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　　关注量子科学探究宇宙奥秘

　　选自nautil.us

　　作者：COREY S. POWELL

　　机器之心编译出品

　　参与：salmoner，悉小闲，小二，Chen Xiaoqing

　　小樱，Xuechen，Arphetian，Gabrielle

　　这是最大的问题，这也是最小的问题。

　　目前物理学家有两个独立的规则手册来解释自然界如何运转。宏观的广义相对论和微观的量子力学。广义相对论完美地解释了引力以及它主宰的所有事情：行星的轨道，星系碰撞以及整个宇宙膨胀的动力。量子力学掌控其它三种作用力——电磁力和两种核力。铀原子发生衰变，或者单个光粒子撞到一个太阳能电池，这是量子理论擅长描述的情况。

　　现在问题来了：相对论和量子力学的理论完全不同，拥有不同的公式。这不仅仅是一个科学术语的问题，而是现实世界的不同描述之间的冲突。

　　物理学两个派别之间的冲突已经持续了超过一个世纪——引发自爱因斯坦发表在1905年的两篇论文，一篇概述了相对论，另一篇引入了量子——但是最近它进入一个有趣的、不可预知的新阶段。两个著名的物理学家已经挑明了各自营地上的极端立场，并着手进行实验，看看哪一方能最终获胜。

　　就像在你屏幕上的图像的最小的单元是一个像素，因此可能会有一个距离上不可打破的最小的单元：一个量子的空间。

　　从根本上说，你可以把相对论和量子系统之间的区别想象成「平滑」对「粗糙」。在相对论中，事件是连续且确定的，意味着每一个起因产生一个特定的、定域的效果。在量子力学领域，事件产生于亚原子粒子跃迁的相互作用（对，量子跃迁），是概率事件，而不是确定的结果。量子定律中允许出现被经典物理所禁止的联结。这在近期的一个备受争议的实验中得到了证明，荷兰研究者挑战了定域效应（local effect)。他们展示了两种粒子——他们在实验中用了电子——能够立即互相影响，尽管这俩粒子相隔一英里。当你试着用粗糙的量子理论去解释光滑的相对论，或者反过来，一切都看起来不对劲。

　　在量子那么小的世界里，使用相对论得出的结论是毫无意义的，其对引力的描述最终会陷入无穷值。同样，量子力学放大到宇宙的维度也会出现大麻烦。量子场即使在看似空空如也的空间中会携带一定量的能量，且这能量随着量子场增大而增加。根据爱因斯坦的理论，能量同质量等价（质能方程e=mc^2传达的信息），所以累积能量就相当于累积质量。一旦累积到足够大，量子场的能量足够强，就会生成一个黑洞，将宇宙包进去。啊哦这可不妙。

　　克雷格·霍根(Craig Hogan)是芝加哥大学一位理论天体物理学家，费米实验室粒子天体物理学中心主任，他正在重新阐释量子力学来支持一个新理论，该理论中，空间的量子单元本身足够大，可以直接对其进行研究。与此同时，加拿大滑铁卢Perimeter理论物理研究所创立人之一李·斯莫林(Lee Smolin)，则通过回归爱因斯坦哲学思想的根源，并朝着一个激动人心的方向延展，以推动整个物理学的发展。

　　要明白此中的利害攸关，就回过头看看先例吧。爱因斯坦揭示了广义相对论，不仅仅是取代了艾萨克·牛顿的引力理论，更开启了一种看待物理学的新视角，进而引出了现代对大爆炸和黑洞的概念，更别提原子弹和对你手机全球定位系统来说至关重要的时间校准了。同样，量子力学的意义也不只在于重新修订了麦克斯韦教科书上电、磁、光的方程式。它为大型强子对撞机、太阳能电池以及现代所有微电子学提供了概念上的工具。

　　从这场喧嚣中浮现出来的，不亚于现代物理学领域的第三次革命，意味深刻。它会告诉我们自然界的法则从何而来，宇宙是建立在不确定性之上，还是根本上就是确定的——每件事都同一个绝对的原因相联系。

　　拥有全息干涉仪的人：费米实验室的理论天体物理学家克雷格·霍根，建造了一个装置，可以测量他在空间观测到的极其细微的粒子。「我希望可以有一个实验结果，能让人们在理论思维上有一个不同关注方向，」霍根说。芝加哥大学天文和天体物理学系。

