機器之心報導
機器之心編輯部
「物理學已經很長一段時間沒有出現任何顯著進展了。探測引力波或許算是一個，」史蒂芬·沃爾夫勒姆表示。「我非常希望在純技術層面上，我們所做的一切能夠使理論物理學重新煥發活力。儘管目前的工作還很不成熟。」
著名計算機科學、數學、理論物理學家史蒂芬·沃爾夫勒姆（Stephen Wolfram）可能是世界上最聰明的人，他的研究經常被人們視為「神作」。但當昨天沃爾夫勒姆宣布「找到了理論物理基礎的正確道路」時，所有人仍然感到非常驚訝，第一時間不知如何做出評論。
本周二，這位因粒子物理學、元胞自動機、宇宙學、複雜性理論、計算機系統而聞名的科學家突然發表了一篇超長文章，吸引了所有人的注意。
這篇長達近百頁的文章是 Wolfram 物理項目的首次曝光，詳述了作者對於空間、時間和基本粒子性質的全新理解。沃爾夫勒姆還邀請所有人參加對基本物理學進行解碼的研究。
「我從沒預料到會是這樣，」沃爾夫勒姆在開頭寫道。「這是出乎預料，令人驚訝的。從某種程度來說，我已經為此奮鬥了 50 年，但是直到最近幾個月，它們才終於融合在一起。而且它比我想像的還要精彩、美麗。」
「我從沒預料到會是這樣。」沃爾夫勒姆此言一出，震驚全場。
沃爾夫勒姆認為，在過去的幾百年中，人們對物理學的理解有了不可思議的進步。但雖然已經完成了大量工作，但我們仍然沒有一套真正的物理學基礎理論。
經過長期思考與探索，沃爾夫勒姆認為自己已找到了通往物理學基礎理論的道路，建立了一個範例和框架（包含大量實用計算工具）。在此之後這一體系還需要更多人的努力，但其目標是極具吸引力的：看看我們是否能夠最終獲得宇宙基本原理的答案。
Wolfram 對於新物理基礎理論的介紹[1]，相關論文[2]
現實世界中，網絡的存在多種多樣，除了神經網絡、社交網絡和病毒傳播網絡之外，還有電網、生態網絡和最明顯的——網際網路。從這個角度上看，整個宇宙肯定是一個巨大的網絡。
沃爾夫勒姆認為宇宙是巨大且不斷增長的關係網絡，這些關係構成了空間以及空間中的一切。他從中看到了構成所有物理定律的底層終極理論的基礎。
其實早在 18 年前，沃爾夫勒姆在一本 1197 頁的著作「A New Kind of Science」中表達過類似的觀點。但是那時候他的構想還不太清晰。現在，他認為自己找到了解釋現實的更好視角。
他在昨日發布的文章裡表示，「我認為我們找到了一條通往物理學基礎理論的道路。」
沃爾夫勒姆方法的核心是超圖（hypergraph）。這裡，「圖」類似於網絡的圖示：用線條連接不同的點。但是在一張白紙上是無法用這類線條表示現實的。於是，沃爾夫勒姆利用計算機視覺化，用更複雜的「超圖」來描述關係。（在超圖中，「線條」可以連接任意數量的點，而不是僅連接兩個點。）
沃爾夫勒姆的研究表明，複雜的超圖可以模仿宇宙的許多特徵，包括物質和能量，還能復現相對論和量子力學所描述的物理結構和過程。
沃爾夫勒姆寫道：「在我們的模型中，宇宙中的一切——空間、物質以及任何東西，都可以用不斷演化的超圖的特徵來表示。」
他的核心觀點是，將簡單的規則應用於簡單的起始點就可以得到此類極端複雜的超圖。
假設有兩個「抽象元素」A 和 B，規則為「每個 A 均可被更改為 BBB，每個 BB 均可被 A 替換」。
現在從 A 開始。根據規則，將 A「更新」為 BBB，BBB 擁有兩個 BB。因此 BBB 可以更新兩次：第一次，將前兩個 B 替換為 A，得到 AB；第二次，將後兩個 B 替換為 A，得到 BA。即：
AB 和 BA 的更新都能得到 BBBB，但 BBBB 可以得到 ABB、BBA 和 BAB。繼續應用這條規則的話，圖會變得越來越複雜。
沃爾夫勒姆表示，這些更新步對應於我們對時間的一般概念，即宇宙時鐘的滴答作響。將一條規則重複應用於一組抽象實體，得到的連接（即連結這組實體的關係圖）對應於空間結構。因此空間不只是一組無法分辨的點，而是一個以無比複雜的模式連接的點網絡，它可以復現物質和能量，以及被統稱為物理學定律的關係。
