翻譯 | 夏夢(mèng)嬋、張一

——再見(jiàn)，小蘇西^[1]

有句睿智的諺語(yǔ)說(shuō)，不要把所有的雞蛋放在一個(gè)籃子里。然而，近幾十年來(lái)，物理學(xué)家們卻未能遵循這一智慧。20世紀(jì)，乃至之前的19世紀(jì)，是物理學(xué)家的輝煌時(shí)期。他們轉(zhuǎn)變了人們對(duì)物質(zhì)世界的理解，從而改變了人們改造周?chē)澜绲哪芰?。沒(méi)有物理學(xué)家在這兩個(gè)世紀(jì)里所獲得的知識(shí)，就沒(méi)有現(xiàn)代文明的存在。

世界饋贈(zèng)他們昂貴的玩具作為獎(jiǎng)勵(lì)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider, LHC）是其中最新的一個(gè)：它耗資60億美元，坐落在日內(nèi)瓦附近一條周長(zhǎng)27公里的隧道內(nèi)，于2008年投入使用。它很快發(fā)現(xiàn)了一種早就被預(yù)言到的基本粒子——希格斯玻色子（Higgs boson），這是上世紀(jì)60年代理論計(jì)算的遺留。隨后LHC開(kāi)始了其真正的目的：尋找一種叫作超對(duì)稱(chēng)（Supersymmetry）的現(xiàn)象。

這一簡(jiǎn)稱(chēng)“Susy”的理論提出于20世紀(jì)70年代，它是一個(gè)包羅萬(wàn)象的籃子，直到最近，粒子物理學(xué)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(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）正常工作所需的許多任意的數(shù)學(xué)假設(shè)。但它也是一個(gè)更深層次的假設(shè)——弦理論（string theory，引入超對(duì)稱(chēng)性后一般稱(chēng)為超弦理論）的先鋒部隊(duì)，弦理論旨在將標(biāo)準(zhǔn)模型與愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)。愛(ài)因斯坦的理論解釋了引力，而標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了其他三種基本力——電磁力、弱力和強(qiáng)核力——及相關(guān)粒子。兩者都很好地描述了各自領(lǐng)域的實(shí)在,但它們并沒(méi)有聯(lián)系在一起。弦理論將它們聯(lián)系起來(lái)，從而提供了所謂的“萬(wàn)物理論”（theory of everything）。

超弦理論認(rèn)為宇宙是由極小的物體組成的，它們以樂(lè)器琴弦的方式振動(dòng)。類(lèi)似這些琴弦，它們也具有共振頻率和諧波。超弦理論家認(rèn)為，這些不同的振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)于不同的基本粒子。這些粒子包括所有已被觀測(cè)到的，作為標(biāo)準(zhǔn)模型涵蓋的的粒子,以及Susy預(yù)測(cè)出的更多粒子。Susy假設(shè)，如果標(biāo)準(zhǔn)模型的每個(gè)粒子都存在一個(gè)更重的“超對(duì)稱(chēng)”伙伴粒子或“超（對(duì)稱(chēng)）粒子”（sparticle，譯者注：后統(tǒng)一記為“超粒子”），加上被稱(chēng)為引力子（graviton）的粒子，那么就可以消除標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)學(xué)上的脆弱性。其中引力子是將引力納入任何統(tǒng)一理論所必需的粒子，但它不是相對(duì)論預(yù)言的。

然而，沒(méi)有Susy就沒(méi)有弦論。而且，在LHC啟用13年后，還沒(méi)有出現(xiàn)任何超粒子。甚至今年早些時(shí)候公布的兩個(gè)尚未得到解釋的結(jié)果中（一個(gè)來(lái)自LHC，另一個(gè)來(lái)自較小的對(duì)撞機(jī)），也沒(méi)有提供直接支持Susy的證據(jù)。因此，許多物理學(xué)家擔(dān)心，他們一直在白費(fèi)力氣。

