宇宙的本質或許沒有物理定律，只有弦理論景觀

假設A和B都被要求準備一頓飯。A喜歡中餐，B喜歡義大利菜。他們各自選擇自己喜歡的食譜，在當地的專賣店裡購買材料，並仔細地按照說明進行操作。但是當他們把盤子從烤箱里拿出來的時候，感到驚訝不已，他們做的飯菜是一樣的。我們可以想像，A和B肯定會有疑問了，不同的食材怎麼能做出同樣的菜呢？甚至做中餐或義大利菜到底意味著什麼？難道他們準備食物的方法是完全錯誤的？

這正是量子物理學家所經歷的困惑。他們發現了許多關於同一物理系統的兩種完全不同描述的例子。物理學中，佐料就是粒子和力；食譜是使其相互作用的數學公式；烹飪過程是量子化程序，將方程轉化為物理現象的概率。就像A和B一樣，量子物理學家想知道不同的食譜如何導致相同的結果。

在制定基本定律時，自然有什麼選擇嗎？阿爾伯特?愛因斯坦曾有一個著名的想法：考慮到一些通用原則，本質上存在一種獨特的方式來構建一個一致的、運轉正常的宇宙。在愛因斯坦看來，如果我們對物理的本質足夠深入，就會發現，有且只有一種方式使物質、輻射、力、時間和空間組合在一起形成現實世界，就像時鐘的齒輪、彈簧、錶盤和指針的獨特結合使鍾走得准。

目前粒子物理學的標準模型是一種含有少量成分的嚴格構造的機制。然而，宇宙似乎不是唯一的，而是無限可能世界中的一個。我們不知道為什麼粒子和力的這種特殊結合是自然結構的基礎。為什麼存在六「味」夸克，三「代」中微子和一種希格斯玻色子？此外，標準模型有19個自然常量，比如電子的質量和電荷，這些都必須在實驗中測量。這些自由參數的值似乎沒有任何更深的含義。一方面，粒子物理學是一種優雅的奇蹟；另一方面，它是一個假設性內容。

如果我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個，那我們怎麼面對其他宇宙呢？目前的觀點可以看作是愛因斯坦唯一宇宙夢想的對立面。現代物理學家們接受了各種可能性，並試圖理解其包羅萬象的邏輯和相互聯繫。他們從淘金者變成了地理學家和地質學家，詳細地描繪了物理景觀，並研究了塑造它的力。

導致觀點轉變的遊戲規則改變者是弦理論。在這一刻，它是唯一可行的自然統一理論候選者，能夠描述所有的粒子和力，包括引力，同時遵循量子力學和相對論嚴格的邏輯規則。好消息是，弦理論沒有自由參數。詢問哪個弦理論能描述我們的宇宙是沒有意義的，因為僅只有一個。沒有任何額外的特性會導致一種根本的結果，自然界的所有數字都應該由物理本身來決定，它們不是「自然常數」，只是由方程固定的變數。

但這也有壞處，弦理論的解答廣泛且複雜。這在物理學中並不罕見。我們傳統上用數學方程，以及這些方程的解來區分基本定律。通常，只有很少的定律，但是有無數的解決方案。以牛頓定律為例。它們明確又優美，但卻描述了非常廣泛的現象，從萬有引力到月球的軌道。如果你知道一個特定系統的初始條件，這些定律就可以讓你解出方程並預測接下來會發生什麼。我們不期望也不要求一個能描述一切的唯一優先解決方案。

在弦理論中，物理的某些特徵，比如特定的粒子和力，實際上就是解。它們由隱藏的額外維度的形狀和大小決定的。所有這些解決方案的空間通常被稱為「景觀」。即使是最令人驚嘆的景觀，與這個浩瀚的空間相比都顯得蒼白。儘管這個景觀的地理位置只被理解了一點點，但我們知道它有巨大維度的大陸。其中一個最吸引人的特徵是，可能所有的東西都是相連的，每兩個模型都由一條不間斷的路徑連接起來。通過對宇宙進行足夠的震動，我們將能夠從一個可能的世界轉移到另一個世界，改變我們所認為不可變的自然法則和構成現實的基本粒子的特殊組合。

但是我們如何探索很可能有數百個維度的宇宙物理模型呢？如果把景觀想像成一個很大程度上未開發的荒野會有所幫助，它絕大部分都隱藏在棘手的的複雜性厚層之下。只有在最邊緣的地方，我們才能找到適合居住的地方，一切都簡單而美好。在這裡我們找到了我們完全理解的基本模型。它們對於描述真實世界沒有什麼價值，但可以作為探索局部鄰域的便利起點。

量子電動力學（QED）是一個很好的例子，它描述了物質與光之間的相互作用。這個模型有一個單獨的參數，叫做精細結構常數α，它測量兩個電子之間力的強度。數字上接近1/137。在QED中，所有的過程都可以被看作是由基本的交互作用產生的。例如，兩個電子之間的斥力可以被想像成光子的交換。QED需要我們考慮兩個電子可能交換光子的所有可能方式，這實際上意味著物理學家必須解決無比複雜的問題。但這個理論也提供了一條出路：每一個額外的光子交換增加一個項，包括α提升到一個額外的量。由於這是一個相對較小的數字，帶有許多交換的項只會造成一點點不同。它們可以被忽略，近似於實際值。

我們在景觀邊緣發現了這些弱耦合理論。理論中力的強度很小，使得討論基本粒子和計算它們相互作用是有意義的。但是，如果我們離開眼前的環境，進入荒野更深處探索，那麼耦合就會變得很大，每一個額外的項變得更加重要。現在我們不能再區分單個粒子了。相反，它們會溶入一個糾纏在一起的能量網，就像熱烤箱里蛋糕的成分一樣。

然而，並不是一切都消失了。有時，穿過黑暗荒野的道路會到達另一個邊緣。也就是說，有另一種控制良好的模型由完全不同的粒子和力組成。在這種情況下，對於相同的基礎物理，有兩種不同的食譜，就像A和B的菜一樣。這些互補的描述被稱為對偶模型，它們之間的關係是對偶性。我們可以把這些二象性看作是海森堡發現的著名波粒二象性的一個大概括。

標準模型

為什麼這對物理學來說如此令人興奮？首先，許多模型是一個巨大相互連接的空間的一部分，這個結論是現代量子物理學最驚人的結果之一。這是一個可用「範式轉換」術語來表達的一種觀點改變。它告訴我們，我們沒有探索個別島嶼，而是發現了一個巨大的大陸。從某種意義上說，通過對一個模型進行足夠深入的研究，我們可以了解所有模型。我們可以探索這些模型是如何關聯的，闡明它們的共同結構。重要的是這一現象在很大程度上獨立於弦理論是否描述真實世界的問題。它是量子物理留下來的固有特性，不管未來的萬物理論是什麼，它都存在。

一個更引人注目的結論是，所有關於基礎物理的傳統描述都必須被拋棄。粒子、場、力、對稱性都是這個無比複雜的景觀邊緣的一個簡單存在的產物。從基礎構建模塊來思考物理學似乎是錯誤的，或者至少是有限的。也許有一個根本的新框架將自然的基本規律統一起來，並忽視掉所有熟悉的概念。弦理論的數學複雜性和一致性是這種引人注目的觀點的強大動機。但引用量子物理學大師尼爾斯?玻爾的話來說，目前極少有關於取代粒子和場的想法是真實的。不過物理學已經準備好拋棄舊食譜，擁抱現代的融合烹飪。

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