量子力學會吞噬相對性嗎
這是最大的問題，也是最小的問題。
目前，物理學家有兩本獨立的規則手冊，解釋大自然如何運作。廣義相對論巧妙地說明了重力及其主導的所有事物：軌道行星，相撞的星系，整個宇宙不斷膨脹的動態。這個大。還有量子力學，它應對另外三種力—電磁和兩種核力。量子理論非常擅長描述當鈾原子衰變或當單個光粒子撞擊太陽能電池時會發生什麼。這個小。
現在的問題是：相對論和量子力學是根本不同的理論，它們有不同的規則。這不僅僅是科學術語的問題，而是真正不相容的現實描述之間的衝突。
物理學兩個部分之間的這種衝突一直在醞釀，已有100多年。這是由愛因斯坦1905年的兩篇論文引發的，一篇概括相對論，另一篇介紹量子。但是，最近它已經進入一個有趣的、不可預測的新階段。兩位著名的物理學家在他們的陣營中圈定了極端位置，做了一些實驗，最終可以確定哪種方法至關重要。
像素是屏幕圖像的最小單位，所以可能有一個不可再分的最小距離單位：空間量子。
你基本上可以將相對論和量子系統之間的區分用「平滑」與「團塊」來形容。在廣義相對論中，事件是連續的、確定的，這意味著每個因都符合具體的、局部的果。在量子力學中，由亞原子粒子的相互作用產生的事件呈跳躍型（是的，是量子跳躍），其結果具有或然性而不是確定性。量子規則允許經典物理學禁止的連接。這在最近進行的一個討論得很多的實驗中得到證實。在這次實驗中，荷蘭研究人員一反常規，無視局部效應。實驗顯示：兩個粒子（這裡是兩個電子），即使它們相距1.6千米，也可以瞬間相互影響。如果用團塊的量子風格來解釋平滑的相對論規律，或者用平滑的量子風格來解釋團塊的相對論規律，事情會非常糟糕。
當您嘗試將其縮小到量子大小時，相對性給出無意義的答案，最終在其重力描述中下降到無限值。同樣，量子力學在將其擴充到宇宙尺度時會遇到嚴重的麻煩。量子場攜帶一定的能量，即使在看似空的空間中，場越大能量也越大。愛因斯坦認為，能量和質量是等價的（即e=mc2），所以堆積能量就像堆積質量一樣。大到一定程度，量子領域中的能量變得非常大，因而產生一個黑洞，導致宇宙自身摺疊。哎喲！
芝加哥大學的理論天體物理學家、費米國立加速器實驗室粒子天體物理中心主任克雷格·霍根正在用一種新理論重新解釋量子，其中空間本身的量子單位可能大到足以直接研究。同時，加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究院的創始人之一李·斯莫林正在試著通過回到愛因斯坦的哲學根基向前推進物理學，並將其調整到一個激動人心的方向。
要想了解什麼處於險境，就得回頭看先例。愛因斯坦公布廣義相對論時，它不僅取代了牛頓的重力理論，而且還釋放出一種新的物理觀念，引發了大爆炸和黑洞的現代概念，更不用說還有原子彈和手機GPS必需的時間調整。同樣，量子力學也不僅僅是重新編寫了詹姆斯·克萊斯·麥克斯韋的電、磁和光的教科書方程，它為大型強子對撞機、太陽能電池和所有現代微電子學提供了概念性工具。
從此，騷動中出現的可以算得上是現代物理學的第三次革命，具有驚人的影響意義。當每一個事件都與其原因有確定性聯繫時，我們就可能知道自然法則來自哪裡、宇宙是建立在不確定性上還是從根本上來說是決定性的。
團塊宇宙