沃爾夫勒姆表示，「這基本上就是我對宇宙中空間運作的觀點。它是抽象點之間的一組離散抽象關係。但是放大到我們所處的規模，關係的模式將它變成我們習以為常的連續空間。」
這有點像在魚的眼裡海洋是一灘平常光滑的液體，儘管水是由離散小分子構成的。
在某種意義上，沃爾夫勒姆認為一切存在的事物基本上都是由空間構成的。「同樣的超圖賦予了我們空間結構，以及空間中存在的一切事物。」
聽起來理論物理學家可以關門大吉，利用沃爾夫勒姆的規則運行一些計算機模擬就可以了。但是正如沃爾夫勒姆所承認的那樣，這項工作還沒完成。到目前為止，沃爾夫勒姆的項目已經定下了近 1000 條規則，這些規則生成類似宇宙的複雜結構。至於什麼規則能夠精準地生成我們所居住的宇宙，還有待觀察。
「我希望不久後會有這樣一條規則出現，它具備所有正確的屬性。並且我們會慢慢地發現，是的，就是它，我們的宇宙終於被解碼了。」沃爾夫勒姆寫道。
沃爾夫勒姆在文章中宣稱，超圖描述了被他稱為「因果不變性」（causal invariance）的原理。這意味著經過超圖的各種路徑有時可以匯合。這樣的匯合使得事件在時間上的因果鏈得以保留。
沃爾夫勒姆表示，在超圖中「不只有時間這一條路徑，而是有許多路徑和『歷史』」。但是一條獨立的歷史路徑能夠和其他的路徑合併。「即使遵循的歷史路徑不同，這些因果關係最終也可能是相同的。實際上，對於進入系統的觀察者而言，仍然只有一條時間線。」
由於因果不變性，沃爾夫勒姆的超圖再現了許多物理理論的結果，比如愛因斯坦的狹義相對論。迅速移動會使時間變慢（如狹義相對論所述），因為對應於移動物體的超圖結構通過超圖形成了一個角度，從而擴展了更新（或時間步）之間的距離。正如相對論所言，光速是最大的速度，因為它代表信息在超圖更新時通過超圖傳播的最大速率。愛因斯坦廣義相對論描述的引力出現在超圖特徵之間的關係中，這些特徵可以解釋為物質粒子。（粒子是連接點的小集合，它們會隨著超圖的更新而持續存在，例如具有特殊屬性的「小塊空間」。）
在這些想法的更複雜擴展版本中，沃爾夫勒姆探索了如何將超圖的屬性與量子力學的奇怪特性對應起來。「在我們的模型中，量子力學不僅僅是可能的，而且是絕對必然的。」沃爾夫勒姆斷言。
在這類超圖中構建的空間具備非常精細的結構，比如數十億兆像素的數位相機傳感器。沃爾夫勒姆估計，與今天的宇宙相對應的超圖可能已經達到 10500 個時間步，這比以秒為單位的宇宙年齡要大得多（約 1015）。因此，空間的粒度足夠細，足以包含比已知的物理粒子小得多的物質粒子結構。
實際上，沃爾夫勒姆認為，在宇宙誕生後不久，可能就已經形成了大量未知的超小微粒，他稱之為「寡聚物」（oligon）。這類僅受重力作用的寡聚物可以在星系之間遊蕩，人們只能通過重力產生的效應發現它們。因此，寡聚物可能解釋了為什麼天文學家推斷太空中存在大量不可見的「暗物質」，以及為什麼至今也無法確定暗物質的性質。
類似地，宇宙中的最大勢力——神秘的「暗物質」以更快的速度擴張，這可能只是沃爾夫勒姆超圖的自然屬性。或許暗物質本質上就是空間的組成部分。
此外，沃爾夫勒姆認為他構建的超圖可以解決目前關於「哪種理論最能解釋基礎物理」的爭論。最近幾十年出現了超弦理論、圈量子引力論、因果論等理論，並引起了長期的爭論。沃爾夫勒姆認為超圖可以囊括以上所有理論。
他表示，「似乎所有人都是對的，只需要添加一種新型基材就能看到如何將它們組合到一起。」
沃爾夫勒姆在網站上發布了相關的技術論文，並邀請物理學社區參與實現他的願景。
沃爾夫勒姆發表研究成果的同時，一項合作計劃也已上線。沃爾夫勒姆還會實時直播正在進行的研究。
「我們的最終目標是架起一座橋梁，將我們的模型與現有物理知識連接起來。我認為我們終於走在了正確的道路上」直到找出宇宙的「正確」法則。
「正確法則」將生成能夠展現宇宙精確屬性的超圖：空間的三維、確切的宇宙膨脹率、具備正確電荷與質量的基礎粒子等。
但是，沃爾夫勒姆可能已經意識到，僅尋找一個規則可能遺漏更重要的部分。或許宇宙使用了所有可能的規則。所有可能的宇宙都只是一個真實巨大宇宙的部分，即「所有事……都可能發生，包括所有可能的規則。」