他們有充分的理由感到焦慮。超弦理論已經(jīng)在觀念上被貼上了令人不安的標(biāo)簽——那就是在眾所周知的四維（三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度）之上，為宇宙額外增加了六個(gè)維度（在某個(gè)版本中增加了七個(gè)）；它描述了大約10^500個(gè)可能的宇宙，其中只有一個(gè)與人類(lèi)生活的宇宙相匹配。接受這一切已經(jīng)足具挑戰(zhàn)性了。然而，如果沒(méi)有Susy，弦論就會(huì)徹底瘋狂——維數(shù)將爆增到26個(gè)。理論也失去了描述大部分標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的能力。這意味著存在著一些奇怪的東西，比如被稱(chēng)為快子（tachyon）的（超光速）粒子，它們的運(yùn)動(dòng)速度比光還快，因此與相對(duì)論不相容。如果沒(méi)有Susy，弦論作為一種萬(wàn)物理論看起來(lái)幾乎是死定了。如是就為非弦論的萬(wàn)物理論掃清了障礙。

必須承認(rèn)，許多非弦論理論的名字對(duì)英語(yǔ)來(lái)說(shuō)確實(shí)是一種折磨。它們包括“因果動(dòng)力學(xué)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(tǒng)一相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型的是一種叫作“熵引力”（entropic gravity）的東西。

熵是衡量一個(gè)系統(tǒng)無(wú)序程度的指標(biāo)。眾所周知，熱力學(xué)第二定律斷言熵隨時(shí)間增加（即，事物有隨著時(shí)間推移而變得更混亂的趨勢(shì)）。這與引力理論的關(guān)系也許還不甚明顯，更別說(shuō)萬(wàn)物理論。但兩者間的聯(lián)系是黑洞。黑洞具有強(qiáng)大的引力場(chǎng)，甚至光線都無(wú)法從中逃逸。它們由廣義相對(duì)論所預(yù)言，盡管愛(ài)因斯坦在1955年去世前一直對(duì)它們的真實(shí)存在持懷疑態(tài)度，但隨后的觀測(cè)表明它們確實(shí)存在。而且，它們并不“黑”。

1974年，劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明，黑洞邊界的量子效應(yīng)允許黑洞輻射粒子——特別是光子，它們是包括光在內(nèi)的電磁輻射的粒子。這會(huì)產(chǎn)生不尋常的后果。光子攜帶輻射熱，所以發(fā)射它們的東西是有溫度的。根據(jù)其溫度和質(zhì)量，有可能計(jì)算出黑洞的熵。這很重要，因?yàn)楫?dāng)所有這些變量都被代入熱力學(xué)第一定律，即能量既不能被創(chuàng)造也不能被破壞，只能從一種形式（比如熱）轉(zhuǎn)化為另一種形式（比如機(jī)械功），那么就能推出愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程。

阿姆斯特丹大學(xué)的埃里克·維林德 (Erik Verlinde) 在2010年發(fā)現(xiàn)了這種關(guān)系。這有重大意義。熱力學(xué)定律依賴(lài)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)。它們涉及的屬性（溫度、熵等）涌現(xiàn)自對(duì)相關(guān)的底層粒子行為的概率描述。這些也是量子力學(xué)所描述的粒子，量子力學(xué)是支撐標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)理論。愛(ài)因斯坦方程能以熱力學(xué)方式重新表述，這意味著空間和時(shí)間也是從更深層的微觀圖景涌現(xiàn)出的屬性。因此，量子力學(xué)和相對(duì)論的現(xiàn)有形式原則上似乎都可以從描述宇宙底層結(jié)構(gòu)的更深層次理論中推導(dǎo)出來(lái)。

但弦論不是這樣導(dǎo)出的，超弦還不是那么基礎(chǔ)的實(shí)體。但熵引力聲稱(chēng)描述了空間和時(shí)間，或借用愛(ài)因斯坦的術(shù)語(yǔ)——“時(shí)空” (spacetime)——的本性。它聲稱(chēng)這是由連接宇宙中每個(gè)粒子的“量子糾纏” (quantum entanglement) 細(xì)絲編織而成的。

