寻找物理学基础理论的新途径

物理学中有两个非常成功的理论——广义相对论和量子力学。简略地说，前者是关于引力和宇宙大尺度结构的理论，后者是关于物质的基本构成、亚原子粒子及其相互作用的理论。在过去的一个多世纪里，这两个理论在各自领域表现卓越。

然而，我们虽然已经有了可用来很好地解释引力是如何作用于宏观物体的理论，但我们却不能在极高能量下，或在极小的微观物体上了解引力是如何运作的。这是物理学的一个重大问题，解决这个问题是许多物理学家一生的夙愿。他们希望能找到一种可以将广义相对论和量子力学结合在一起的理论——量子引力理论，从而物理学打开一个全新的局面。

目前，弦理论是物理学家研究量子引力的最佳方法，这一理论已经发展了约50年之久，并取得了许多可喜的成就。但也有物理学家认为，作为一种主要的研究方法，弦理论暴露的不足似乎在与日俱增。物理学家迫切地希望能够出现寻找新物理学的其他途径。

○ 史蒂芬·沃尔弗拉姆（Stephen Wolfram）。| 图片来源：Wikipedia

4月14日，企业家史蒂芬·沃尔弗拉姆（Stephen Wolfram）宣布了一个新项目——“沃尔弗拉姆物理项目”（The Wolfram Physics Project）的启动，这是一项专门为了发展新物理学而推出的新计划。

沃尔弗拉姆是软件公司沃尔夫勒姆研究公司（Wolfram Research）的创始人，他为计算机、物理学，和数学领域都作出了杰出贡献。在成为一名企业家之前，他是一名物理学家。他设计出了几乎所有科学家都在使用的计算软件Mathematica。此外，想必大多数有学习数学、科学以及工程的人都使用过他的Wolfram Alpha搜索引擎。

在新计划中，沃尔夫勒姆提出，宇宙中的一切都可以归结为将简单的规则应用于一些基本单元之上。他将宇宙视为一个巨大的、不断增长的关系网络，网络之间的各种关系构成了空间本身以及其中的一切。其实早在18年前，沃尔夫勒姆就发表过类似的观点，不过那时候这些想法还较为模糊。现在，他认为他已经找到了更清晰的思路，并相信这些想法或许能带来基础理论的新发现。

沃尔弗拉姆试图利用图论来找到一种可以替代弦理论的方法。图论是数学的一个分支，它研究的是线和顶点的连接所构成的图形。具体说来，他的方法是基于一个被称为“超图”（hypergraph）的概念，这是一种广义上的图，在这种图形中，一条边可以连接任意数量的顶点。沃尔夫勒姆相信，这种复杂的超图可以模拟宇宙的许多特征，比如物质和能量，并可被用于重现由广义相对论和量子力学所描述的所有物理结构和过程。

复杂的超图如何可以协调广义相对论和量子力学呢？量子理论研究的是具有离散特征的离散对象；而在广义相对论的视角中，宇宙是一个连续的实体。沃尔弗拉姆认为，这种冲突可以通过用离散的结构来建立一个类似于广义相对论的几何模型而得到调和。他建议通过将极为简单的基本规则应用到一个简单的起点之上，然后不断地重复应用这些规则，来最终生成这种复杂的超图。

举例来说，假如有两个被标记为A和B的“抽象元素”，规则是每个A都要被更改为BBB，每个BB都要被替换为A。那么如果以A为起点，按照规则，它会在一次“更新”中变成BBB；由于BBB拥有两个BB，所以接下来BBB可以有两次更新，一次是把前两个B变成A，产生AB，另一次是把后两个B变成A，生成BA。这样一来，A被连接到了BBB，而BBB又连接到了AB和BA。AB和BA接下来的更新都能生成BBBB，而BBBB又能产生ABB、BBA和BAB……

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当这个规则被不断地应用在这些元素上时，我们就得到了越来越复杂的图形。

每一个“更新”步骤对应于常规概念中的时间，当一个规则被反复地应用到一组抽象实体之上时，就会生成连接，这些连接就对应于空间的结构。因此，在沃尔弗拉姆的图景中，空间是一个以极其复杂的模式连接的点的网络，这些点可以描述物质和能量，以及被统称为物理学定律的各种关系。

沃尔夫勒姆认为，几乎所有存在的东西都是由空间构成的，他说：“这基本上就是我认为的宇宙空间的运作方式。实际上，它是一堆抽象的点之间的离散、抽象的关系。但在我们的经验尺度上，它所具有的关系模式使它看起来像是连续的空间。”这有点像鱼把海洋看作是一种平滑的流体，而无法感知到水实则是由离散的分子组成的。

在这种超图中构建的空间可以具有非常精细的结构，就像一个有着无限像素的数码相机传感器。据初步估计，与现如今的宇宙相对应的超图，或许已经应用了10⁵⁰⁰个时间步长（更新）。如此庞大的数字可以使得空间有足够的细粒度来容纳比物理学中已知的粒子要小得多的物质-粒子结构，从而有助于物理学家对暗物质进行探索。

此外，沃尔夫勒姆还认为，推动了宇宙加速膨胀的暗能量或许只是这种超图的一个自然特征，因为也许暗能量在本质上就是由空间本身构成的。

沃尔夫勒姆相信，超图可以将现有的许多物理理论都包含在内，比如超弦理论、圈量子引力等等，从而解决当前关于哪种理论是用于解释基础物理学的最佳理论的争论。

目前，这种超图已经可以重现许多物理学理论的结果，其中包括狭义相对论。如果这项计划真如沃尔夫勒姆所期待的那样运作顺利，是否意味着理论物理学家可以摒弃他们原有的研究方法，仅凭一些规则来运行计算机模拟即可？

事实并非如此，正如沃尔夫勒姆自己所指出的那样，这项工作尚未完成。到目前为止，这个项目已经确定了近1000条规则，这些规则可以产生看起来与宇宙很像的复杂结构。但究竟是怎样的规则造就了现在的宇宙，还有待进一步摸索。

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如果有一天，这个模型真的能找到一个规则，这个规则具有所有正确的属性，那么这或许表明我们终于破译了宇宙的奥秘。而在此之前，这个听起来令人兴奋的计划还将面临许多挑战。

参考链接：

[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

封面图来源：[2]