麼，它們表明確實存在一些現有解釋無法説明的東西。同樣無法解釋的異常現象是量子理論和相對論的起點。所以，物理學上最長的一個黑夜，看起來很有可能即將迎來一個新的黎明。

註釋

[1] 題中“Susy”語意雙關，借人名代指超對稱（SUSY）理論。

[2] 振幅多面體是2013年Arkani-Hamed和Trnka引入的，人們猜測它的幾何結構決定了特定類型量子場論中的散射振幅。參見：N. Arkani-Hamed and J. Trnka, The Amplituhedron, arxiv.org/abs/1312.2007

本文原標題：Physics seeks the future

原文鏈接：https://www.economist.com/science-and-technology/physics-seeks-the-future/21803916