我們根據用來描述和理解世界的「語言」來辨別一組特定的物理定律。將語言的元素調整為「感官能夠檢測、測量設備能夠度量、現有物理知識能夠描述的事物」。正確的規則與我們基於特定參照系探索的超圖的一部分相對應。別處的生命看待事物的角度可能有所不同。沃爾夫勒姆表示：「描述和體驗宇宙的方式具備幾乎無限的多樣性。」
也就是說，解釋生物存在的物理學可能需要對更複雜現實的運作機制有深入理解，它超出了我們能夠體驗的範疇。沃爾夫勒姆表示，「從很多方面來看，我們不可避免會走向人類理解範疇的邊界。」
他認為，將他的方法與現有的成功物理學理論結合起來還需要更多工作。標準物理學取得了很多成就，對從原子內部結構到宇宙結構再到時空本質在內的事物做出了詳細的解釋。
但是，很長時間以來主流物理學家懷疑時空並非基礎概念。時空似乎是基於某些更深層的事物而出現的。這需要漫長的努力，但沃爾夫勒姆或許已經找到帶領我們尋找現實起源的道路。
只有時間，或者更多的超圖更新步，能夠證明一切。
史蒂芬·沃爾夫勒姆神奇的人生經歷
史蒂芬·沃爾夫勒姆 1959 年出生於英國倫敦的一個猶太人家庭，他是數學軟體Mathematica 和計算型知識引擎 Wolfram Alpha 的發明者之一，是沃爾夫勒姆研究公司的創立者之一和執行長。
他從伊頓公學和牛津大學相繼肄業，展現出「不適合教育體制」的才華。有人說，他是目前活著的人裡最聰明的人。
10 歲時，他立志成為一名科學家。12 歲，沃爾夫勒姆拿到了伊頓公學的獎學金，15 歲發表了第一篇科學論文《Hadronic Electrons?》。
論文發表於 1975 年，由沃爾夫勒姆獨立完成。
17 歲，沃爾夫勒姆進入牛津大學，但頗感無聊，兩年後進入加州理工學院，最終在 20 歲的年紀就取得了粒子物理學博士學位。
21 歲的沃爾夫勒姆在理察·費曼的推薦下，獲得了第一屆麥克阿瑟天才獎，也是該獎項多年以來最年輕的得主，沒有之一。麥克阿瑟天才獎被視為美國跨領域最高獎項之一，頒發給「在各個領域內具有非凡創造性的傑出人士」，在我們熟知的傑出華人代表中，獲得過該獎項的有陶哲軒、丘成桐、賀琳等。
27 歲時，沃爾夫勒姆開發了 Mathematica 軟體，創立了史蒂芬·沃爾夫勒姆公司。這款大型現代技術計算系統一面世就被許多科研工作者迅速採用，是目前應用最重要的科學計算軟體之一。
潛心研究十幾年後，43 歲的沃爾夫勒姆出版了至今頗受爭議的著作《一種新科學》。沃爾夫勒姆提到，宇宙本質上是數字的，並且運行在一種可描述為簡單程序的基本定律上。他預測，科學界如果實現這一目標，將對物理學、化學和生物學以及整個大多數領域產生重大的革命性影響，這也是這本書取名如此的原因。
2009 年，沃爾夫勒姆所在公司推出了新一代搜尋引擎 Wolfram Alpha，用戶輸入問題即刻得到答案，而非返回成千上萬個網頁連結。這一引擎也為蘋果 Siri、亞馬遜 Alex、微軟 Bing 提供了背後的技術動力源。
無論沃爾夫勒姆的革命是否給了我們通往宇宙的鑰匙，他的「新科學」絕對是令人敬畏的。如同其他科學研究一樣，真正的考驗將是通過研究模型宇宙發掘出的理論是否可以在現實世界中複製，或許很快，科學家們就將在這套理論體系下開展全新的研究。
參考內容：
[1]https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[2]https://www.wolframphysics.org/technical-introduction/introduction/
https://www.wolframcloud.com/obj/wolframphysics/Documents/some-quantum-mechanical-properties-of-the-wolfram-model.pdf
[3]https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics
[4]https://www.wired.com/story/stephen-wolfram-invites-you-to-solve-physics/