量子糾纏的思想——又一被愛(ài)因斯坦嗤之以鼻卻被證明正確的現(xiàn)象——可以追溯到1935年。它是兩個(gè)或更多以某種方式相互關(guān)聯(lián)（“糾纏”）的物體的屬性，這意味著它們不能被獨(dú)立描述。這會(huì)造成奇怪的效應(yīng)。特別是，兩個(gè)纏纏的粒子即使相距很遠(yuǎn)，也會(huì)在瞬間影響彼此的行為。愛(ài)因斯坦將這種行為稱(chēng)為“鬼魅的超距作用” (spooky action at a distance)，因?yàn)樗坪踹`反了相對(duì)論的前提，即宇宙有一個(gè)速度極限——光速。

和黑洞一樣，愛(ài)因斯坦未能看到自己被證明是錯(cuò)的那一天。不過(guò)實(shí)驗(yàn)的確表明他錯(cuò)了。糾纏是真實(shí)的，并不違反相對(duì)論，因?yàn)楸M管一個(gè)粒子對(duì)另一個(gè)粒子的影響是瞬時(shí)的，但無(wú)法利用這種效應(yīng)以比光速更快的速度傳遞信息。而在過(guò)去五年中，哈佛大學(xué)的布萊恩·斯溫格爾 (Brian Swingle) 和加州理工學(xué)院的肖恩·卡羅爾 (Sean Carroll) 已經(jīng)開(kāi)始利用量子信息理論的思想，構(gòu)造維林德博士的想法在實(shí)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(lái)代替糾纏粒子。其結(jié)果是一個(gè)簡(jiǎn)單但信息豐富的時(shí)空類(lèi)似物。

量子比特，即經(jīng)典比特的量子等價(jià)物——常規(guī)計(jì)算所基于的1和0——對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域的研究者來(lái)說(shuō)非常熟悉。它們是量子信息理論的基礎(chǔ)。量子比特有兩個(gè)區(qū)別于常規(guī)比特的屬性。首先，可以將它們置于“疊加”狀態(tài)，同時(shí)表示1和0。第二，幾個(gè)量子比特可以糾纏在一起。這些特性使量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)完成多項(xiàng)計(jì)算，或在合理的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)于普通計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)困難甚至是不可能完成的某些特定的計(jì)算。

根據(jù)斯溫格爾和卡羅爾的說(shuō)法，由于量子比特的糾纏，它們也可以被用作現(xiàn)實(shí)如何運(yùn)作的替身。量子比特糾纏的越緊密，代表時(shí)空中相應(yīng)點(diǎn)上的粒子距離越近。到目前為止，量子計(jì)算機(jī)尚在研究中，這種建模只能通過(guò)量子比特的數(shù)學(xué)表示來(lái)完成。不過(guò)，它們似乎遵循廣義相對(duì)論方程。這支持了熵引力理論的主張。

所有這些模型都使熵引力處于有利地位，取代弦論成為人們長(zhǎng)期追求的萬(wàn)物理論。但是，認(rèn)為“時(shí)空是宇宙的一種涌現(xiàn) (emergent) 屬性，而非其基本屬性”的觀點(diǎn)有一個(gè)令人不安的后果。它模糊了因果關(guān)系（causality）的本質(zhì)。

在熵引力形成的圖景中，時(shí)空是多個(gè)狀態(tài)的疊加。正是這一點(diǎn)模糊了因果關(guān)系。最能描述時(shí)空的數(shù)學(xué)分支是一種幾何形式，它有四個(gè)互成直角的軸，而不是我們更熟悉的三個(gè)軸。第四個(gè)軸代表時(shí)間，因此，就像物體的位置一樣，時(shí)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(lái)，那么有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“A導(dǎo)致B”和“B導(dǎo)致A”的說(shuō)法都正確的情況。

這不僅僅是猜測(cè)。在2016年，英國(guó)布里斯托大學(xué)的朱利亞·魯比諾 (Giulia Rubino) 構(gòu)造了一個(gè)涉及極化光子和棱鏡的實(shí)驗(yàn)，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了這一情形。這對(duì)那些持有守舊的因果性本質(zhì)觀念的人帶來(lái)了麻煩。

