用艺术标准评价超出标准模型新物理，量子引力答案是什么？丨解读21世纪终极理论之梦

图⽚来源：Netflix美剧三体

第一季第五集，三体人介绍质子计算机的高维展开，在电视剧里头被描绘成卡拉比-丘流形的低维投影

#01降维打击，升维革命

科学从诞生的时候开始，就与哲学，宗教，艺术密不可分。

早在15世纪，神圣罗马帝国的文艺复兴先驱，天主教红衣主教Nicola Cusano提出运动的相对性——被现代科学史学家认为是相对论的开端开始，中世纪的科学家们⼤部分同时都是神学家，哲学家。

艺术史上独一无二的伟大艺术家，15世纪的里昂那多.达芬奇除了在艺术技巧和理论上开拓性的创新外，更以发明家著称于史，在几何、机械、地质、气象、宇宙和数学上颇多研究。而欧洲中世纪的师徒传承关系，时至今日演变成了科学领域doctor of philosophy(Ph.D)的哲学博士传承关系，在mathematics genealogy数学谱系上，追溯一些当代物理学家的博士导师，可以一直上溯到文艺复兴时代的达芬奇。

在这一刻，先哲时代的飞翔跨越，高文艺复兴时期创新革命的氤氲蒸汽，依旧是今⽇理论物理学界的品味和标准。而今日西方科学与技术的分界，远比中国要泾渭分明，也来自于此。

对于西方世界而言，科学是文艺哲学宗教等高度抽象领域的延伸，而技术来自早年实用的工艺，匠人精神。

一个理论物理学家早期的生涯可以十分奇特，在博士学位之后，他们会从一个地方搬到另一个地方，停留几年，经过长时间的训练后，他们才会定居在某并建立自己的团队。这期间他们会致力于三个范畴：

-学习新的技能

-寻找新的灵感来源

-构建独立性而艺术家

（画家，作家）也会走同样的道路，这也是成为大师的必经之路。

---部分摘自Fabio Maltoni 天主教鲁汶大学理论物理教授演讲

#02标准模型之外的新世界

研究标准模型之外的新物理领域，是理论物理学界最具有想象力的行业之一，位于超弦正式理论和实验观测（例如加速器，低能探测实验和天文学）之间承上启下的交叉口。

上个世纪80年代起，超弦界在纯理论范畴经过了20多年的动荡兴衰，成败革命，长足发展，奠定了今日超出标准模型新物理的框架。但在最近的十余年，随着大加速器和众多探测试验的运行，排除掉了诸多超弦的预言，引力波的观测，也依旧满足100多年前的广义相对论。超出经典引力理论和标准模型的新物理，依然渺无音信。

指引我们前进的，除了继续推进试验的进展，最重要的，还有历史的启迪和反思，以及理论物理学家对于模型和方向如同对于哲学艺术般品味。

如果我们反观西方哲学史和艺术史，不难发现这些历史的演变，与超弦这一纯理论学科的几次革命的相似性。深入超弦的两次革命，有一个命题贯穿始终：

对于非微扰深⼊理解，而进一步产生的重大突破概念：对偶（duality）

让我们来简单的回顾一下超弦这段历史，上世纪80年代前，对于QCD强子态这一非微扰现象的研究导致了弦论的诞生。随后人们发现了使用1维弦来作为基本物质单元，相比于场论中0维的点基本作用单元，可以回避掉无穷大发散的问题。这一从点到线的升维过程，正与20世纪哲学界的分析哲学中的升维解构不谋而合。

一次革命始于80年代初，在经过了基本弦理论的搭建，以及弦论散射的微扰计算，特别是费米子这个另一自由度超对称的加入，这一系列研究之后，对于QCD强相互作用非微扰区的S对偶的理解， 正式开启了超弦的在微扰-非微扰，不同维度上的对偶革命。在不同的极限下，不同框架的理论纷纷涌现，这些理论之间互成对偶，相互关联，这一过程不是多级展开的逐级多圈修补，而是具有框架性的创新解读。

升维解构这一过程，贯穿超弦发展历史的始终

时间来到90年代中期，从Polchinski的D膜革命开始，超弦理论迎来了又一次的升维。基本自由度不再是1维弦，而是有2维甚至多维的膜，一起构建了理论中微扰和非微扰区域的不同繁茂现象。而接下来的Matrix model，更是利用D0brane，这一点结构的基本单元，可以构建强关联下的当时认为的万物理论11维度下的M-theory。这一低维构建高维的过程，更是完美诠释了哲学中的解构。最终集前几次突破以及黑洞表面积墒研究之大成，全息holography原理诞生，启发了诸多交叉学科的应用发展。

让我们再来看一看20世纪前后的哲学史和艺术史：

19世纪的黑格尔完成了哲学中认识论的发展，从主体-客体二元对立到通过认识论这一新维度的完成统一。而20世纪的哲学由维特根斯坦完成了从哲学到语言哲学的这一解构，而从语言文字这一新维度，实现了哲学的重新建构。

19世纪到20世纪初，现代主义艺术逐渐抽象化，从马蒂斯的张扬色块，到毕加索的解构人物，再到抽象派的彻底抛弃具象，艺术史上同样面临着巨大动荡革命。而《泉》的作者杜尚的出现，打通了艺术和非艺术的界限，将艺术的理念上升了一个维度。

