多元宇宙2017年1月

我们把物理学推得太远了

平行宇宙是一个不成熟问题的答案。

在马塞洛格雷斯

在物理学中,我们喜欢简单而广泛的理论。所谓“简单”,物理学家通常指的是一种基于尽可能少的假设的数学理论;所谓“广泛的”,我们指的是那些可以描述大范围现象的理论,即使这些现象看起来并不相关。一个典型的例子就是爱因斯坦的广义相对论。基于一些简单的原理,它成功地描述了这个(和任何一个)太阳系的行星轨道、黑洞、引力波和宇宙的膨胀。

当理论简单而广泛时,物理学家称之为“美”。诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)和弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)将这种理论与莫扎特的音乐作品进行了比较。莫扎特的音乐作品精妙而完美,仿佛受到了神的启示,每一个音符都在它应该在的地方:去掉一个,乐曲就会崩溃。同样,美丽的理论具有数学完整性,似乎揭示了自然的深层,一种隐藏的创造代码:从非常大到非常小,宇宙有许多层,每层都建立在自己的数学描述之上。这些难道不是一个更大的组成部分,一个统一的旋律,在整个自然界中共鸣吗?

所以,那些追求最终理论的人,希望这个理论能把物理现实的许多层面编织成一个完整的数学。我们可以把这称为终极的柏拉图式的梦想,即对一个简单而广泛的物理学理论的追求。事实上,在过去四十年中,对这种理论的探索激发了世界上许多最聪明的物理学家。但今天,由于缺乏实验验证和一些理论障碍,包括多重宇宙的可能性和它们带来的麻烦问题,我们看到了这种将自然数学化的柏拉图式推动力的局限性。

作为沉浸在时间流逝中的生物,人类对初始条件感到不知所措。

对统一的追求的现代版本是弦理论,它假设自然界的基本实体是振动的能量管,而不是点状的物质粒子。不同的振动模式对应着我们观察到的不同粒子,就像小提琴弦不同的振动频率对应着不同的声音一样。当我在20世纪80年代中期加入理论物理学的时候,最大的任务就是找到弦理论的唯一解:我们的宇宙和它所有的粒子和力。我们相信成功就在眼前,自然确实是一个10维时空中的数学代码,9是空间,1是时间。理想情况下,这6个隐藏的空间维度将决定我们在常见的3个维度中观察到的物理现象:向一个方向扭曲它们,我们就会得到一种宇宙;再把它们扭曲一下,宇宙就不同了。其吸引力在于解决方案的独特性——肯定会有的一个额外维度的几何,这个几何会告诉我们一切。没有比这更简单、更广泛的理论了;没有比这更美丽的理论了。

唉,这不是命中注定的。快进到三十年后,情况发生了巨大变化。物理学家震惊地发现,不是一个单一的解,而是大量的解——一些估计,一个1后面跟着500个0,每一个都是额外维度空间中不同的扭曲,每一个都产生一个不同的宇宙。据推测,它们中的每一个都有自己的一套基本常数,比如电子的质量、电荷和引力引力的强度,这些数字决定了自然的物理性质。在这么多的可能性中,我们的宇宙在哪里?我们确实知道,如果我们把这些常量微调得非常小,生命就不可能存在:我们就不会在这里了。换句话说,我们生活在我们生活的地方,因为我们不能在其他地方生活——我们的宇宙是少数允许我们存在的宇宙之一。这是事实,但作为一种科学论证,这并没有给我们带来什么好处。更糟糕的是,这听起来有些重复。弦理论从数学上证明了宇宙的唯一性变成了一个允许无数可能存在的宇宙的理论,没有一个比另一个更有说服力。

W我们需要重新考虑导致我们陷入这一危机的思路。这个问题植根于一个更深层次的哲学问题,即第一原因。人类是沉浸在时间长河中的生物,有一个清晰的开始和一个明确的结束,人类永远被初始条件吓呆了。什么东西怎么会凭空出现呢?是什么在一开始设置了这个东西的属性(读作“基本常量的值”)?谁下令?他命令我们

我们的错误在于,在科学的背景下,这些都是错误的问题。

物理学在一个非常清晰的框架下工作。为了确定一个系统的时间演化,我们需要陈述它的初始条件,即系统在时刻0的状态。这意味着一开始我们就对系统有所了解,这是我们通过测量获得的。在宇宙学中,这是不可能的。根据我们今天对宇宙的了解,我们可以限制初始条件和基本常数的值,但我们不能确定我们的结论在任何方面都是最终的。我们今天收集到的关于宇宙遥远过去的线索只能给我们提供一个支离破碎的图景。多元宇宙只会把初始条件的问题推到更高的层次,而不会解决它。

物理学是智慧谦卑的表现。

任何试图明确确定宇宙初始条件以及基本常数值的理论,都是在做物理学所不擅长的事情。那么,我们是否陷入了困境,不得不接受这些常量的值?在当前的框架内,是的。围绕这个问题的尝试,即使鼓舞人心,也不会比本轮周期多多少。

但并不是一切都完了。对一个简单的包罗万象的理论的探索掩盖了对物理学本质更持久的见解。物理学是一种对自然现象的不断变化和自我修正的描述。在实践中,它抛开了对现实本质的形而上学预期,这种预期更多地与我们作为人类如何寻找意义有关,而不是与自然的实际运作方式有关。换句话说,物理学是智慧谦卑的表现。我们学会了与无知共存,作为回报,我们获得了渐进进步的能力。

所以,我们可以接受我们现在的物理定律表面上的任意性,超越“简单即是美,美即是真理”的美学教条。如果物理学被理解为一种描述性的解释模式,摆脱了统一的追求,那么不了解它的焦虑就会被驱除。也许我们目前的困境是更大问题的征兆,物理理论的方法论本质发生了深刻的变化。我们可能不得不从历史的角度来看待它们,把第一原因的解释和永恒的真理作为徒劳的追求抛在一边。很可能,物理理论的本质反映了它们自己的叙事结构,分段渐进的,创造了我们对物理现实的不完善和不完整的把握。这并没有什么错。


导象:弦理论中Calabi-Yau流形的例子。Andrew J. Hanson,印第安纳大学。

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