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一切理论的麻烦

没有任何已知的物理学理论在每一个尺度上都是真实的。

每当你谈论你的日常生活,一个刻度暗示。试试看。“我太忙”只为一个假设的时间…Lawrence M. Krauss

W无论你说什么关于你的日常生活,刻度是暗含的。试试看。“我太忙”只适用于假设的时间尺度:例如,今天或本周。不是这个世纪,也不是这个纳秒。“税收是繁重的”在一定的收入范围内是有道理的。等等。

你可能会说,同样的限制在科学上并不成立。毕竟,在引入科学方法之后的几个世纪,传统智慧认为,即使在理论上,我们也不能预先确定这一点。例如,牛顿的万有引力定律是普遍的。它适用于落下的苹果和坠落的行星,并对在太阳下的每一个重要观测都进行了统计。

随着相对论和广义相对论的出现,很显然,牛顿的万有引力定律只是一个更基本的理论的近似。但是更广义的理论,广义相对论,在数学上是美丽的,似乎合理地假定它在质量和能量的存在下完美地完整地描述了空间和时间的行为。

量子力学的出现改变了一切。当量子力学与相对论结合时,事实上,事实上,物理定律支配物质和能量的详细性质实际上取决于测量它们的物理尺度。这导致了二十世纪最大的无声的科学革命:我们不知道任何理论都与经验世界接触,而且是绝对的和永远真实的。(我不认为这种变化很快就会发生,弦理论家们的希望尽管如此)尽管如此,理论物理学家们仍在为追逐这种理论付出了巨大的精力。那么,到底发生了什么?普遍理论是一个合法的目标,还是科学真理总是依赖于尺度?


T量子力学和相对论的结合意味着一个直接的尺度问题。海森堡著名的不确定性原理,位于量子力学的核心,意味着在小尺度上,短时间内,不可能完全约束基本粒子的行为。能量和动量的内在不确定性永远不会减少。当这个事实与狭义相对论结合时,得出的结论是,实际上你不能短时间内约束存在于小体积中的粒子数量。所谓的“虚拟粒子”可以在时间上从真空中弹出,这样你就无法直接测量它们的存在。

一个显著的影响是,当我们测量电子之间的力,例如,电子上的实际测量电荷时,决定电强度有多大的东西取决于你测量它的尺度。你离电子越近,你就越深入到围绕电子的虚拟粒子的“云”中。由于正虚拟粒子被电子吸引,越深入云中,正云越少,电子上的负电荷越多。

然后,当你开始计算两个粒子之间的力时,你需要包括所有可能的虚拟粒子的影响,这些虚拟粒子在测量力的过程中会从空的空间中弹出。这包括任意数量的质量和能量的粒子,这些粒子以任意小的时间出现。当包含这些效应时,所计算的力是无限的。

我们不知道两种理论都与经验世界接触,而且是绝对的和永远是真实的。

Richard Feynman获得了诺贝尔奖,因为它在提取各种模糊的无穷大之后,达到了一种一致地计算有限残余力的方法。因此,我们现在可以从基本原理计算电子的磁矩到10个重要的数字,与在任何其他科学领域中无法达到的水平的实验进行比较。

但Feynman最终对他所完成的事情感到失望,他从1965次诺贝尔讲演中清楚地知道:“我认为重整化理论只是一种扫除地毯下电动力学差异的困难的方法。”他认为,没有一个明智的完整理论首先会产生无穷大,他和其他人发展的数学技巧最终是一种笨拙的手段。

然而,现在我们对事物的理解不同。从某种意义上说,Feynman的担忧是错位的。问题不在于这个理论,而是试图把理论推到超出它对自然的正确描述的尺度上。


T这里有一个原因,即由任意大质量和能量的虚粒子所产生的无穷大与物理无关:它们是基于错误的假设,即理论是完整的。或者,换句话说,这个理论描述了所有尺度上的物理学,甚至是任意微小的距离和时间尺度。但是如果我们期望我们的理论是完整的,那就意味着我们可以有一个理论。任何东西我们首先要有一个理论全部一个理论,包括我们已经发现的所有基本粒子的影响,加上我们还没有发现的所有粒子!这是不切实际的,在最坏的情况下是不可能的。

因此,有意义的理论必须是不敏感的,我们可以在实验室测量的尺度上,以更小的距离尺度(或更大的尺度,更小的尺度)来研究可能的新物理的影响。这不仅仅是一个暂时性问题的实际解决方案,我们期待着它将消失,因为我们走向更好的自然描述。由于我们的经验知识可能总是部分地不完整,所以解释我们所能探测到的一部分宇宙的理论,将根据实际需要,对超出我们当前范围的可能的新物理不敏感。这是我们认识论的一个特点,在我们开始探索量子力学和相对论都变得重要的极端尺度时,我们还没有完全理解。

