用藝術標准評價超出標准模型新物理，量子引力答案是什麽？丨解讀21世紀終極理論之夢

圖⽚來源：Netflix美劇三體

第一季第五集，三體人介紹質子計算機的高維展開，在電視劇裏頭被描繪成卡拉比-丘流形的低維投影

#01降維打擊，升維革命

科學從誕生的時候開始，就與哲學，宗教，藝術密不可分。

早在15世紀，神聖羅馬帝國的文藝複興先驅，天主教紅衣主教Nicola Cusano提出運動的相對性——被現代科學史學家認爲是相對論的開端開始，中世紀的科學家們⼤部分同時都是神學家，哲學家。

藝術史上獨一無二的偉大藝術家，15世紀的裏昂那多.達芬奇除了在藝術技巧和理論上開拓性的創新外，更以發明家著稱于史，在幾何、機械、地質、氣象、宇宙和數學上頗多研究。而歐洲中世紀的師徒傳承關系，時至今日演變成了科學領域doctor of philosophy(Ph.D)的哲學博士傳承關系，在mathematics genealogy數學譜系上，追溯一些當代物理學家的博士導師，可以一直上溯到文藝複興時代的達芬奇。

在這一刻，先哲時代的飛翔跨越，高文藝複興時期創新革命的氤氲蒸汽，依舊是今⽇理論物理學界的品味和標准。而今日西方科學與技術的分界，遠比中國要泾渭分明，也來自于此。

對于西方世界而言，科學是文藝哲學宗教等高度抽象領域的延伸，而技術來自早年實用的工藝，匠人精神。

一個理論物理學家早期的生涯可以十分奇特，在博士學位之後，他們會從一個地方搬到另一個地方，停留幾年，經過長時間的訓練後，他們才會定居在某並建立自己的團隊。這期間他們會致力于三個範疇：

-學習新的技能

-尋找新的靈感來源

-構建獨立性而藝術家

（畫家，作家）也會走同樣的道路，這也是成爲大師的必經之路。

---部分摘自Fabio Maltoni 天主教魯汶大學理論物理教授演講

#02標准模型之外的新世界

研究標准模型之外的新物理領域，是理論物理學界最具有想象力的行業之一，位于超弦正式理論和實驗觀測（例如加速器，低能探測實驗和天文學）之間承上啓下的交叉口。

上個世紀80年代起，超弦界在純理論範疇經過了20多年的動蕩興衰，成敗革命，長足發展，奠定了今日超出標准模型新物理的框架。但在最近的十余年，隨著大加速器和衆多探測試驗的運行，排除掉了諸多超弦的預言，引力波的觀測，也依舊滿足100多年前的廣義相對論。超出經典引力理論和標准模型的新物理，依然渺無音信。

指引我們前進的，除了繼續推進試驗的進展，最重要的，還有曆史的啓迪和反思，以及理論物理學家對于模型和方向如同對于哲學藝術般品味。

如果我們反觀西方哲學史和藝術史，不難發現這些曆史的演變，與超弦這一純理論學科的幾次革命的相似性。深入超弦的兩次革命，有一個命題貫穿始終：

對于非微擾深⼊理解，而進一步産生的重大突破概念：對偶（duality）

讓我們來簡單的回顧一下超弦這段曆史，上世紀80年代前，對于QCD強子態這一非微擾現象的研究導致了弦論的誕生。隨後人們發現了使用1維弦來作爲基本物質單元，相比于場論中0維的點基本作用單元，可以回避掉無窮大發散的問題。這一從點到線的升維過程，正與20世紀哲學界的分析哲學中的升維解構不謀而合。

一次革命始于80年代初，在經過了基本弦理論的搭建，以及弦論散射的微擾計算，特別是費米子這個另一自由度超對稱的加入，這一系列研究之後，對于QCD強相互作用非微擾區的S對偶的理解， 正式開啓了超弦的在微擾-非微擾，不同維度上的對偶革命。在不同的極限下，不同框架的理論紛紛湧現，這些理論之間互成對偶，相互關聯，這一過程不是多級展開的逐級多圈修補，而是具有框架性的創新解讀。

升維解構這一過程，貫穿超弦發展曆史的始終

時間來到90年代中期，從Polchinski的D膜革命開始，超弦理論迎來了又一次的升維。基本自由度不再是1維弦，而是有2維甚至多維的膜，一起構建了理論中微擾和非微擾區域的不同繁茂現象。而接下來的Matrix model，更是利用D0brane，這一點結構的基本單元，可以構建強關聯下的當時認爲的萬物理論11維度下的M-theory。這一低維構建高維的過程，更是完美诠釋了哲學中的解構。最終集前幾次突破以及黑洞表面積墒研究之大成，全息holography原理誕生，啓發了諸多交叉學科的應用發展。

讓我們再來看一看20世紀前後的哲學史和藝術史：

19世紀的黑格爾完成了哲學中認識論的發展，從主體-客體二元對立到通過認識論這一新維度的完成統一。而20世紀的哲學由維特根斯坦完成了從哲學到語言哲學的這一解構，而從語言文字這一新維度，實現了哲學的重新建構。

19世紀到20世紀初，現代主義藝術逐漸抽象化，從馬蒂斯的張揚色塊，到畢加索的解構人物，再到抽象派的徹底抛棄具象，藝術史上同樣面臨著巨大動蕩革命。而《泉》的作者杜尚的出現，打通了藝術和非藝術的界限，將藝術的理念上升了一個維度。

