现代科学的伟大成就之一就是量子力学理论，它是历史上最成功的理论之一。迄今为止所有的实验都与它的预测相符，尽管进行了无数次尝试，物理学家们也未能创造出它不起作用的条件。
但量子理论的成功迫使物理学家们接受一些令人不安的事实。例如，它允许纠缠粒子之间存在“超距作用”。当两个粒子联系得如此之深，以至于对其中一个粒子的测量会瞬间确定另一个粒子的状态，无论它们之间的距离有多远。
自那时以来，物理学家们已经详细研究了超距作用；在量子光学实验室中很容易观察到它。它甚至已经被应用于量子密码学等技术中。
另一个令人不安的结论是，量子宇宙受概率行为的支配。在任何瞬间，很多事情都可能发生，但实际发生的事情是由概率决定的，本质上就像在掷骰子。
这种观点迫使物理学家得出结论，我们对宇宙的确定性体验是一种幻觉。事实上，物理学家们几乎一致认为，现实的基础是根本上且怪异地概率性的。
除了诺贝尔奖得主 Gerard ‘t Hooft 领导的一小群理论物理学家。对他们来说，决定论——即一因一果——是神圣不可侵犯的。他们认为，量子力学的概率性质都可以由一套隐藏在量子力学表层之下的定律来解释。
没有人观察到过这些定律的作用，但这并没有阻止 ‘t Hooft 尝试构建出它们可能的样子。其结果至关重要。他说，掌握这些定律应该能够导出一个万有理论，解决量子物理学目前无法解释的许多不足之处。现在，他将这种方法，称为超决定论，在一篇献给陈宁格·杨（另一位诺贝尔奖得主）的论文中进行了阐述，以庆祝他今年晚些时候的百岁生日。
标准模型
首先，一些背景知识。目前试图解释宇宙性质的量子力学理论被称为粒子物理学标准模型。它取得了巨大的成功。
它用四种基本力来描述宇宙，并表明其中三种力是同一种事物的不同表现。它预测了十七种粒子的存在——这些粒子已经被实验者用为特定目的建造的巨型粒子加速器发现了。这是科学最辉煌的时刻之一，带来了众多诺贝尔奖，其中就包括‘t Hooft 和杨的获奖。
然而，在这巨大的成功中，物理学家们却巧妙地忽略了标准模型的一些不足之处。例如，该模型预测了十七种粒子，并且依赖于至少二十个不同的参数，这些参数看起来是任意的数字。“任何试图清理这个理论的尝试，通常都会产生更多的参数，而不是更少，”‘t Hooft 抱怨道。
也没有任何方法可以预测粒子之间各种相互作用的强度。相反，唯一找出这些强度的办法是通过仔细、详细的测量。这对理论家来说似乎是不令人满意的。
‘t Hooft 说，问题的核心在于量子力学的性质，它抛弃了决定论，使得粒子能够纠缠，能够同时存在于多个地方，能够同时表现得像波和粒子等等。
相比之下，相对论在根本上是决定论的。这是现代物理学的另一根支柱，其决定论的特征似乎与量子理论根本不符。尽管如此，任何万有理论都必须同时包含这两者。
‘t Hooft 登场了。他的解决方案是提出，在表面之下，自然界在根本上是决定论的。这种“超决定论”具有深远的意义。“假设一个潜在的模型是完全决定论的，就可以消除大多数被认为是量子力学特有的‘量子悖论’，”他说。
例如，一个纠缠粒子瞬间影响另一个粒子的能力一定是一种幻觉。超决定论认为，结果是由另一组更深层的决定论定律预先决定的。但因为我们不知道这些定律，所以影响看起来是瞬间的。
当然，这是一个有争议的观点。物理学家们长期以来一直在考虑量子力学不完整的可能性，认为它缺少一组决定实验结果的隐藏变量。
在 20 世纪后期，物理学家 John Bell 描述了一个思想实验来证明这个问题。他设想了一位 Bertlsman 教授，他总是穿着两种不同颜色的袜子，比如红色和蓝色。Bertlsman 教授总是随机地穿袜子。所以在任何一天，你都无法知道他穿的是蓝色袜子在左脚，红色袜子在右脚，还是反之。