　　粗糙的宇宙

　　霍根是量子理论的一流研究员，或许也是大家口中所说的灯杆式的物理学家：相较于在黑暗中抱团，他更喜欢将注意力集中在有光亮的地方，因为在那里你最有可能看到一些有趣的事。这是他目前研究的指导方针。他注意到相对论和量子力学的冲突是发生在当你试图分析引力在极短距离的行为时，所以他决定仔细观察那里发生了什么。他说：「我确信某个实验可以帮我们来看清这个过程中发生的东西，帮我们理解那些现在还不能理解界面的问题。」

　　爱因斯坦物理理论的一个基础假设——事实上可以追溯到亚里士多德的假设——是空间是连续并且无限可分的，因此任意距离都可以被分到更小的距离。但是霍根质疑它的正确性。就像像素是屏幕上一幅画的最小单元、光子是光的最小单元一样，他认为也许距离也有一个不可分割的最小单元：一量子的空间。

　　在霍根的设想中，询问引力在小于一单块空间的距离上如何表现是没有意义的。引力将不可能在设想的最小尺度上产生作用，因为那种尺度不会存在。或者换种方式说，广义相对论将被迫和量子理论讲和，因为物理学家们测量相对论作用的空间会被分割成不可再分的量子单元。引力作用的现实戏剧将会在量子舞台上表演。

　　全息干涉仪将表明理解空间的基础量子结构的正确方式（或是剔除错误的方式）。

　　霍根知道他的概念听起来有点怪异，甚至是对他许多量子相关研究的同事也是有些叛道离经。自从60年代后期以来，一群物理学家和数学家就开始发展一种叫弦理论的框架来调和广义相对论和量子力学；这些年来，它已经演变成默认的主流理论，即便它没能实现它早先的保证。像块状宇宙理论一样，弦理论也假设了空间的基础框架，但是也从此二者分道扬镳。弦理论假想宇宙中所有对象都是由振动弦能量构成。像块状宇宙一样，弦理论通过引入宇宙的有限最小的尺度来避开了引力的灾难，虽然单元弦要远远小于霍根试图发现的空间结构。

　　块化空间与弦理论的思想并不相合——也不与任何其他推荐的物理模型吻合。「这是一种新思想，并不存在于课本当中。它不是对任何一种标准理论的预测。」霍根提出，听起来一点也不在乎，「但现在难道不是没有任何标准理论的情况？」

　　如果他对于空间的块化的判断是对的，那会将许多关于弦理论的现有方程三振出局，并启发重新制定量子领域广义相对论的新方法，提出对于空间与时间的内在本质的新的理解途径。并且很可能最显著的一点就是加速我们对于看起来呈现三维的空间实质上是由更多基本的、二维单元所组成的意识。霍根用「像素」这个词语来进行形象的比喻：就像电视屏幕可以用无数平面像素创造出一种景深的印象，他指出，空间也是从一系列表征如二维的元素所造就。

　　像许多现今理论物理的边缘思想一样，霍根的理论听起来犹如刚入大学的新生宿舍里发生的深夜哲学漫游一般神游天外。而让它们看起来独具一格的原因是他计划将其列入了硬实验测试之中，并且就在最近。

　　从2007年开始，霍根就开始思考如何制造一个可以测量空间极度细微粒子的仪器。后来证明，他的同事们已经对此有了许多想法，并最终落于测量引力波的科技。在两年内，霍根拟定了方案，与合伙人在芝加哥大学费米实验室工作以及其他机构建立一种组块监测机器，他更倾向于称呼其为「全息干涉仪（holometer）」（这个名字是一个圈内的双关语，指17世纪的调查仪器与2-D空间可以以三维形式出现的理论，与全息影像相似）。

　　在它层层复杂的概念下，全息干涉仪比激光束更加具有技术感，一面半反射的镜子将激光分成两个垂直波束，另有两面镜子沿着一对40米长的通道反射这些光束。光束需要被校正以确定两面镜子的精确位置。如果空间是块化的，两面镜子的位置将会永远在不停移动（准确地说，是空间自己在不停移动），并对他们的分离造成一个持续随机的变量。当两束光重新结合在一起时，它们会稍微的不同步，而这个差异量将能解释宇宙组块的尺度。

　　为了确定块化规模大小，霍根需要测量精度在10^-18米的距离，其大约为一个氢原子的一亿分之一大小，并且在每秒一亿个读数的速率下收集数据。令人惊讶的是，这样一个实验不仅是可能的，而且也是可行的。「我们能够在低成本的前提下做到，这是源于我们在光电子、配件以及快速电子产品等研究上的进步。」全息干涉仪计划目前正在运行中，以目标精确度收集着数据。霍根希望在今年底获得一个初步数据情况。