霍根，量子觀的冠軍，就是你所說的燈柱物理學家：他不在黑暗中摸索，而更喜歡把重點放在光線明亮的地方，因為在那裡你最有可能看到有趣的東西，這是他目前研究工作的指導原則。他指出，當你嘗試分析極短距離內的重力作用時，相對論和量子力學之間的衝突就會發生，所以他已經決定要好好看看正在發生的事情。他說：「我認為有一個我們可以做的實驗，可能會看到發生了什麼，看到我們仍然不明白的界面。」
愛因斯坦物理學中的一個基本假設一直可以上溯到亞里士多德，即：空間是連續的、無限可分的，所以任何距離都可以被切分成更小的距離。但霍根質疑是否真的如此。就像一個像素是屏幕上圖像的最小單位，光子是最小的光單位，所以可能有一個不可切分的最小的距離單位：空間量子。
在霍根的這種觀點中，詢問重力在小於單個空間的距離處的行為是無意義的。沒有辦法讓重力在最小尺度上起作用，因為不存在這樣的尺度。或者換句話說，廣義相對論將被迫跟量子物理學講和，因為物理學家測量相對性的影響的空間本身將被分解成不可分的量子單位。重力作用的現實劇場將發生在量子舞台上。
霍根承認，他的概念聽起來有點奇怪，即使對研究量子的很多同事來說也是奇怪的。自20世紀60年代後期以來，一群物理學家和數學家一直在研究一種被稱為弦理論的框架，以幫助調和廣義相對論與量子力學。多年來，儘管它沒有履行大部分的早期承諾，但是已經演變成默認的主流理論。像團塊空間解決方案一樣，弦理論假定了空間的基本結構，但是從這個點開始，兩家分道揚鑣：弦理論認為宇宙中的每一個物體都是振動的能量弦。像團塊空間一樣，弦理論通過向宇宙引入有限的最小尺度來避免重力災難，儘管單位弦甚至比霍根試圖找到的空間結構大得多。
團塊空間並不完全符合弦理論中的想法，也不符合任何其他的物理模型。霍根說：「這是一個新的想法。這不在教科書里，不是對任何標準理論的預測——但不是還沒有任何標準的理論嗎？」聽起來好像滿不在乎的樣子。
如果團塊空間觀正確的話，那麼這將廢掉弦理論現有的大量公式，並激發出一種新的方法，用量子的方式訂正廣義相對論。這將暗示新的方法可用來了解空間和時間的固有本質。最奇怪的是，也許這將增強一個傲慢的觀念，即我們看似三維的現實是由更基本的二維單位組成。霍根對「像素」比喻很認真：正如電視圖片可以從一堆平面像素中創造出立體感，空間本身也可能從一整套二維的元素中出現。
霍根的思想像今天理論物理學最邊緣的許多想法一樣，聽起來像是新生宿舍里熬夜時的那些猜想一樣。唯一的不同是，他計劃對自己的想法進行實驗測試，就像他現在做的那樣。
2007年，霍根開始考慮如何建立一個可以測量極其細微的粒狀空間的設備。事實證明，他的同事對如何做到這一點有很多想法，比如利用搜索引力波開發的技術。霍根用了兩年時間提出一項建議，並與芝加哥大學費米實驗室以及其他機構合作建立了一個團塊檢測機，並給它取了一個優雅的名稱：全息儀。（這個名字是一個難懂的雙關語，參考了1 7世紀的測量儀器和二維空間可能出現三維的理論，類似於全息圖。）
在其概念複雜性的層面之下，全息儀在技術上跟激光束差不多，一面半反射鏡將激光分成兩個垂直光束，另外兩個反射鏡將這些光束沿著一對40米長的隧道彈回。校準光束以確定鏡子的精確位置。如果空間很大，鏡子的位置將不斷地漫遊（嚴格來說，空間本身也在漫遊），造成它們分離中不斷變化的隨機變化。當兩個光束重新組合時，它們將略不同步，其差將顯示空間團塊的大小。
