物理學家提出能夠結合廣義相對論與量子力學的方法

Stephen Wolfram是程式設計和數學領域的名人, 他是Wolfram Alpha的創始人,該網站試圖使用演算法篩選龐大的數據資料庫來回答問題, 他也是Mathematica的創始人,這數學軟體被全世界的科學家所使用。上週,Wolfram發起了一項新計畫叫做Wolfram Physics Project,這是一個雄心勃勃的嘗試,目的是要開發我們宇宙的新物理學。他表示,新的物理學會是由電腦計算的,主要的思想是,一切都可以歸結為簡單規則到基本積木的應用程式。

為什麼我們需要這樣的理論? 畢竟,我們已經有了兩個非常成功的物理理論。那就是廣義相對論(重力理論和宇宙的大規模結構)以及量子力學(物質、亞原子粒子及它相互作用基本成分的理論)。 

雖然我們有一個關於重力如何在於大型物體上運作(例如恆星、行星甚至人類)的極好理論,但我們不了解重力在極高能量或極小物體上如何運作。當我們嘗試將廣義相對論運用到量子力學的領域時,它就會「崩潰」。 這導致科學家尋求物理學的聖杯,那就是「量子重力理論」,可以將廣義相對論的知識與量子力學的知識相結合,從而產生一個全新的物理理論。

目前我們面對量子重力最佳的方法是弦理論。 該理論已經進行了大約50年的研究,雖然取得了一些成功,但科學家對此方法的不滿正在日益增加。

Wolfram正在嘗試提供一個弦理論的替代方法。 他透過一個稱為「圖論」的數學分支,來研究由線或邊連接的點或節點組。想像一個社交網絡平台, 從一個人開始,我就叫他小明好了, 接下來,添加一個簡單的規則,每個人都添加三個朋友。 將規則應用於小明,現在他有三個朋友。 將規則再次應用於每個人(包括開始的那個人,也就是小明)。 繼續應用規則,很快,朋友網絡就形成了一個複雜的圖形。

Wolfram的提議是,宇宙幾乎可以以相同的方式建模,物理學的目的是要找到那個宇宙圖所遵循的規則。這提案的關鍵是,一個適合複雜的圖看起來會像一個幾何圖形。 例如,想像一個立方體和一個類似於它的圖形。Wolfram認為,極其複雜的圖會類似於表面和體積,添加足夠的節點與線連接起來,就可以形成一種網格。 他堅稱,太空本身可以被認為是一種網格,而會以這種方式將一系列節點編織在一起。

複雜的節點網格如何幫助協調廣義相對論和量子力學的計畫? 量子理論處理具有獨立屬性的獨立物體。 另一方面,廣義相對論將宇宙視為連續體,並將重力視為連續力。

如果我們能夠建立一個從獨立結構(如圖形)開始的廣義相對論的理論,那麼結合廣義相對論和量子力學就顯得更有希望了。如果我們可以使用獨立結構建造類似於廣義相對論給我們的幾何形狀,那麼前景將會更好。

雖然Wolfram的計畫很有前途,但這確實有點自負。 Wolfram正在與世界上的愛因斯坦和霍金抗衡,而他卻不用花一輩子的時間在物理學期刊上發表文章就能這樣做。(他在40年前,青少年時發表過幾篇物理學論文,還有一本名為《A New Kind of Science》的書,這算是Wolfram Physics Project的前身。)

而且,他的方法並不完全是原創的。 它與兩種現有的量子重力方法類似,因果集合論(causal set theory)和迴圈量子重力學(loop quantum gravity),這兩個方法在Wolfram的宏偉計畫中都沒有被提及。

無論如何,該計畫之所以引人注目有三個原因。第一,Wolfram擁有廣泛的觀眾,他能使他提倡的方法變得出名。 迴圈量子重力學的擁護者對於弦理論在物理學界占優勢感到不滿。 Wolfram能幫助物理學的典範轉移。第二,從圖論的基本原理到廣義相對論,Wolfram對該計畫進行了非常仔細的概述。 這將使人們更容易掌握通用方法,並有可能做出自己的貢獻。第三,該計畫是開放原始碼的,邀請公民科學家一起貢獻。

這讓我們在這段與人隔離的期間裡,在家裡可以添加一寫樂趣。

參考資料: Stephen WolframWolfram Physics 

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