　　霍根的理论有众多激烈的质疑者，其中包括许多理论物理学家。这种反对之声其实很好理解：全息干涉仪的成功，将意味对弦理论中很大一部分工作的否定。然而，尽管存在这些貌似有力的质疑和反对，霍根和他的同事们对自己的信念充满信心。广义上来讲他们认为「广义相对论将会最终服从量子理论」。因为另外三个物理理论都服从量子定律，所以有理由认为，引力理论也当然会。

　　在现在多数的理论物理学家心中，量子理论的主导地位，仍然是不可撼动的。在哲学的、认识论的层面，他们相信，用于描述大尺寸物体规律的经典物理学只是一种幻觉，是从描述极小粒子的、更「正确」的量子理论中抽取的一种近似。而块化空间的理论，当然是与这种世界观相符的。

　　霍根把他的工作，类比为19世纪著名的迈克尔孙-莫雷实验。那是一个为了寻找以太的实验，在那个时代的理论中，以太是一种在用来在真空中传播光线的假象物质。然而实验没有找到以太。那令人困惑的结果，使爱因斯坦发明了他的狭义相对论，而后进一步催生了广义相对论，最终颠覆了整个经典物理学。除了同样具有里程碑式的意义以外，在实验装置上，霍根所用的设计，与迈克尔孙-莫雷实验中测量空间结构所用的是反射镜和分光技术，也十分类似。

　　「我们正是用那种精神来进行全息干涉仪的研究的。如果我们发现了一些东西，或者什么都没发现，不管哪种情况，都会很有帮助。我们进行实验的目的，只是要看看能不能发现一些证据来支持我们的理论」，霍根说，「你还可以从同事们对这个想法的反应中，看出他们的思维方式。这里是一个习惯于数学式思维的地方，我希望能有一些实验结果，来促使人们用另一种方式来进行理论思考。」

　　不管能否发现宇宙的量子结构，霍根相信，全息干涉仪能帮助物理学家更好的处理「大与小的调和」这个问题。它可能会指出正确的方向(也可能指出哪些方向是错误的)，来帮助人们在理解空间的基本量子结构，以及在这种结构中流动的引力的所遵循的相对论定律。

　　黑洞，是唯一一个必须同时考虑量子力学与广义相对论的研究对象。一位艺术家用他的眼光向我们展示了一个超大质量黑洞的边缘，它位于活跃的银河中心，半人马座的南方星群中。在智利的欧洲南方天文台的观测中，清楚的看到到了黑洞周围炽热的圆环形尘埃，以及位于两极地区的一团冷物质。来源：ESO/M. Kornmesser

　　一场非常非常精彩的表演

　　如果你想从一个完全不同的角度来看待的话，Primeter理论物理研究所的斯莫林会满足你。当霍根在他的理论上优雅前行的时候，斯莫林却成为了那个疯狂的挡路人：「理查德.费曼在我还是一名博士生的时候告诉了我一件事。他大致上是这么说，『如果你的同僚们尝试去证明了一件事是否正确，或许就是因为这件事本质上是错的。』好吧，我们看到了弦理论在过去的四五十年内似乎没有太大的进展。」

　　而且这还只是一切分歧的开始。斯莫林认为这个物理的狭窄的领域从一开始就注定了不可能完备的命运。当今版本的量子理论对于解释单个粒子或者小规模的粒子系统的运转非常有效，但是它无法对于宇宙的粒子运动作出统一的，有说服力的解释。这些定理无法解释为什么现实是这个样子，而不是一些别的东西。用斯莫林的话来说，量子力学其实只不过是「一个宇宙子系统的理论。」

　　如果你感觉过自己有想推动一件伟大的事情，相信这个物理领域会满足你。

　　斯莫林自己则提出了一个更加有成效的路子：将宇宙想做一个简单的，庞大的系统，然后开发出一个可以对整体做出合理解释的理论体系。而且其实我们已经有了这个方法的框架：广义相对论。和量子体系不同，广义相对论不允许外部观测或者外部单个运转时间体系的存在，因为「外部」这个概念压根就不存在。所有的被描述的相对的情况都是存在于物体之间和空间不同的地方。哪怕是惯性这样的基础定理（举个例子，就是试图刹车关闭引擎的时候，直到你松开变速器他都会有继续运动的趋势）也会被认为和宇宙间所有其他的粒子的引力场联系起来的。