Bertlsman 的袜子
然而，他的学生们想出了一个聪明的办法，可以在不看到袜子的情况下预测袜子的颜色。当 Bertlsman 教授走进教室时，他们会观察先出现的脚，看看袜子的颜色。
现在想象一下那个时刻。在看到袜子之前，无法说出每只袜子的颜色。但一旦学生们看到第一只袜子是蓝色，他们就会立刻知道另一只袜子一定是红色的。这几乎就像观察一只袜子决定了另一只袜子的颜色，就像超距作用一样。
确实，一个天真的观察者可能会这样解释学生们能够准确预测第二只袜子颜色的能力。直到天真的观察者发现了 Bertlsman 袜子隐藏的规律——他总是穿两种不同颜色的袜子。这样就清楚了，这里并没有什么魔术在起作用，而是一个隐藏的变量使得这个实验完全是决定论的。
Bell 进一步证明，如果量子力学是由这种隐藏变量控制的，那么就会有可测量的结果。此后，物理学家们在高低之处搜寻这些结果，但他们的实验并未显示出隐藏变量的任何证据。
大多数物理学家将这些实验解释为量子力学不能由隐藏变量控制的证据，乍一看，这对 ‘t Hooft 的方法来说是毁灭性的。
但他表示，有一个方法可以穿过这个困境。按照他的想法，超决定论是如此根本，它不仅影响被测量的粒子，还影响整个实验设置，包括观察者本身。
这是因为所有涉及的粒子和力都共享着宇宙的相同历史。这种共享的历史本质上迫使这些实验看起来是悖论式的，好像存在超距作用，而实际上它们是决定论的。换句话说，Bell 的测试中存在一个漏洞，允许宇宙欺骗我们，让我们认为量子力学是概率性的。
‘t Hooft 的观点颇具争议，但它们承诺了标准模型无法提供的许多东西——其中包括一个能够调和相对论和量子力学的万有理论。他相信，这可以通过与他的同事杨为标准模型奠定基础的方式类似来实现——通过研究对称性，从而得出著名的杨-米尔斯场论。
‘t Hooft 的想法在更小的尺度上运作——普朗克尺度。这个尺度非常小，以至于目前没有任何实验能够达到，这就是为什么证据难以获得的原因。但他相信，仍然有可能使用类似的方法构建一个成功的理论。
基础计算
‘t Hooft 自己承认，他离这一步还很远，但他已经开始勾画出他的新理论必须具备的一些特征。他说，这个层面的宇宙必须像一个元胞自动机一样工作——一种计算机，它根据前一时刻的值来计算宇宙中所有变量在特定时刻的值。
他说，有可能从中推导出一些模型，这些模型表现出概率性，就像量子力学一样，但在表面之下实际上是完全决定论的。这些模型还不够完善，不足以被认为是万有理论，但它们证明了‘t Hooft 所依赖的原理。
如果这听起来有些熟悉，那是因为‘t Hooft 不是第一个提出元胞自动机可以解释宇宙中所有现象的人。物理学家 Stephen Wolfram 长期以来一直倡导这种物理学方法，独立于主流科学进行研究。Wolfram 的成就之一是展示了简单的决定论元胞自动机如何产生巨大的复杂性。最近，本博客报道了 Wolfram 的万有理论的最新版本 ，该理论基于此类方法。这是一个美丽的构想。
Wolfram 独立于科学界和其他科学家的做法，使他在物理学领域孤军奋战。‘t Hooft 的处境不完全一样，但他的观点也颇具争议。
所以，这是一个可能更具煽动性的想法——也许是时候让‘t Hooft 和 Wolfram 合作了。他们已经研究了相似的想法一段时间，可能会发现一些有用的协同作用。而且，以万有理论的风险，有什么可失去的呢？
参考：将局部和全局对称性投射到普朗克尺度：arxiv.org/abs/2202.05367