然而，加拿大圓周物理研究所的盧西恩·哈代 (Lucien Hardy) 發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以重新表述量子力學(xué)定律，從而克服這一困難。在他看來(lái)，人們普遍認(rèn)為的因果關(guān)系就像計(jì)算中的數(shù)據(jù)壓縮：這是一個(gè)物超所值的概念，只要有一點(diǎn)關(guān)于現(xiàn)在的信息，因果關(guān)系就可以推斷出很多關(guān)于未來(lái)的信息——壓縮了及時(shí)捕獲物理系統(tǒng)細(xì)節(jié)所需的信息量。

但哈代博士認(rèn)為，因果關(guān)系可能不是描述這種相關(guān)性的唯一方式。相反，他發(fā)明了一種從頭開(kāi)始建立關(guān)聯(lián)模式描述的通用方法。他稱(chēng)之為“類(lèi)因果框架”（the causaloid framework）的方法傾向于再現(xiàn)因果關(guān)系，但并不假設(shè)因果關(guān)系。他用這種方法重新表述了量子理論（2005年）和廣義相對(duì)論（2016年）。類(lèi)因果數(shù)學(xué)并不是一種萬(wàn)物理論。但是有一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，如果這樣一個(gè)理論被發(fā)現(xiàn)，很有可能需要類(lèi)因果原理 (causaloid principle) 來(lái)描述它，正如廣義相對(duì)論需要一種四維幾何來(lái)描述時(shí)空一樣。

因此，熵引力有很多繁重的概念性工作來(lái)支持它。但它并不是取代弦論的唯一候選者。其他爭(zhēng)相引起關(guān)注的，還有一個(gè)被稱(chēng)為圈量子引力的老對(duì)手，最初由其時(shí)在匹茲堡大學(xué)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(dòng)力學(xué)三角剖分——一個(gè)更晚但類(lèi)似的思想——表示時(shí)空不是廣義相對(duì)論所斷言的平滑結(jié)構(gòu)，而是具有基本的圈(loop)或三角形的結(jié)構(gòu)，這取決于你支持哪一種。

第三種選擇——漸近安全引力——可以追溯到更遠(yuǎn)的1976年，由標(biāo)準(zhǔn)模型的主要設(shè)計(jì)師之一斯蒂文·溫伯格 (Steven Weinberg) 提出。發(fā)展量子引力理論的一個(gè)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?yàn)楫?dāng)以更高的能量計(jì)算這些假定粒子的相互作用時(shí)，數(shù)學(xué)似乎變得毫無(wú)意義。然而，溫伯格（他于今年7月去世）認(rèn)為，如果使用足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，這種明顯的崩潰將消失（用數(shù)學(xué)的話說(shuō)，計(jì)算將是“漸近安全的”）。而且，隨著最近這種能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，從早期的結(jié)果來(lái)看，他似乎是對(duì)的。

可是，熵引力最有趣的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(xué)戴維斯分校的雅羅斯拉夫·特恩卡 (Jaroslav Trnka) 提出的。他們發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)被稱(chēng)為概率幅多面體的幾何結(jié)構(gòu)，每一種結(jié)構(gòu)都編碼了可能的量子相互作用的細(xì)節(jié)。反過(guò)來(lái)，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(guò)程。因此，用概率幅多面體來(lái)重新表述所有的量子理論成為可能。

大多數(shù)關(guān)于萬(wàn)物理論的嘗試都試圖將引力融入量子理論，愛(ài)因斯坦通過(guò)幾何學(xué)描述引力，但量子理論并不以同樣方式依賴(lài)于幾何。概率幅多面體方法正好相反，它主張量子理論實(shí)際上深植于幾何。更妙的是，概率幅多面體并不是建立在時(shí)空的概念上，甚至也不是統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基礎(chǔ)上。相反，這些觀念是自然而然地從中涌現(xiàn)出來(lái)的。因此，盡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(kāi)辟了一條可能通向量子引力的有趣道路。

