導語

科學家尋求對現實的單一描述，但現代物理學卻允許很多不同的描述，而且其中許多描述是“異曲同工”的，它們互相通過數學可能性的廣闊圖景連接起來。

編譯：集智俱樂部翻譯組

來源：quantamagazine

原題：

There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape.

假設 A 和 B 都被要求準備一道菜， A 喜歡中餐，B 喜歡意大利餐（美國人覺得兩個菜系差不多）。讓他們分別挑選自己最喜愛的配方，購買食材，然後照說明去做。但是當他們將盤子從烤箱裡拿出來時，兩人都大吃一驚，這兩道菜竟然是完全一樣的。我們可以想象 A 和 B 必然會開始“人生三問”：不同的配料怎麼會做出同樣的菜呢？烹飪中國菜或意大利菜到底意味著什麼？他們準備食物的方法是錯誤的嗎？

這正是量子物理學家所經歷的困惑。他們發現，對於同一個物理系統經常會有兩種完全不同的描述。只不過在物理學中，配料不是肉類與醬料，而是粒子和作用力；食譜是描述相互作用的數學公式；烹飪過程是量子化過程，它將數學方程轉化為物理現象的概率。就像 A 和 B 一樣，量子物理學家感到驚奇的是，不同的方法何以會導致相同的結果。

1 物理常量是自然的嗎？

自然在選擇它的基本定律時有什麼選擇嗎？對此愛因斯坦有一個著名的觀點，給定一些普遍原則，就會形成一種獨特的方式來構建一個一致且運轉良好的宇宙。在愛因斯坦看來，如果我們對物理學的本質探索得足夠深，那就會有且只有一種方式使得所有的成分——物質、輻射、力、空間與時間——組合成運行良好的世界，這就像一個機械鐘的齒輪、彈簧、錶盤獨特地結合在一起，保持對時間的精確記錄一樣。

目前的粒子物理學標準模型事實上正是一個只包含少量成分緊密關聯的系統。然而，宇宙似乎並不是獨特的，而是無數個可能世界中的一個。我們也不知道為什麼"粒子和力"的這種特殊組合構成了自然世界的基石。為什麼夸克有六種“風味”，中微子有三“代”，希格斯粒子只有一種？此外，標準模型包含19個物理常量，比如電子的質量、電子的電荷量之類的物理量，這些物理常量必須通過實驗來測量。這些“自由參數”的值似乎沒有任何更深刻的含義。一方面，粒子物理學是優雅的奇蹟；另一方面，它敘述了一個“本就如此”的故事。

2012年，在大型強子對撞機27公里長的圓形隧道中，粒子相互碰撞產生了希格斯玻色子

如果我們的世界只是眾多世界中的一個，那麼我們該如何對待其他的選項呢？愛因斯坦想象的是一個獨一無二的宇宙，但是目前的研究與這個觀點去之甚遠。現代物理學家擁抱物理廣闊的可能性空間，並試圖理解它包羅萬象的邏輯和相互聯繫。他們從最開始物理規律的淘金者變成了地理和地質學家，對物理規律的世界進行詳細測繪，並研究塑造這種地貌的作用力。

2 弦理論（string theory）的廣闊空間

然而，弦理論（string theory）使這種觀點發生了轉變。目前看來，弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時遵循量子力學與相對論的嚴格邏輯規則的唯一可行的候選自然理論。好消息是，弦理論沒有自由參數，它不是可以轉動的錶盤。要問哪個弦理論描述了我們的宇宙是沒有意義的，因為只有一個弦理論。不存在任何自由參數會導致一個震撼的結論，那就是自然界中所有的數字都要由物理學本身來確定。它們不是“物理常量”，而是由方程（也許是非常複雜的方程）確定的變量。

而這也帶來了壞消息。弦理論的解空間巨大而複雜。這在物理學中並不罕見。按照傳統，我們會把數學方程描述的基本定律和這些方程的解做區分，因為通常只有幾個定律，但有無數的解。以牛頓定律為例，它簡潔優雅，卻能描述從墜落的蘋果到月球軌道廣泛的現象。如果知道一個特定系統的初始條件，這些定律能夠解出方程，並預測接下來會發生什麼。我們不期望，也不需要一個能夠描述一切的先驗唯一解。

在弦理論中，通常會將一些物理特徵看作自然定律，比如特定的粒子和力，事實上這些定律是一些高維定律的解。它們由隱藏的額外維度的形狀和大小決定。所有這些解，它們構成的空間通常被稱為“圖景（landscape）”，但這是一種輕率的輕描淡寫，與這個空間的廣闊相比，即使是最令人敬畏的山脈景觀也會黯然失色。雖然對它的地理脈絡知之甚少，但我們知道，它有著規模巨大的領土。

