一种不同的万物理论

1964年，物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在康奈尔大学(Cornell University)的一次演讲中阐明了一个关于物理世界的深刻谜团。他告诉听众想象两个物体，每个物体都受到另一个物体的引力吸引。他问道，我们应该如何预测他们的行动？费曼确定了三种方法，每一种方法都引用了对世界的不同信仰。第一种方法使用牛顿引力定律，根据该定律，物体相互之间施加拉力。第二个设想是一个引力场在空间中延伸，物体扭曲了这个引力场。第三个应用了最小动作原则，认为每个物体都是按照在最短时间内消耗最少能量的路径移动的。所有这三种方法都产生了相同的、正确的预测。它们是关于重力如何工作的三个同样有用的描述。

费曼说：“自然界令人惊叹的特征之一就是这种多种多样的解释方案。”更重要的是，这种多重性只适用于真正的自然法则-如果这些法则陈述错误，它就不起作用。费曼说：“如果你对法律进行了大量修改，你会发现你只能用更少的方式来编写它们。”“我总是觉得这很神秘，我不知道为什么正确的物理定律可以用如此多种多样的方式来表达。他们似乎能同时通过几个检票口。“。

尽管物理学家们致力于理解宇宙的物质内容粒子的性质、大爆炸的本质、暗物质和暗能量的起源但他们的工作却受到罗生门效应的影响，这种效应提出了关于物理意义和现实本质的形而上学问题。Nima Arkani-Hamed是高等研究院的物理学家，也是当今领先的理论家之一。去年秋天，他告诉我：“这些定律神奇的变形特性是我所知道的最令人惊叹的事情。”这“肯定是揭示终极真理本质的一条巨大线索。”

传统上，物理学家一直是还原论者。他们一直在寻找一种“万物理论”，用其最基本的组成部分来描述现实。在这种思维方式下，已知的物理定律是暂时的，近似于一种未知的、更详细的描述。表实际上是原子的集合；仔细观察原子，会发现它们是由质子和中子组成的团簇；从更微观的角度看，它们中的每一个都是夸克的三重奏；而夸克则被认为是由更基本的东西组成的。还原论者认为他们在玩一场电话游戏：随着现实的信息向上传播，从微观到宏观，它就会被篡改，他们必须向下努力才能找回真相。物理学家现在知道，重力通过在大尺度和小尺度上塑造宇宙，破坏了这个天真的计划。罗生门效应还表明，现实并不是以这样一种还原的、自下而上的方式构建的。

如果说有什么不同的话，那就是费曼的例子低估了罗生门效应的奥秘，而罗生门效应实际上是双重的。奇怪的是，正如费曼所说，有多种有效的方式来描述如此多的物理现象。但更奇怪的事实是，当有相互竞争的描述时，往往会发现一种描述比其他描述更真实，因为它延伸到对现实的更深层次或更一般的描述。例如，在描述物体运动的三种方法中，事实证明更真实的方法是失败者：最小作用原则。在日常生活中，想象物体通过“选择”最简单的路径移动是很奇怪的。(坠落的岩石如何知道在开始移动之前应该走哪条轨道？)。但是，一个世纪前，当物理学家开始对基本粒子的奇怪行为进行实验观察时，只有对运动的最小作用力的解释被证明在概念上是一致的。必须开发一种全新的数学语言-量子力学-来描述粒子发挥所有可能性并最频繁地选择最简单路径的概率能力。在各种经典的运动定律中--都是可行的，都是有用的--只有最小作用力原理也延伸到了量子世界。

一次又一次地发生这样的情况，当一个物理情况有很多可能的描述-都做出了等同的预测，但前提都截然不同-一个会被证明是更可取的，因为它延伸到一个潜在的现实，似乎同时解释了宇宙的更多内容。然而，这一新的描述可能反过来又有多种配方-其中一种可能适用得更广泛。这就像是物理学家在玩一个修改过的电话游戏，在这个游戏中，每一次耳语，信息都会被翻译成不同的语言。这些语言描述了同一现实的不同尺度或领域，但在词源上并不总是相关的。我

一些研究人员正试图让物理学摆脱对时空的依赖，以便为这一更深层次的理论铺平道路。目前，为了预测粒子在时空中碰撞时如何变形和散射，物理学家们使用了理查德·费曼(Richard Feynman)发明的一种复杂的图表方案。所谓的费曼图显示了不同粒子碰撞结果的概率或“散射振幅”。2013年，尼玛·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)和雅罗斯拉夫·特恩卡(Jarola V Trnka)发现了一种既不涉及空间也不涉及时间的散射振幅的重新公式。他们发现，某些粒子碰撞的振幅编码在一个宝石状几何物体的体积中，他们称之为振幅四面体。从那以后，他们和其他几十名研究人员一直在探索粒子散射振幅的这种新的几何公式，希望它能把我们日常的、时空受限的概念引向某种更宏伟的解释结构。

无论这些研究人员是否在正确的轨道上，对现实的解释网络都是存在的。也许这些解释中最引人注目的一点是，即使每个解释都只描绘了现实的一部分，但它们在数学上是完美的。以广义相对论为例。物理学家知道爱因斯坦的理论是不完整的。然而，这是一个令人叹为观止的诡计，具有一种简约而严谨的数学结构。只要稍微摆弄一下方程式，你就会失去它所有的美感和简洁性。事实证明，如果你想发现一种更深层次的解释宇宙的方式，你不能把现有描述的方程式巧妙地变形。相反，你必须跳到一个完全不同的、同样完美的数学结构。理论家们想知道，如果它注定要被取代，那么在每个层面上找到的完美有什么意义呢？

这张完美数学描述的错综复杂的网络是随机的或偶然的，这似乎是不可想象的。这个谜团肯定有一个解释。但是，这样的解释可能是什么样子的呢？物理学的一个常见概念是，它的定律就像一台机器，人类正在建造它，以便预测未来会发生什么。“万物理论”就像终极预测机--一个方程式，一切都从这个方程式出发。但这种观点忽略了许多不同机器的存在，它们以各种巧妙的方式建造，给了我们同等的预测。

对于阿尔卡尼-哈米德来说，这些定律的多样性暗示了物理学到底是什么的不同概念。我们不是在建造一台计算答案的机器，他说；相反，我们是在发现问题。自然界的变形定律似乎是一个未知数学问题的答案。这就是为什么Arkani-Hamed和他的同事们发现他们对振幅四面体的研究如此有前途。计算振幅多面体的体积是几何学中的一个问题，如果数学家首先发现了这个物体，他们可能会思考这个问题。不知何故，振幅四面体体积问题的答案描述了粒子的行为--反过来，这个答案可以用空间和时间来改写。

阿尔卡尼-哈米德现在认为物理学的最终目标是找出所有答案都来自的数学问题。他告诉我，“如果我们能找到宇宙就是答案的问题，那么我们就能提升到智力天堂的第十个层次，而这个问题本身的性质，解释了为什么可以用这么多不同的方式来描述它。”他告诉我，“如果我们找到了宇宙就是答案的问题，那么这个问题本身就解释了为什么可以用这么多不同的方式来描述它。”这就好像物理学被颠覆了一样。现在看来，答案已经围绕在我们周围了。这是我们不知道的问题。