我们到了吗？寻找万物理论

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本文的五个部分由统一这一共同主题联系在一起。每一部分都关注一个特定的理论发展，并以当时科学家的声音撰写，反映他或她的时代的发现、它们的含义、它们如何要求改变世界观，以及未来可能存在的问题。第一部分是剑桥大学一名年轻的英国学生写给他的妹妹的信。他向她描述了麦克斯韦方程的奇妙之处及其含义，但他的妹妹是一位有抱负的画家，她能够理解。第二部分是关于相对论的，是由一位外行写的。一位仰慕爱因斯坦的纽约学校教师来到巴特利公园，加入欢迎这位诺贝尔奖得主来到美国的人群。在等船的时候，他思考了使这个人成为国际名人的理论。第三部分基于20世纪30年代初在哥本哈根的一位年轻的欧洲研究员的思考。他看到量子力学的伟人走在走廊上，从他们的对话中学习，无论是针对他还是无意中听到的。介绍了海森堡测不准原理、泡利不相容原理、薛定谔方程和波粒对偶性等基本发展。第四部分以20世纪80年代初为背景，一位职业生涯早期的第三世界科学家正在意大利的里雅斯特国际理论物理中心参观。在给孩子们的一封信中，他谈到了粒子物理，介绍了标准模型，并反思了合作和有利的研究氛围是多么重要。最后一位科学家是今天哈佛大学的一名女研究生。她开始学习弦论，并被最终统一的承诺所吸引。在简要回顾了弦理论“并提到了大型强子对撞机”之后，她提出了她是否认为这可能是物理学的最后决定的问题。

弦论这门学科迄今已有四十多年的历史，在此期间，它已发展成为物理学和数学中各种活跃的子领域的集合。有着数万篇论文的文献，其中许多使用了高度抽象和专业化的数学技术，其复杂程度很难过分强调。这种情况使得我们很难评估这个领域的状态，也很难得出关于哪些想法已经得到解决，哪些还没有得到解决的结论。本文将关注弦理论的一个特殊方面，希望它能够提供一个包括广义相对论和标准模型在内的统一理论。人们会提出这样的论点：虽然这是1984年弦论引起人们兴趣的最初原因，但到目前为止，有充分的理由相信，按照这些思路实现统一的尝试注定会失败。有关这里讨论的更广泛版本（更多参考文献），请参阅作者2006年的半流行书籍[1]。近年来，弦论界的一部分人对弦论和统一的问题作出了反应，他们猜测弦论景观的存在，而景观的存在将使人们不可能从弦论中得到可测试的预测。这种偏离标准科学方法的做法，是出于不愿意放弃长久以来的希望，如果它成为传统的智慧，那么对理论物理学来说将是一种重大的危险。

目前对一个完整的物理理论的追求，一个融合了广义相对论和标准模型的理论，完全基于纯粹思想的力量。由于缺乏实验验证和指导，物理学家不得不探索并拓展广阔的数学领域，以寻求想法，其中一个恰巧是被称为超弦理论的巨大建筑。我们中的许多人已经专门进入了这片风景中的某个偏远角落，几乎没有或根本没有希望那个角落与现实接触。因此，一些问题自然会出现：我们为什么要这样做？为什么弦论如此吸引人，以至于它作为一个活跃的物理研究领域，不顾一切地存活了几十年？在这篇文章中，我提出了这个问题，并讨论了弦论的那些成就，这些成就可能足以让它生存下来，即使作为对自然的解释完全被证伪。

每一位老师在第一次上课时都会问自己的第一个问题是，应该包括哪些主题，应该放弃哪些主题。这通常是一个复杂的平衡行为，不仅依赖于传统智慧，还依赖于个人品味和判断。在这篇短文中，我描述了我的经历，将弦论纳入了2009至2010学年秋季在凯尼恩学院开设的非科学专业通识教育课程“起源”。

在这篇文章中，我将描述我对基础理论物理学现状的看法，以及我对未来万物理论的关键要素的猜测。首先，我将回顾三种重要的方法：弦理论、环量子引力和非对易几何。我将解释他们的主要观点和优势，但也会指出他们在提供真正的物理统一的道路上仍然缺少什么。基于此，我将推测未来的万物理论会是什么样子：我预计它的基本自由度将是网络或矩阵。它的主要成就将是时空和场的统一，以及时空的动态生成。我还将指出，这种情况为许多有趣的概念可能性开辟了道路：存在着几个相互作用的时空或现实；时空和自然法则不是“上帝赐予的”，而是进化和偶然的；现实的结构本身可以展现出更高层次的组织。贯穿讨论的主线是重整化：我将从解释非正则性开始，并以非微扰重整化的评论结束。

在这篇文章中，我讨论了我对量子引力问题的看法。然后我解释了解决这个问题的两种方法：循环量子引力和渐近安全方案，这两种方案从相反的方面解决了这个问题。环圈量子引力试图描述时空的基本构造块，希望由此产生的理论可以解释我们所知的引力。另一方面，渐近安全场景考虑了与量子理论一样接近重力的理论，并询问这种设置是否满足基本理论的条件。虽然环路量子引力在某种意义上是一种自下而上的方法，但渐近安全场景是一种从上到下的量子引力方法。我解释了为什么两种方法的缺点都是另一种方法的优点，并提出了本文的主要观点；这两种方法的结合应该会对量子引力问题产生根本性的见解。我讨论了这种合并可能带来的后果。

在试图构建量子引力的工作理论时，考虑一下物理学以前的突破是如何发生的，可能会有所帮助。我们可以从天体物理学和粒子物理学的历史进步中学到什么？当我们试图找到实现这个看似难以捉摸的目标的途径时，理论和实验应该发挥什么作用？

为什么我们要寻找一个万物理论，这意味着什么，以及我们如何在这方面取得进展？在解释了为什么和什么之后，我们简要地回顾了所使用的现象学模型以及对实验指导的探索。

量子理论对作为经典物理学基础的现实力学概念提出了深刻的挑战。然而，在它诞生80多年后的今天，它对我们现实画面的影响仍然笼罩在不确定性之中。鉴于目前正在寻求更全面的物理理论（所谓的万有理论），必须清楚地阐明这些含义。在这篇文章中，我描述了量子理论提出的挑战的性质，并概述了为更好地理解其非经典特性（如非定域性）所做的努力。特别是，我讨论了信息视角，它通过对量子信息处理的研究，对量子现实的本质提供了深刻的见解，并且还重新启动了长期以来对从一组清晰的物理原理重建量子理论相当神秘的数学形式主义内容的探索。最后，我指出了最近重建工作对量子引力理论的探索，以及更广泛地说，对我们对物理现实的描述的一些启示。

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