對於霍根希望找到的空間團塊尺寸，他需要將測量距離的精度保持在10-18米，是氫原子直徑的一億分之一，並以每秒大約1億個讀數的速度收集數據。令人驚訝的是，這樣的實驗不僅可能而且實用。霍根說：「由於光電子學的發展，我們的研究成本大大降低，因為有大量的現成零件，快速的電子產品和類似的東西。這是一個猜測成分很大的實驗，所以如果不便宜就不會做的。」全息儀目前正在全力運行，以目標準確度收集數據，預計2017年年底前會進行初步的解讀。
質疑霍根的人也有的是，其中包括理論物理界的內部人士。分歧的原因很容易理解：全息儀的成功將意味著弦理論大量工作的失敗。儘管有這種表面上的爭吵，霍根及其大多數搞理論的同事都深切地認為：他們基本上同意廣義相對論最終將從屬於量子力學。另外三個物理定律都遵循量子規則，所以重力也得這樣也是有道理的。
對今天的大多數理論家來說，相信量子力學的主導地位仍然有更深一層的意思。在哲學認識論層面上，他們認為古典物理學的大尺度現實是一種幻覺，這種幻覺源於量子世界在更小尺度上的更「真實」方面。團塊空間肯定符合這個世界觀。
霍根把他的項目比作19世紀的邁克爾森-莫利實驗，該實驗搜索了以太這個假設的空間物質。根據當時的主導理論，這種假想的物質通過真空傳播光波。該實驗沒有任何發現。這個令人困惑的無效結果促生了愛因斯坦的狹義相對論，從而產生了廣義相對論，最終顛覆了整個物理學界。除了歷史連接之外，邁克爾森-莫利實驗還使用鏡子和分束光來測量空間的結構，其設置與霍根的非常相似。
霍根說：「我們正在以這種精神做全息儀。我們沒有看到任何東西，或者看到某些東西，不管怎麼樣都很有趣。做這種實驗的理由只是為了看我們能否找到一些指導理論的東西。你可以通過你那些搞理論的同事對這個想法做出的反應來了解它們的構成。有一個非常依賴數學來思考的世界。我希望有一個實驗結果，迫使人們把理論思維集中在一個不同的方向。」
無論是否能找到空間的量子結構，霍根都相信，全息儀可以幫助物理學解決其「大—小」問題。這將揭示了解空間的基本量子結構，及其如何影響穿流它的重力的相對規律的正確方式（或排除錯誤的方式）。
實實在在的大表演
如果你正在尋找完全不同的方向，那麼就去找圓周理論研究院的斯莫林。霍根是稍稍作對，斯莫林則是乾脆反對：「理查德·費曼在我當研究生時就告訴過我一件事情。他大概是這樣說的，『如果你所有的同事都試圖說明一些事情是真實的，但沒能說服大家，那可能是因為這件事是不正確的。得了，弦理論已經理論了四五十年，但是沒有明確的進展。」
這只是更廣泛批評的開始。斯莫林認為，小尺度的物理方法本質上是不完整的。量子理論的當前版本做了一個很好的工作，它解釋了個體粒子或小系統的粒子行為，但是沒有考慮到需要一個整體上的合理理論。它不解釋為什麼現實是這樣的，而不是別的什麼樣。在斯莫林的術語中，量子力學僅僅是「宇宙子系統的一個理論」。
他認為，更有成效的方法是將宇宙視為一個巨大的體系，並建立一種適用於整個體系的新型理論。而且，我們已經有一個理論為這個方法提供了一個框架：廣義相對論。與量子框架不同，廣義相對論不允許外部觀察者或外部時鐘的位置，因為沒有「外部」，而是根據對象之間的關係和不同空間區域之間的關係來描述所有的現實，甚至像慣性這樣基礎的東西可以被認為與宇宙中其他每個粒子的引力場關聯。
最後一句話聽上去很怪，但值得暫停一下，仔細地想一想，它與1907年引導愛因斯坦產生這個想法的那個問題密切相關。如果宇宙完全是空的，只有兩個宇航員，那會怎麼樣？其中一個在旋轉，另一個靜止不動。旋轉的人感到頭暈，好像在太空中推手推車一樣。但是哪一個在旋轉？不管從哪個宇航員的角度來說，另一個都是旋轉的。愛因斯坦認為，如果沒有任何外部參考，那就沒有辦法說出哪一個是正確的，無論誰也沒有理由感覺到另外一位感覺的不同效果。