这甚至适用于自然界中最好的物理理论:量子电动力学,它描述了电子和光之间的量子相互作用。我们可以遵循费曼的领导,放弃惩罚,理论产生的无限性是人为的。它们对应于将理论外推到可能不再有效的领域。Feynman对自己的成功感到失望,因为他在不了解新物理的情况下,在这些无限大的范围内操纵,这是他所能做到的最好的。甚至在今天,半个世纪以后,在量子电动力学不再是正确描述的尺度上所取代的理论本身也有望在更小的尺度上瓦解。


T这是一个关于物理理论中规模的故事的另一种叙述。不是把理论合理地分离到它们各自的领域中,在它们以外的领域是无效的,缩放论证揭示了理论之间的隐藏联系,并指向新的统一理论,这些理论涵盖了原始理论,并且它们本身适用于更广泛的范围。

例如,过去几年与希格斯粒子的发现有关的所有喧嚣是由于它是量子电动力学与另一种力称为弱相互作用的理论中的最后一个缺失环节。这是自然界中已知的四种力量中的两种,在表面上它们看起来非常不同。但是现在我们知道,在非常小的尺度和非常高的能量下,这两种力可以被理解为同一基础力的不同表现,称为电弱力。

尺度也促使物理学家尝试将自然界的另一种基本力量,即强大的力量,统一成一个更广泛的理论。在夸克组成的质子和中子作用下的强大的力阻止了直到1973的理解。那一年,三位理论家戴维·格罗斯、Frank Wilczek和David Politzer证明了一件完全出乎意料的事情。他们证明了用量子电动力学模拟量子力学的一种候选理论,称之为量子色动力学,具有一种称为“渐近自由”的性质。

如果我们期望我们的理论是完整的,那就意味着在我们有任何理论之前,我们首先必须有一个关于一切的理论。

当夸克被拉近在一起时,渐近自由导致夸克之间的强作用力变弱。这不仅解释了一种被称为“缩放”的实验现象,即质子在质子中的夸克似乎表现为在高能量和小距离处是独立的非相互作用粒子,但它也提供了解释自然界中为什么没有自由夸克的原因。如果强的力在小的距离上变得较弱,那么它大概可以在足够大的距离足够大,以确保没有自由夸克逃脱他们的伙伴。

发现在短距离内强的力变得弱,而与弱的力结合的电磁,在小的距离上变得更强,在20世纪70年代的领导理论家提出,在足够小的尺度下,可能比质子的大小小15个数量级,所有三个力(强、弱和电磁)在一个被称为大统一的理论中作为一个单一的力统一起来。在过去的40年里,我们一直在寻找直接的证据,事实上,大的Hadron Collider现在正在寻找一组新的基本粒子,这些元素似乎是三个力的缩放所必需的。尽管有间接证据,但还没有发现直接吸烟枪。

当然,将四种已知力中的三种统一起来的努力导致了进一步的努力,将第四种力量,重力,混入其中。为了做到这一点,已经提出了重力本身只是一个有效的理论,并且在足够小的尺度下,它与其他力合并,但前提是在自然界中我们没有观察到大量的额外空间维度。这个理论,通常被称为超弦理论,在20世纪80年代和90年代的理论家之间产生了极大的兴奋,但到目前为止,还没有任何证据表明它实际上描述了我们所生活的宇宙。

如果这样做,它将拥有一个独特的和新的特征。超弦理论最终可能不会产生无穷大。因此,它有潜力应用于所有的距离尺度,无论多么小。出于这个原因,它已经被一些人称为“万物的理论”——尽管事实上,理论的所有外星人实际上会出现的规模如此之小,以至于在可预见的实验测量方面将基本上与物理无关。


T他认识到我们对物理实在的理解的尺度依赖性,导致我们随着时间的推移,提出了一个被提议的理论弦理论,这种局限性就此消失。这种努力是否反映了理论物理学家们在成功地认识到越来越小的尺度之后,成功的错误态度?

虽然我们不知道这个问题的答案,但至少我们应该持怀疑态度。到目前为止,没有一个例子能证明一个与弦理论有关的外推,而不是直接实验或观测结果,它提供了一个成功的自然模型。此外,我们对弦理论的了解越多,它看起来越复杂,许多早期对其普世主义的期待可能是乐观的。

至少像Feynman推测的那样,自然界的可能性可能像洋葱一样,有大量的层。当我们剥离每一层时,我们可能发现我们美丽的现有理论被包含在一个新的更大的框架中。所以总会有新的物理来发现,而且永远不会有一个适用于所有空间和时间尺度的最终的、普遍的理论,而不需要修改。

哪条路才是通往现实的真正道路。如果我们知道正确的发现路径,它就不会被发现。也许我自己的偏爱只是基于对物理学家继续工作安全的错位希望!但我也喜欢有可能永远解谜的可能性。因为没有神秘的生活在任何程度上都会变得非常无聊。


Lawrence M. Krauss是亚利桑那州国家大学地球和太空探索学院的理论物理学家和宇宙学家、起源项目主任和基金会教授。他也是畅销书的作者,包括从零开始的宇宙《星际迷航》的物理学

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