超弦理論這一純理論的曆史發展，在高度抽象的層面，與哲學與藝術的思潮不謀而合。

那麽這些對于新物理模型的構建和選擇，又有怎樣的啓發呢？新物理模型的“品味（taste）”又是什麽？

感謝超弦界的進展，新物理學界的模型大概可以分爲兩類，與大統一理論一脈相承的微擾超對稱， 以及基于強相互作⽤的複合Higgs 理論（composite Higgs）（基于解構deconstruction的小Higgs理論（little Higgs）也同此）。

粗看起來，大統一場論超對稱似乎擁有著更加宏大的敘事，但我們對于非微擾強相互作⽤認識的缺乏，讓低能理論中回避掉了所有非微擾問題，同時也拒絕了在高能標下的框架性的創新，這一理論是否過于局限且方便呢？非微擾性質的核心起源于Nambu的對稱性動力學自發性破缺理論，系統可以通過動力學産生另外一個完全不同于微擾展開的非微擾解，使得在同一模型下系統實質具備不同的可能性。比如，強相互作用的複合Higgs理論認爲新物理被禁閉在Higgs這一粒子中，在低能下鮮少現象，而與全息對偶這一框架性創新緊密相連，更包含有更高維度的信息，雖然簡單但似乎有著更具品味的解讀。

時至今日，我們對于非微擾，強相互作用的理解，依然十分有限。圈圖計算以及超對稱唯象學基本都是基于微擾，逐級展開的微擾量子場論。而涉及到非微擾區，處理辦法雖然多種多樣，Dyson- Schwinger方程，泛函重整化群，格點lattice以及全息QCD等有效模型，其中Dyson-Schwinger方程在場論的基礎上延續了Nambu的做法求解運動方程的動力學，是對場論方法的一種繼承和延伸。這些方法各自從場論上遊試圖改革方法論，也各自有其局限性和適用範圍。

對于QCD的一圈兩圈三四圈的微擾論處理方法，自然有其實用性。如果我們回顧一下科學史，17世紀當年綿延地心說和日心說的爭論被人們所熟知。在地心說和觀測不符合的時候，人們通過加入一圈又一圈的本輪的方式進行計算，希望符合天文觀測實驗，直到後期本輪加到幾十個之多。最終經曆了一番⾎腥曆史，終于日心說誕生。

那麽新物理模型的品味究竟是什麽？大的科學乃至哲學藝術的進展，都與某種革新性密切相連，也許我們從以上曆史中也可以窺見一二。

#03沼澤地（swampland）還是景觀地（landscape）？

圖⽚來源: Harvard University, High Energy Theory Group website.

80年代的超弦一次革命，留給我們的至今仍在繼續的課題就是landscape（景觀地）,主要描述高維空間真空能的分布和漲落，被稱爲“景觀”。一次革命的結果認爲，高維空間通過不同的緊致化， compactification，可以得到我們低能粒子物理的標准模型。但同時早在90年代人們就意識到，這樣得到的真空解的數量極爲龐大，具有極多的選擇任意性，高達至少10^500數量。

那你相信我們的世界是這10^500個真空解的一個麽？還是由于對于量子引力的不完備理解？

時至今日，依舊有人在延續30年前未竟的事業，大海撈針般尋找我們的真空，這真是一種往事不肯隨風的情懷加成，期待著更加接近那個結果。

往日的景觀地，變成了沼澤地swampland，對于高維空間真空能及真空勢的平坦還是起伏做出猜測. 對于UV理論的猜測，進而限制低能世界超出標准模型的新物理，依舊在進行。這一研究可以獨⽴于緊致化compactification存在，只是通過幾條簡單的來自黑洞物理或者暴漲相關的假設，也許具有更多的可靠性，但這一切都是猜測conjecture。

從今天到未來的某一天，超弦理論對于新物理的貢獻，也許可以用Randall-Sundrum 模型作爲最好的例子之一，受超弦升維解構的啓發，開啓了我們對新物理世界想象力的大門。

#04爲什麽全息原理是量子引力？

圖⽚來源：Kenn Brown, Mondolithic Studios, scientific american

來自超弦二次革命的豐厚遺産，全息原理似乎是那個更接近量子引力的答案。全息這一概念起源于光學，在低維度的平面投影屏上包含3維世界所有的信息。而將高維度的量子引力理解成更低維度表面上的強耦合場論，這一對偶形象的借用了全息這一概念，再一次的契合了超弦界在高度抽象層面的革命性。

#05正定性（positivity）與幺正性(Unitarity)

正定性來自于一個經典的散射命題，與因果律緊密相連，幺正性來自于量子力學幾率守恒。

秩序世界的基石就算到了創世紀的能標下，也許也不會崩壞，但自然界可以遠超我們的想象，就像在廣義相對論中，黑洞周圍速度的可以遠超平直時空光速一樣。

值得注意的是，不管是處理正定性，還是幺正性，高能世界很可能是非微擾的，非局域的，基本的自由度都會發生改變。僅僅從微擾出發，很難說真正靠近那個答案。

#06黑洞和引力波告訴了我們什麽？

21世紀觀測的進展讓人歡欣鼓舞，備受啓發，我們看到了黑洞，也看到了引力波.

觀測技術和計算科學的發展，是20世紀的人們遠沒有想到的，科學發展總是充滿了不可預測性，這也許就是科學這一學科，神性divine的一面。

21世紀充滿了海量的數據和信息，給予自下而上的啓迪，理論哲學層面的革命，革新下遊學科的認知。下一次的升維解構革命，又會在哪裏？

作者介紹

孫斯純，北京理工大學教授。主要研究方向是粒子物理唯象學，弦理論的唯象學，宇宙學，以及一些量子場論和有效場論的運用。