尋找物理學基礎理論的新途徑
2020-04-22 原理
物理學中有兩個非常成功的理論——廣義相對論和量子力學。簡略地說，前者是關於引力和宇宙大尺度結構的理論，後者是關於物質的基本構成、亞原子粒子及其相互作用的理論。在過去的一個多世紀裡，這兩個理論在各自領域表現卓越。
然而，我們雖然已經有了可用來很好地解釋引力是如何作用於宏觀物體的理論，但我們卻不能在極高能量下，或在極小的微觀物體上了解引力是如何運作的。這是物理學的一個重大問題，解決這個問題是許多物理學家一生的夙願。他們希望能找到一種可以將廣義相對論和量子力學結合在一起的理論——量子引力理論，從而物理學打開一個全新的局面。
目前，弦理論是物理學家研究量子引力的最佳方法，這一理論已經發展了約50年之久，並取得了許多可喜的成就。但也有物理學家認為，作為一種主要的研究方法，弦理論暴露的不足似乎在與日俱增。物理學家迫切地希望能夠出現尋找新物理學的其他途徑。
○ 史蒂芬·沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram）。| 圖片來源：Wikipedia
4月14日，企業家史蒂芬·沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram）宣布了一個新項目——「沃爾弗拉姆物理項目」（The Wolfram Physics Project）的啟動，這是一項專門為了發展新物理學而推出的新計劃。
○ 沃爾弗拉姆物理項目（The Wolfram Physics Project）。| 圖片來源：[1]
沃爾弗拉姆是軟體公司沃爾夫勒姆研究公司（Wolfram Research）的創始人，他為計算機、物理學，和數學領域都作出了傑出貢獻。在成為一名企業家之前，他是一名物理學家。他設計出了幾乎所有科學家都在使用的計算軟體Mathematica。此外，想必大多數有學習數學、科學以及工程的人都使用過他的Wolfram Alpha搜尋引擎。
在新計劃中，沃爾夫勒姆提出，宇宙中的一切都可以歸結為將簡單的規則應用於一些基本單元之上。他將宇宙視為一個巨大的、不斷增長的關係網絡，網絡之間的各種關係構成了空間本身以及其中的一切。其實早在18年前，沃爾夫勒姆就發表過類似的觀點，不過那時候這些想法還較為模糊。現在，他認為他已經找到了更清晰的思路，並相信這些想法或許能帶來基礎理論的新發現。
沃爾弗拉姆試圖利用圖論來找到一種可以替代弦理論的方法。圖論是數學的一個分支，它研究的是線和頂點的連接所構成的圖形。具體說來，他的方法是基於一個被稱為「超圖」（hypergraph）的概念，這是一種廣義上的圖，在這種圖形中，一條邊可以連接任意數量的頂點。沃爾夫勒姆相信，這種複雜的超圖可以模擬宇宙的許多特徵，比如物質和能量，並可被用於重現由廣義相對論和量子力學所描述的所有物理結構和過程。
複雜的超圖如何可以協調廣義相對論和量子力學呢？量子理論研究的是具有離散特徵的離散對象；而在廣義相對論的視角中，宇宙是一個連續的實體。沃爾弗拉姆認為，這種衝突可以通過用離散的結構來建立一個類似於廣義相對論的幾何模型而得到調和。他建議通過將極為簡單的基本規則應用到一個簡單的起點之上，然後不斷地重複應用這些規則，來最終生成這種複雜的超圖。
舉例來說，假如有兩個被標記為A和B的「抽象元素」，規則是每個A都要被更改為BBB，每個BB都要被替換為A。那麼如果以A為起點，按照規則，它會在一次「更新」中變成BBB；由於BBB擁有兩個BB，所以接下來BBB可以有兩次更新，一次是把前兩個B變成A，產生AB，另一次是把後兩個B變成A，生成BA。這樣一來，A被連接到了BBB，而BBB又連接到了AB和BA。AB和BA接下來的更新都能生成BBBB，而BBBB又能產生ABB、BBA和BAB……
○ 圖片來源：[2]
當這個規則被不斷地應用在這些元素上時，我們就得到了越來越複雜的圖形。
每一個「更新」步驟對應於常規概念中的時間，當一個規則被反覆地應用到一組抽象實體之上時，就會生成連接，這些連接就對應於空間的結構。因此，在沃爾弗拉姆的圖景中，空間是一個以極其複雜的模式連接的點的網絡，這些點可以描述物質和能量，以及被統稱為物理學定律的各種關係。
○ 沃爾夫勒姆認為，空間本身可能是一個通過一個簡單的規則被多次重複應用之後，形成的複雜的由點連接在一起的網絡。| 圖片來源：[2]
沃爾夫勒姆認為，幾乎所有存在的東西都是由空間構成的，他說：「這基本上就是我認為的宇宙空間的運作方式。實際上，它是一堆抽象的點之間的離散、抽象的關係。但在我們的經驗尺度上，它所具有的關係模式使它看起來像是連續的空間。」這有點像魚把海洋看作是一種平滑的流體，而無法感知到水實則是由離散的分子組成的。
在這種超圖中構建的空間可以具有非常精細的結構，就像一個有著無限像素的數位相機傳感器。據初步估計，與現如今的宇宙相對應的超圖，或許已經應用了10⁵⁰⁰個時間步長（更新）。如此龐大的數字可以使得空間有足夠的細粒度來容納比物理學中已知的粒子要小得多的物質-粒子結構，從而有助於物理學家對暗物質進行探索。
此外，沃爾夫勒姆還認為，推動了宇宙加速膨脹的暗能量或許只是這種超圖的一個自然特徵，因為也許暗能量在本質上就是由空間本身構成的。
沃爾夫勒姆相信，超圖可以將現有的許多物理理論都包含在內，比如超弦理論、圈量子引力等等，從而解決當前關於哪種理論是用於解釋基礎物理學的最佳理論的爭論。
目前，這種超圖已經可以重現許多物理學理論的結果，其中包括狹義相對論。如果這項計劃真如沃爾夫勒姆所期待的那樣運作順利，是否意味著理論物理學家可以摒棄他們原有的研究方法，僅憑一些規則來運行計算機模擬即可？
事實並非如此，正如沃爾夫勒姆自己所指出的那樣，這項工作尚未完成。到目前為止，這個項目已經確定了近1000條規則，這些規則可以產生看起來與宇宙很像的複雜結構。但究竟是怎樣的規則造就了現在的宇宙，還有待進一步摸索。
○ 圖片來源：[2]
如果有一天，這個模型真的能找到一個規則，這個規則具有所有正確的屬性，那麼這或許表明我們終於破譯了宇宙的奧秘。而在此之前，這個聽起來令人興奮的計劃還將面臨許多挑戰。
參考連結：
[1] https://wolframphysics.org
[2] https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[3] https://www.sciencenews.org/article/stephen-wolfram-hypergraph-project-fundamental-theory-physics
[4] https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/
[5] https://phys.org/news/2020-04-wolfram-physics-fundamental-theory.html
[6] https://theconversation.com/a-new-kind-of-physics-stephen-wolfram-has-a-radical-plan-to-build-the-universe-from-dots-and-lines-136830
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