只有當您重新引入宇宙的其餘部分時，兩位宇航員之間的區別才有意義。在廣義相對論的經典解釋中，慣性之所以存在，就是因為你可以參照整個宇宙引力場對其進行測量。對於現實世界中的每一個東西，這種思想問題都是正確的：每個部分的行為都與其他部分的行為不可分割。如果你曾經覺得自己想要成為一個偉大事物的一部分，那麼你的這個物理學就學對了。斯莫林認為，要想知道所有規模的自然如何真正發揮作用，這也是一個有希望的方法。
他說：「廣義相對論不是對子系統的描述，而是把整個宇宙作為一個封閉的系統進行描述。」因此，當物理學家試圖解決相對論和量子力學之間的衝突時，這似乎是一個聰明的策略：跟著愛因斯坦的思路走，能走多遠走多遠。
斯莫林敏銳地意識到，他正在推動著普遍的小尺度量子式思維。他快活地說：「我不是想找事，只是這事情只能這樣做。我的工作就是清楚地考慮這些困難的問題，拿出我的結論，然後讓塵埃落定。我希望人們能夠參與論證，但我真的希望這些觀點得出的預測能夠得到驗證。」
乍一聽，斯莫林的想法像是具體實驗的一個很好的起點。他認為，宇宙所有部分都是跨越空間相互聯繫的，它們也可能與時間相聯繫。根據他的觀點，他假設物理定律在宇宙史上發生了變化。近些年來，他對如何會發生這樣的事已經提出了兩種詳細的看法。他在20世紀90年代提出了宇宙自然選擇理論，將黑洞看作孵化新宇宙的宇宙蛋。最近，他對量子力學定律提出了挑戰，人們稱其為優先原則，而這似乎更容易經受檢驗。
斯莫林的優先原則是為了回應物理現象為什麼可重現的問題而提出的。如果你執行以前那種實驗，則結果與以前相同。（劃一根火柴，它會著火；以同樣的方式再劃一根……你就有了觀念。）重現性是我們生活中司空見慣的一部分，我們平時甚至沒有想過。我們只是將一致的結果歸功於自然「定律」，認為這種行為在任何時候都是一樣的。斯莫林假設，這些定律實際上可能隨著時間的推移而出現，因為量子系統複製了過去類似系統的行為。
要想捕捉到出現的過程，一個可能的方法是進行以前從未做過的實驗，所以沒有以前的版本（也就是沒有先例） 可供複製。這樣的實驗可能涉及創建一個高度複雜的量子系統，其中包含存在於一個新穎的糾纏狀態的許多組件。如果優先原則正確，那麼系統的初始回應基本上是隨機的。然而，隨著實驗的重複，優先順序得到建立，就可預測到回應……從理論上講是這樣的。
雖然優先順序可以在原子尺度上出現，但其影響將是全系統的，宇宙範圍的。這就把斯莫林的觀點又聯繫到了一起，即小尺度簡化思維似乎是解決大謎題的錯誤方式。讓兩類物理學理論一起工作雖然重要，但這還不夠。他想知道的是我們大家都想知道的，這就是宇宙為什麼是這樣的？為什麼時間是前進而不是後退？我們怎麼會在這裡結束，了解了這些定律和這個宇宙，而不是其他的定律和其他的宇宙？
目前科學界對這些問題缺乏任何有意義的回答，這表明「我們對量子理論的理解有重大的錯誤」，斯莫林這樣說。他像霍根一樣，不太關心任何一個實驗的結果，他關心的是在更大尺度上尋求基本真理。對斯莫林來說，這意味著能夠講述一個關於宇宙的完整而連貫的故事，意味著能夠預測實驗，而且還能夠解釋使原子、行星、彩虹和人類獨特的屬性。他從愛因斯坦身上再次得到靈感。
斯莫林說：「廣義相對論一次又一次的教訓是關係主義的勝利。獲得最大答案的最有可能的方法是與整個宇宙互動。」
