现代物理学的目标之一是确定支配我们现实的基本规则。事实上,宇宙的奇妙之处在于,只需几条规则似乎就能描述我们世界的许多方面。更重要的是,科学家们已经找到了将这些规则组合成更简单、更强大的规则的方法。
这诱使许多思想家提出,可能存在一个单一的规则,或者一套规则,所有其他事物都从中产生。这种对万有理论的追求推动了现代物理学的大部分思想。我们建造了数十亿美元的机器和观测站来测试这些想法,通常取得了巨大的成功。
尽管取得了成功,但一个突出的挑战是统一现代科学的两个完全不同但又基础的支柱:描述宏观宇宙的相对论;以及描述微观宇宙的量子力学。
这两种理论几乎完美地解释了迄今为止进行过的几乎所有实验的结果。然而它们却完全相互矛盾。无数理论家曾试图统一它们,但进展缓慢。
这为斯蒂芬·沃尔夫拉姆的工作奠定了基础,他是一位物理学家和计算机科学家,将大部分职业生涯用于对被称为元胞自动机的简单算法进行分类并研究它们的性质。他的主要发现是,最简单的算法可以产生巨大的复杂性;有些甚至能生成随机性。他的主要假设是,宇宙受这些算法的某个子集支配。
一种新科学
2002年,他在一部厚重的著作《一种新科学》(A New Kind of Science)中发表了他的研究成果,该书褒贬不一,总体未能达到沃尔夫拉姆似乎希望的影响。现在他又带着另一个类似的想法和更雄心勃勃的主张回来了。
沃尔夫拉姆再次研究了简单算法的特性;这次的算法与元胞自动机略有不同,但他表示它们尽可能地简洁和无结构。他再次表示,重复应用这些简单算法会产生具有巨大复杂性的模型——如果你愿意,可以称之为“玩具宇宙”。但他新的惊人主张是,物理定律从这种复杂性中浮现出来,它们是这些“玩具宇宙”的一种涌现特性。
沃尔夫拉姆与几位合作者一起,描述了相对论和时空曲率如何成为这些宇宙中的一种涌现特性。然后他描述了当以不同方式研究这些相同的宇宙时,量子力学如何成为一种涌现特性。按照这种思维方式,相对论和量子力学是同一枚硬币的两面。他接着展示了它们如何与现代物理学中另一个日益有影响力和重要的思想——计算复杂性——紧密相连。
因此,他的万有新理论是,现代物理学的三个支柱——相对论、量子力学和计算复杂性——本质上是同一种事物以不同方式观察的结果。“此刻,我确信我们拥有的基本框架从根本上告诉了我们物理学是如何运作的,”沃尔夫拉姆说。这是一个令人瞠目结舌的主张。
首先要承认的是,要发展任何能统一相对论和量子力学的连贯理论都是困难的。如果它通过了同行评审的考验,那将是一项巨大的成就。
但也有一些谨慎的理由。首先,尚不清楚沃尔夫拉姆是否会将这项工作提交正式的同行评审。如果不是,为什么不呢?
其次,任何新理论的衡量标准是它所做的可测试预测,这些预测使其与其他理论区分开来。许多有趣的理论都半途而废,因为它们的预测与传统理论或更广为人知的理论相同。
沃尔夫拉姆肯定地说他的方法会带来新的预测。“我们已经得到了一些关于可能存在的新奇事物的良好线索,”他说。
但它们是否可测试则是另一回事,因为他没有详细说明如何做到这一点。例如,他的理论表明宇宙中存在一个基本长度,约为10^-93米,这比普朗克长度10^-35米(目前被认为是最小可能长度)要小得多。
沃尔夫拉姆说,这意味着电子的半径约为10^-81米。目前的实验证据是半径小于10^-22米。
质量量子化
他的理论还预测质量被量子化为比电子质量小约10^36倍的单位。
另一个预测是,像电子这样的粒子根本不是基本粒子,而是由更简单的元素组成的集合。根据他的计算,一个电子应该由大约10^35个这样的元素组成。
但由更少元素组成的更简单的粒子也应该存在。他称之为寡子(oligons),因为它们应该会产生引力,沃尔夫拉姆认为它们构成了天文学家认为充满我们宇宙却无法看到的暗物质。
物理学家如何检验这些预测尚不清楚。但或许在如此早期的阶段就期待如此详细的细节是不公平的。(沃尔夫拉姆说他去年十月才开始认真研究这个想法。)
社交网络
最后一点值得注意的是沃尔夫拉姆在物理学界的位置。他是一个局外人。这不应该有关系,但它确实有关系。
《一种新科学》的一个持续批评是,它未能充分承认在同一领域工作的其他人的贡献。这种印象无疑对沃尔夫拉姆思想的接受方式及其传播产生了不利影响。
这次情况会有所不同吗?这很大程度上取决于他与社区的互动。正式的同行评审将是一个很好的开始。沃尔夫拉姆已经做出了一些努力,承认他与其他物理学家进行过的有益讨论,并且他列出了很长的参考文献清单(尽管大约四分之一是他自己的工作或他的公司Wolfram Research)。特别是,沃尔夫拉姆承认了罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)在1970年代早期关于组合时空的工作,这项工作预示了沃尔夫拉姆的方法。
不管你喜欢与否,科学都是一项社会事业。思想通过一个以人为节点的网络传播。如果你不属于这个社区,并且积极地蔑视其规范,那么如果你的工作被忽视,或者合作不顺利,或者资金难以获得,就不应该感到惊讶。虽然像沃尔夫拉姆这样的理论工作可以在极少的资金下蓬勃发展,但实验工作则不能。
沃尔夫拉姆的工作无疑将受益于广泛的合作和发展。他能否获得这些,很大程度上取决于他自己。
参考资料:一类有潜力代表基础物理学的模型arxiv.org/abs/2004.08210 非正式介绍: 我们终于可能找到通往物理学基本理论的道路……而且它很美














