試圖對抗愛因斯坦與霍金,用點和線搭建宇宙

2021-01-10 騰訊網

圖片來源:Wolfram Physics Project

撰文 | Sam Baron

翻譯 | 賀白

編輯 | 楊心舟

Stephen Wolfram是編程和數學界的一位偶像人物,他是Wolfram Alpha網站的創始人,這個網站致力於使用算法篩選海量信息資料庫來回答問題。同時,他還創建了Mathematica——一個被全世界科學家使用的計算機系統。

今年4月,Wolfram啟動了一個新項目:Wolfram物理學計劃。這項計劃是一次雄心勃勃的嘗試,旨在創建關於宇宙的全新物理學思想。他宣稱,新物理學是基於計算的。其指導思想是,一切事物都可以歸結為對基本組成部分的簡單規則的應用

「新物理學」意義何在

我們為什麼需要這個理論?畢竟我們已經有兩個非常成功的物理理論了。一個是廣義相對論,即關於引力和宇宙的大尺度結構的理論;以及量子力學,即關於物質、亞原子粒子的基本組成及其相互作用的理論。難道有了這兩個理論,我們還沒有把物理學搞定嗎?

遺憾的是,答案是還沒有。雖然我們可以很好地解釋引力是如何作用於大尺度物體,比如恆星、行星,甚至人類,但我們並不了解引力如何作用於極高的能量或極小的物體

當我們試圖將廣義相對論擴展到量子力學所統治的微觀領域時,它就行不通了。因此,我們需要更加通用的量子引力理論:這個全新的理論,能將廣義相對論和從量子力學的已知部分結合起來。

目前我們研究量子引力的最佳方法是弦論。這一理論已經發展了50年左右,雖然取得了一些成功,但人們對這種方法的異議也在增加。

Wolfram的方法有何不同?

Wolfram試圖為弦論提供一種替代方法,他試圖通過名為圖論的數學分支來實現這一目標,圖論研究的是由線或邊連接起來的點或節點群。

想像有一個社交網絡平臺,這個網絡最先會從一個人(假設她叫貝蒂)開始。接下來,我們可以添加一個簡單的規則:每個人能添加3個朋友。把規則應用到貝蒂身上:現在她有3個朋友了。之後再把這個規則在每個人身上迭代,很快,就會形成一個複雜的朋友網絡。

圖片來源:Samuel Baron

在Wolfram的理論中,多次應用一個簡單的規則會創建一個由點和連接組成的複雜網絡。他的目標,是用幾乎相同的方式為宇宙建模。他認為,物理學的目標是找出宇宙圖形所遵循的規則。Wolfram想法的關鍵是一個複雜度適中,形似幾何體的圖形。例如,一個立方體或類似的圖形。

正如點和線的集合可以近似於一個立方體,Wolfram認為空間本身可能是一個將一系列節點編織在一起的網格。圖片來源:Samuel Baron

Wolfram認為,極其複雜的圖形本質上和其他簡單的二維和三維的圖形很類似:添加足夠多的節點並用足夠多的線連接它們,就形成了一種網格狀網絡。空間本身也可以被認為是一個網格狀網絡,它以這種方式將一系列節點編織在一起。

調和不同理論

複雜的節點網絡如何幫助我們調和廣義相對論和量子力學?量子理論研究的是具有離散性質的離散物體。而廣義相對論卻將宇宙視為一個連續體,將引力視為一個連續的力。

如果我們能建立一個理論,它能和廣義相對論一樣運作,但這種理論是從離散結構,比如圖形開始的,那麼我們就有希望調和廣義相對論與量子力學的矛盾了。如果我們能用一個離散的結構建立一個類似於廣義相對論中的幾何體,這個理論將更有希望。

Stephen Wolfram認為空間本身可能是一個由複雜的點組成的網格狀網絡,這些點會通過一個簡單的規則連接在一起,這個規則在這個網絡中多次迭代。

圖片來源:Wolfram Physics Project

「新物理學」靠譜嗎?

儘管Wolfram的計劃看上去很有希望,但又確實有一些狂妄了。因為Wolfram即將對抗的是愛因斯坦和霍金曾提出的理論,而他在做這件事的時候,從未在物理雜誌上發表過文章。

此外,他的方法並非完全獨創。現有的兩種量子引力理論——因果集合論和圈量子引力論就和他提出的理論非常相似,不過Wolfram並未在他的宏大計劃中提到它們。

不過,Wolfram的項目仍然引人注目。首先,Wolfram有著廣泛的受眾,他會為推廣他所倡導的方法做很多工作。圈量子引力論的支持者一直對弦論在物理學界的主導地位感到不滿。Wolfram可能有助於轉變物理學由弦論主導的現狀。

第二,Wolfram提供了一個非常詳細的項目概述,這將使其他人更容易掌握一般方法,並有可能在此基礎上作出自己的貢獻。

最後需要說明的是,該項目是「開源」的,歡迎公民科學家的參與。也就是說,這件事給了我們在烤電飯煲蛋糕和肝動物森友會之外,能做點別的事的機會,就是這樣。

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