超弦理论这一纯理论的历史发展，在高度抽象的层面，与哲学与艺术的思潮不谋而合。

那么这些对于新物理模型的构建和选择，又有怎样的启发呢？新物理模型的“品味（taste）”又是什么？

感谢超弦界的进展，新物理学界的模型大概可以分为两类，与大统一理论一脉相承的微扰超对称， 以及基于强相互作⽤的复合Higgs 理论（composite Higgs）（基于解构deconstruction的小Higgs理论（little Higgs）也同此）。

粗看起来，大统一场论超对称似乎拥有着更加宏大的叙事，但我们对于非微扰强相互作⽤认识的缺乏，让低能理论中回避掉了所有非微扰问题，同时也拒绝了在高能标下的框架性的创新，这一理论是否过于局限且方便呢？非微扰性质的核心起源于Nambu的对称性动力学自发性破缺理论，系统可以通过动力学产生另外一个完全不同于微扰展开的非微扰解，使得在同一模型下系统实质具备不同的可能性。比如，强相互作用的复合Higgs理论认为新物理被禁闭在Higgs这一粒子中，在低能下鲜少现象，而与全息对偶这一框架性创新紧密相连，更包含有更高维度的信息，虽然简单但似乎有着更具品味的解读。

时至今日，我们对于非微扰，强相互作用的理解，依然十分有限。圈图计算以及超对称唯象学基本都是基于微扰，逐级展开的微扰量子场论。而涉及到非微扰区，处理办法虽然多种多样，Dyson- Schwinger方程，泛函重整化群，格点lattice以及全息QCD等有效模型，其中Dyson-Schwinger方程在场论的基础上延续了Nambu的做法求解运动方程的动力学，是对场论方法的一种继承和延伸。这些方法各自从场论上游试图改革方法论，也各自有其局限性和适用范围。

对于QCD的一圈两圈三四圈的微扰论处理方法，自然有其实用性。如果我们回顾一下科学史，17世纪当年绵延地心说和日心说的争论被人们所熟知。在地心说和观测不符合的时候，人们通过加入一圈又一圈的本轮的方式进行计算，希望符合天文观测实验，直到后期本轮加到几十个之多。最终经历了一番⾎腥历史，终于日心说诞生。

那么新物理模型的品味究竟是什么？大的科学乃至哲学艺术的进展，都与某种革新性密切相连，也许我们从以上历史中也可以窥见一二。

#03沼泽地（swampland）还是景观地（landscape）？

图⽚来源: Harvard University, High Energy Theory Group website.

80年代的超弦一次革命，留给我们的至今仍在继续的课题就是landscape（景观地）,主要描述高维空间真空能的分布和涨落，被称为“景观”。一次革命的结果认为，高维空间通过不同的紧致化， compactification，可以得到我们低能粒子物理的标准模型。但同时早在90年代人们就意识到，这样得到的真空解的数量极为庞大，具有极多的选择任意性，高达至少10^500数量。

那你相信我们的世界是这10^500个真空解的一个么？还是由于对于量子引力的不完备理解？

时至今日，依旧有人在延续30年前未竟的事业，大海捞针般寻找我们的真空，这真是一种往事不肯随风的情怀加成，期待着更加接近那个结果。

往日的景观地，变成了沼泽地swampland，对于高维空间真空能及真空势的平坦还是起伏做出猜测. 对于UV理论的猜测，进而限制低能世界超出标准模型的新物理，依旧在进行。这一研究可以独⽴于紧致化compactification存在，只是通过几条简单的来自黑洞物理或者暴涨相关的假设，也许具有更多的可靠性，但这一切都是猜测conjecture。

从今天到未来的某一天，超弦理论对于新物理的贡献，也许可以用Randall-Sundrum 模型作为最好的例子之一，受超弦升维解构的启发，开启了我们对新物理世界想象力的大门。

#04为什么全息原理是量子引力？

图⽚来源：Kenn Brown, Mondolithic Studios, scientific american

来自超弦二次革命的丰厚遗产，全息原理似乎是那个更接近量子引力的答案。全息这一概念起源于光学，在低维度的平面投影屏上包含3维世界所有的信息。而将高维度的量子引力理解成更低维度表面上的强耦合场论，这一对偶形象的借用了全息这一概念，再一次的契合了超弦界在高度抽象层面的革命性。

#05正定性（positivity）与幺正性(Unitarity)

正定性来自于一个经典的散射命题，与因果律紧密相连，幺正性来自于量子力学几率守恒。

秩序世界的基石就算到了创世纪的能标下，也许也不会崩坏，但自然界可以远超我们的想象，就像在广义相对论中，黑洞周围速度的可以远超平直时空光速一样。

值得注意的是，不管是处理正定性，还是幺正性，高能世界很可能是非微扰的，非局域的，基本的自由度都会发生改变。仅仅从微扰出发，很难说真正靠近那个答案。

#06黑洞和引力波告诉了我们什么？

21世纪观测的进展让人欢欣鼓舞，备受启发，我们看到了黑洞，也看到了引力波.

观测技术和计算科学的发展，是20世纪的人们远没有想到的，科学发展总是充满了不可预测性，这也许就是科学这一学科，神性divine的一面。

21世纪充满了海量的数据和信息，给予自下而上的启迪，理论哲学层面的革命，革新下游学科的认知。下一次的升维解构革命，又会在哪里？

作者介绍

孙斯纯，北京理工大学教授。主要研究方向是粒子物理唯象学，弦理论的唯象学，宇宙学，以及一些量子场论和有效场论的运用。