　　最后一个定理说实话实在是很奇怪，所以我们停在这里多思考一下。想像一个这样一个问题（它和在1907年引导爱因斯坦达成这个想法的问题的紧密相关）：想象宇宙中什么都没有，只剩下两个宇航员，一个在旋转，一个在静止。旋转的那个会感到晕眩，在宇宙里做车轮式运动。但是哪一个是在旋转的？从任何一个的角度看，另一个都是在旋转的。爱因斯坦强调，在没有任何外界参考系的情况下，没办法说哪一个是正确的，并且也没有理由一个人会感受到不同于另一个人的体验。

　　只有当你重新引入了宇宙的其余部分，两名航天员之间的区别才会变得有意义。按照广义相对论的经典解释，惯性存在，并且只能以整个宇宙的引力场为背景来测量它。认为这一思想问题为真的同样认为现实世界中的每一个物体为真：每一部分与其他部分的行为之间有着千丝万缕的关系。如果曾经你想成为整体的一部分，好了，物理学是最佳选择。这也是斯莫林的观点：它也是一个有希望的方式，它能获取在所有尺度上有关大自然如何真正起作用的更大的答案。

　　「广义相对论不是子系统的描述。它认为整个宇宙为一个封闭的系统。」他说。因此，当物理学家试图解决相对论和量子力学之间冲突的时候，让他们遵循爱因斯坦的引导并尽最大可能走下去似乎是一个明智的策略。

　　斯莫林敏锐地意识到，他正在反对当时流行的小尺度、量子式的思维方法。 「我并不想挑起事端，它只是一种发生的方式。我的角色是想清楚这些困难的问题，把我的结论摆在那里，并让尘埃落定，」他亲切地说。 「我希望人们能够参与讨论，但我真的希望，讨论能导出可检验的预测。」

　　乍一看，斯莫林的想法听起来像一个具体试验的强大的起点。他说，就像所有宇宙的部分都跨越空间相连，但是它们也可以跨越时间联系。他的论点使他推测，物理定律会随宇宙的历史而进化。多年来，他制定了这如何可能发生的两份详细建议。他最终定型于20世纪90年代的宇宙自然选择学说，设想黑洞作为宇宙蛋将孵化新的宇宙。最近，他提出有关量子力学规律出现的挑衅假设，并称之为优先原则，而这一次似乎更容易面临考验。

　　斯莫林的优先原则为这一问题提供了一个答案：为什么物理现象是可重复的。如果你执行了之前已经进行的一个实验，你期望结果会像过去一样。 （点燃一根火柴，它喷出了火焰，以同样的方式点燃另一根火柴，然后……你懂得。）重复是生活中人们熟悉的一部分，如此熟悉以至于我们熟视无睹。我们简单地将一致的结果归因于任何时候都以同样方式起作用的自然法则。斯莫林推测，这些法则实际上可能会随着时间的推移而出现，就像量子系统中复制过去的类似系统的行为。

　　捕捉这个行为的发生的一个可能方式是通过运行以前从来没有做过的实验，由于不存在任何以往的版本（即没有先例）就不会有复制。这样的实验可能涉及创建一个高度复杂的量子系统，包含存在于一种新型的纠缠态之中的许多组件。如果优先原则是正确的，该系统的初始响应将完全是随机的。但是，从理论上讲，随着实验的重复进行，优先级会建立起来，响应也变为可预测的。斯莫林承认： 「区分一个宇宙正在建立的系统与系统中实验实践所产生的噪音是困难的，但它不是不可能的。」

　　虽然优先性能在原子层面展开，它的影响将会是系统层面——也就是宇宙层面的。它回溯到斯莫林的这个观点：小尺度的、还原论的思维方式看来是解决这个庞大谜团的错误方式。联立两派物理理论固然是重要的，但是还不够。他想知道的——我们都想知道的——是为什么宇宙是现在这个样子。为什么时间向前流动而不是向后流动？我们怎么变成了现在的样子，在这个宇宙，受这些法则约束——而不是其他的情形？

　　对这些问题缺乏一个有意义的答案揭示了「我们对量子场理论的理解有着重大的错误」，斯莫林说到。像霍根一样，相对所有的实验结果，他更关心寻找基础真理的计划。对斯莫林来说，这意味着能对宇宙做出完整连贯的描述；这意味着能够预测实验的结果，并且也能解释创造出原子、行星、彩虹和人类的特性。他在此再次从Einstein那里吸取到了灵感。