最終獲勝者是……
如果你想在是大是小的辯論中挑選一名裁判，那麼你就跟肖恩·卡羅爾不相上下。他是加州理工學院宇宙學、場理論和引力物理學專家。他熟悉相對論，熟悉量子力學，對荒謬的事有健康的看法：他稱他的個人博客為「荒謬的宇宙」。
卡羅爾把大部分的獎勵給了量子。他說：「我們這個遊戲中的大多數人都認為量子力學比廣義相對論更為基礎。」自20世紀20年代以來，這是壓倒多數的看法。當時愛因斯坦一直在努力尋找量子理論在反直覺預測中的缺陷，但一直未能成功。最近的荷蘭實驗證明了兩個廣泛分離的粒子之間的瞬時量子聯繫，強調了證據的力量。而愛因斯坦當時把它嘲笑為「不著邊際的鬼把戲」。
大尺度的重要性無可否認，因為它是我們居住和觀察的世界
卡羅爾解釋說，從更廣的角度來看，實際問題不是廣義相對論與量子理論，而是經典動力學與量子力學。相對論儘管感到陌生，但它在如何看待因果關係方面卻是經典的，而量子力學絕對不是。愛因斯坦樂觀地認為，如果有更深入的發現，那將揭示隱藏在量子力學下面的經典的確定性現實，但是目前尚未找到這樣的秩序。（那個不著邊際的鬼把戲已經證明的現實性認為，這種秩序並不存在。）
卡羅爾說：「如果說有什麼差別的話，那就是人們對於量子力學在多大程度上拋開了我們對空間和區域觀念（物理事件只能影響其周圍環境）的認識不足。那些東西根本就不存在於量子力學中。」它們可能是從非常不同的小尺度現象中出現的大尺度印象，如霍根從二維空間量子單位中出現的三維現實的觀點。
儘管如此，卡羅爾仍然認為霍根的全息儀是一個長鏡頭。另一方面，他並不認為斯莫林從空間開始的努力是一個根本的東西，他認為這個概念跟試圖說明空氣比原子更為根本一樣荒謬。至於什麼樣的量子系統可能將物理學提升到一個新的水平，卡羅爾對弦理論抱有極大的樂觀態度，他認為「似乎是量子理論的非常自然的延伸」。在所有這些方面，他都忠於主流的、基於量子的現代物理思維。
當然，卡羅爾的態度雖然幾乎完全傾向於量子，但並不純粹是對小尺度思維的認可，量子理論可以解釋的東西還有巨大的差距。他說：「我們無法弄清楚真正的量子力學是怎樣的，這真讓人尷尬。而當我們考慮宇宙學或整個宇宙時，我們目前對量子力學的思考方式是完全失敗的。我們甚至不知道時間是什麼。」霍根和斯莫林都贊同這種觀點，儘管他們對於如何回應觀點不同。卡羅爾贊成自下而上的解釋，認為時間從小尺度的量子互動出現，但他對斯莫林的時間更加普遍和更為根本的觀點「完全不可知」。至於時間，目前還沒有定論。
無論理論如何，大尺度的重要性無可否認，因為它是我們居住和觀察的世界。從本質上講，整個宇宙是一個答案，物理學家遭遇的挑戰就是找到能夠讓自己的方程成立的方法。即使霍根是正確的，他的空間團塊也必須大體上與我們每天經歷的平滑現實相符。即使斯莫林是錯誤的，還有一個完整的宇宙，那裡有獨特的屬性需要解釋，而這個事情至少現在是量子物理本身無法做到的。
霍根和斯莫林正在通過推動理解的範圍來幫助物理學領域取得這種聯繫。他們不僅僅推動量子力學與廣義相對論之間的和解，而且也促進思想與感知之間的和諧。下一個偉大的物理學理論無疑將引向美好的新數學和難以想像的新技術。但最好的結果是創造更深層次的意義來回應我們這些觀察者，將我們自己定義為宇宙的基本規模。
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