空間、時(shí)間甚至因果關(guān)系都是涌現(xiàn)出來(lái)的，而非宇宙基本屬性，這是一種激進(jìn)的思想，但恰是關(guān)鍵。20世紀(jì)的物理學(xué)革命——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)——之所以被視為意義深遠(yuǎn)，正是因?yàn)樗鼈冾嵏擦顺ＷR(shí)。接受相對(duì)論意味著放棄時(shí)間和空間的普遍概念，認(rèn)真對(duì)待量子力學(xué)意味著適應(yīng)糾纏和疊加等觀念。擁抱熵引力或其替代者將需要類(lèi)似想象力的飛躍。

然而，沒(méi)有數(shù)據(jù)，任何理論都一文不值。畢竟，這就是超對(duì)稱(chēng)性的困境所在。魯比諾博士那樣的工作指明了道路，粒子物理實(shí)驗(yàn)室外的一些東西也會(huì)受到歡迎。而且，盡管它們的含義并不明確，但在過(guò)去幾個(gè)月里，人們確實(shí)看到了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模型出現(xiàn)裂痕。

（今年）3月23日，運(yùn)行LHC的歐洲核子研究中心(CERN)的一個(gè)研究小組報(bào)告說(shuō)，電子和它們更重的表親μ子 (muon) 之間的行為出現(xiàn)了意想不到的差異。兩種粒子彼此之間除質(zhì)量不同外，沒(méi)有已知的性質(zhì)的不同。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，當(dāng)其他粒子衰變?yōu)樗鼈儠r(shí)，兩者數(shù)量應(yīng)相等。但這似乎不是真的。LHC的中期結(jié)果表明，一種稱(chēng)為B介子 (B-meson) 的粒子更可能衰變?yōu)殡娮佣铅套?。這表明標(biāo)準(zhǔn)模型中缺少一種未知的基本力。在其后的4月7日，美國(guó)最大的粒子物理設(shè)施，費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布了自己的μ子實(shí)驗(yàn)——μ子g-2的中期結(jié)果。

在量子世界里，并沒(méi)有完美的真空——在時(shí)空中的任何地方，粒子的泡沫都會(huì)不斷地產(chǎn)生和湮滅。這些是“虛的” (virtual) 而非“真實(shí)的”（real）粒子——也就是說(shuō)，它們是直接從量子不確定性中誕生的轉(zhuǎn)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(zhì)相互作用。例如，它們是霍金預(yù)言的黑洞輻射源。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了它們與相對(duì)黑洞來(lái)說(shuō)更為常規(guī)的物質(zhì)的相互作用強(qiáng)度。為了檢驗(yàn)這些預(yù)言，μ子g-2實(shí)驗(yàn)將μ子發(fā)射進(jìn)一個(gè)強(qiáng)大的超導(dǎo)磁儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)。量子泡沫改變了μ子顫動(dòng)的方式，探測(cè)器能以難以置信的精度檢測(cè)到。μ子g-2實(shí)驗(yàn)表明，引起這些顫動(dòng)的相互作用比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的稍強(qiáng)。如果得到確認(rèn)，這將意味著標(biāo)準(zhǔn)模型缺少一個(gè)或多個(gè)基本粒子。

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(duì)稱(chēng)的支持者將會(huì)笑到最后。但沒(méi)有任何證據(jù)指向這一方向，并且迄今為止，他們未能使自己的觀點(diǎn)站得住腳，因此明智地保持了緘默。

無(wú)論造成這兩個(gè)結(jié)果的原因是什么，它們表明確實(shí)存在一些現(xiàn)有解釋無(wú)法說(shuō)明的東西。同樣無(wú)法解釋的異?，F(xiàn)象是量子理論和相對(duì)論的起點(diǎn)。所以，物理學(xué)上最長(zhǎng)的一個(gè)黑夜，看起來(lái)很有可能即將迎來(lái)一個(gè)新的黎明。

[1] 題中“Susy”語(yǔ)意雙關(guān)，借人名代指超對(duì)稱(chēng)（SUSY）理論。 

[2] 振幅多面體是2013年Arkani-Hamed和Trnka引入的，人們猜測(cè)它的幾何結(jié)構(gòu)決定了特定類(lèi)型量子場(chǎng)論中的散射振幅。參見(jiàn)：N. Arkani-Hamed and J. Trnka, The Amplituhedron, arxiv.org/abs/1312.2007

本文原標(biāo)題：Physics seeks the future

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