　　斯莫林说：「广义相对论屡屡向我们宣告关系主义（relationalism)的胜利。」把宇宙看作一个整体是获得「大」答案的最可能的方式。

　　而最终的赢家是……

　　如果你想在大小之争中选出一个裁判，不会有比Sean Carroll更好的人选。他是加州理工的宇宙学、场理论和引力物理学的专家。他对相对论和量子力学都很熟悉，而且他对荒谬有一个健康的心态：他管自己的个人博客叫荒谬宇宙（Preposterous Universe）。

　　Carroll毫不犹豫的支持量子理论。他说：「这场游戏中的大多数人相信量子力学比相对论更为基础。」这一理论的深入人心是从19世纪20年代以来就开始的。期间爱因斯坦屡次尝试挑战这反人类直觉的量子理论却屡屡无功而返。最近荷兰的实验证明了两个远间隔的粒子间的瞬时量子联结（爱因斯坦戏称为「幽灵般的远距离作用」的那种事件），它只是强调了证据的重要性。

　　不管理论怎样收尾，着眼大型物体运作的规律都无疑是是重要的，因为毕竟我们生活在这样的宏观世界里。

　　从一个更宽广的角色来看，Carroll解释说，真正的争论不在于广义相对论和量子场理论，而在于经典动力学和量子动力学。相对论虽然看起来怪异，但是它处理因果关系的方式却很经典；而量子力学显然不是。Einstein很乐观的认为，某些更基础的发现能够揭示隐藏在量子力学之下的经典的、决定论式的现实。但是至今没有发现这种秩序。对远距离幽灵作用已证实的现实说明这种秩序并不存在。

　　Carroll说：「总之，人们并没有充分欣赏到量子力学的神奇，那就是它完全背弃了我们关于空间和局域性（locality：一个物理事件只能对它的相关环境作用的观念）的理念。在量子力学里完全没有这些东西。」它们可能是从微观现象中浮现出来的宏观表象，像霍根对三维现实从二维量子单元空间中浮现的论述一样。

　　尽管表面上表示认同，但Carroll认为霍根的全息干涉仪是一个高风险的赌注，虽然他承认这不是他的研究领域。另一方面，他对斯莫林以空间为基础出发的努力却并不是很欣赏；他认为这个观念就和试着证明空气比原子更基础一样荒谬。至于哪种量子系统可能会将物理学带入下个层次，Carroll对弦理论保持着乐观态度，他对其评论道：「看上去是量子场理论极其自然的延伸。」对现代物理学中的主流的量子基础思维来说，他的表述都是正确的。

　　然而Carroll的裁定虽然几乎全然是支持量子理论的，却不纯粹是对微观思维的支持。在量子理论可以解释的对象中还有巨大缺口。他说：「我们没有能力想出量子力学的正确版本，这让人尴尬，而且我们目前思考量子力学的方式在涉及到宇宙学或是整个宇宙时完全是个失败。我们甚至不知道时间是什么。」霍格和斯莫林都同意这种情绪，虽然他们不赞同他的应对措施。Carrol钟爱一种自下而上的解释——时间从从小尺度的量子交互作用中浮现,但是他同时宣称对斯莫林的时间是更为普遍和基础的观点，自己是「彻底的不可知论者」。因此，在时间的案例之中，陪审团还未入席。

　　不管理论怎样收尾，着眼宏观物体运作都将是极为重要的，因为我们生活在这样宏观的世界。在本质上，将宇宙视为整体就是答案，对于物理学家来说，挑战在于用方程去表达它。即便霍根是正确的，他的宇宙粗糙理论也必须显效为我们每天体验到的平滑现实。即便斯莫林是错误的，仍有一整个拥有各种特性的宇宙需要被解释——这是量子物理学单独难以做的，至少现在做不到。

　　通过不断推进我们已知的范围，霍根和斯莫林正促进物理领域达成这种联结。他们不仅向量子力学和广义相对论的调和方向努力，而且也在推动观念和知觉的调解。下一个伟大的物理理论无疑将带来漂亮的新数学和不可思议的新技术。但是它最好的成果将在于能创造出联结到我们这些将自己定义为宇宙基本尺度的创造物（观察者）自身的深层内涵。（来源：机器之心）

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　　《中国汉字听写大会 我的趣味汉字世界》 全四册