弦理論是能夠描述所有粒子和力（包括引力）、同時遵循量子力學與相對論的嚴格邏輯規則的唯一可行的候選自然理論。

一個最引人注意的特點是，可能這片土地上所有東西都是相互連接的，也就是說，任意兩個模型之間都有一條完整的連接路徑。如果宇宙能足夠程度上被震動，我們將能夠從一個可能的世界移動到另一個，改變那些被認為是不可改變的自然定律，改變構成現實的基本粒子的特殊組合。

3 探索廣闊圖景

但對於那些動輒具有數百個維度的宇宙物理模型，要如何探索它們的廣闊圖景呢？一個很有幫助的辦法是，將這片圖景想象成很大程度上未被開發的荒野，它的大部分隱藏在層層難以處理的複雜性下面。只有在最邊緣處，才發現了一些適合居住的地方。在這些偏僻的前哨點，生活簡單而美好，我們找到了自己完全理解的基本模型。它們對於描述真實世界幾乎沒有什麼價值，卻可以成為探索周圍區域的方便起點。

量子電動力學（QED）理論就是一個很好的例子，它描述的是物質和光之間的相互作用。這個模型只有一個參數，也就是精細結構常數α，它的數值接近1/137，衡量兩個電子之間力的強度。

量子電動力學描述的是物質和光之間的相互作用。

在量子電動力學中，所有過程都可以看作是由基本的相互作用產生的。例如，兩個電子之間的斥力可以看作是光子的交換。量子電動力學要求我們考慮兩個電子彼此交換一個光子的所有可能方式，在實踐中這意味著物理學家必須解決一個極其複雜的無限求和問題。但這個理論也提供了一條出路：每個額外的光子交換會增加包含α升高一個指數的項。因為這是一個相對較小的數字，具有多個光子交換的項只會起到很小的作用，在尋找“真實”值的近似中可以忽略它們。

在整個圖景的前哨點發現了這些弱耦合理論。在這裡，其他因素的影響強度很小，討論基本粒子的列表以及計算它們相互作用力是有意義的。但是，如果離開這裡，更深入地進入荒野，那麼耦合就會變得更強，每一個額外的展開項都會變得更加重要，我們不再能區分單個粒子，相反，它們會溶解成一個糾纏的能量網，就像熱烤箱中的蛋糕一樣。

然而，並不是所有以往的規律都不復存在。有時，穿越黑暗荒野的道路會終結於另一個前哨點，也就是另一個控制良好的模型中，只不過這個模型由完全不同的粒子和力組成。在這種情況下，就像 A 和 B 的菜一樣，同一個底層物理規律，有兩種不同的描述方法。這些互補的描述被稱為對偶模型（dual model），它們之間的關係是對偶的。我們可以將對偶關係看成海森堡發現的波粒二象性的一個巨大的外推。對於 A 和 B 來說，這就像是是中國菜和意大利菜的食譜之間的翻譯，只不過是用兩套不同的描述來形容同一種食物。

對於物理學來說，為什麼這如此令人興奮呢？現代量子物理學最令人震驚的一個結論是：許多模型是一個巨大且相互連接的空間的一部分。這是一種視角的轉變，足以被稱為“範式轉移（paradigm shift）”。它告訴我們，發現的不是由單個島嶼組成的群島，而是一塊巨大的大陸。從某種意義上說，通過足夠深入地研究一個模型，就可以研究所有的模型。我們可以探究這些模型之間是如何聯繫的，並闡明它們的共同結構。

需要強調的是，這種現象與弦理論是否描述真實世界的問題在很大程度上是無關的。它是量子物理學的固有屬性，而無論未來的“萬物理論”會是什麼樣子，這種現象依舊存在。

為了尋求對所有自然現象的統一、連貫的描述，即一個"萬物理論"，物理學家們已經發現了連接越來越多不同現象的主要線索。

相關文章：

https://www.quantamagazine.org/frontier-of-physics-interactive-map-20150803/

一個更引人注目的結論是，基礎物理學的所有傳統描述都必須被拋棄。粒子、場、力、對稱——它們都不過是在複雜圖景邊緣上的人為描述。構建簡單模塊來思考物理學似乎是錯誤的，或者至少是受限的。也許存在一種全新的框架，能夠將自然的基本定律統一起來，並拋棄掉所有熟悉的概念。

對於這種激動人心的觀點而言，弦理論的數學複雜性和一致性是一個強大的動力。但我們必須重視現實。用玻爾（Niels Bohr）的話來說就是，目前關於取代粒子和場的想法幾乎沒有哪個“瘋狂到足以成為現實”。就像 A 和 B 一樣，物理學已經準備好拋棄舊的食譜，擁抱一種現代的融合烹飪。

翻譯：公孫龍馬

審校：陳曦

編輯：王怡藺

文章地址：

https://www.quantamagazine.org/there-are-no-laws-of-physics-theres-only-the-landscape-20180604/

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