來源：Rachel Suggs for Quanta Magazine

這個簡單的理論就是：外在的改變不代表真的改變。雖然自然似乎以各種意想不到的方式改變了外在形式，但其最基本的內(nèi)核卻保持不變。例如，愛因斯坦1905年的相對論論文得出了一個不容置疑的結論：盡管能量和質(zhì)量本身可以有截然不同的形式，但能量和質(zhì)量之間的關系是不變的。太陽能抵達地球，通過光合作用創(chuàng)造出食物、為我們的思考提供能量。（“我們的思想是什么？這些具有意識的原子是什么?”理查德·費曼曾問道，“答案是，上周的土豆!”）

這就是E = mc²的意義。c代表光速，一個非常大的數(shù)字，所以從公式中可以看出，不需要太多的物質(zhì)就能產(chǎn)生大量的能量；事實上，太陽每秒都將數(shù)百萬噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。

無窮無盡的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量（反之亦然），為宇宙、物質(zhì)和生命提供動力。然而，經(jīng)歷了這一切，宇宙中的能量、物質(zhì)總量卻從未變過。這很奇怪，但卻是事實：物質(zhì)和能量之間的關系才是更重要的。

布朗大學的物理學家斯蒂芬·亞歷山大（Stephon Alexander）說，我們傾向于認為物體本身，而非關系，是現(xiàn)實的核心。但大多數(shù)情況下，情況恰恰相反。

愛因斯坦也證明了這一點。即使空間收縮、時間膨脹，空間和時間的關系也保持不變。就像能量和物質(zhì)一樣，空間和時間只是可以改變的表象，而在這背后，是兩者間不變的關系。

“愛因斯坦深刻意識到，空間和時間是由事物之間的關系建立起來的。”物理學家羅貝特·戴克赫拉夫（Robbert Dijkgraaf）說。他是普林斯頓高級研究所的所長，也正是在那里，愛因斯坦度過了人生的最后幾十年。

對愛因斯坦理論影響最大的關系是對稱性。科學家經(jīng)常把對稱性描述為“不會真正改變的改變，不會造成差異的差異，使深層關系保持不變的變化”。雖然聽起來很復雜，但生活中有很多例子：將一片六邊形的雪花旋轉(zhuǎn)60度，它看起來還是一樣的；在蹺蹺板上調(diào)換位置也不會破壞平衡。更復雜的對稱性讓物理學家發(fā)現(xiàn)了從中微子到夸克的一切，甚至幫助愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，萬有引力是時空彎曲的表現(xiàn)。

而在過去的幾十年里，基于對稱性理論預測的新粒子并沒有如期被實驗發(fā)現(xiàn)；而被探測到的希格斯玻色子又太輕，無法符合任何已知的對稱結構。這讓一些物理學家開始質(zhì)疑，繼續(xù)關注對稱性是否仍像過去那樣富有成效。對稱性也沒能為我們解釋，為什么引力如此微弱、為什么真空能如此之小、為什么暗物質(zhì)是透明的。

“在粒子物理中，對稱性被普遍認為是自然的基礎，但這是一種偏見，”賓夕法尼亞大學的物理學家賈斯廷·庫利（Justin Khoury）說，“對稱性很強大，但也許我們要放棄這些迄今為止行之有效的、優(yōu)美的原則。現(xiàn)在是一個非常有趣的時刻。”

1905年，愛因斯坦在撰寫第一篇相對論論文時，還沒有考慮到不變性或?qū)ΨQ性。但歷史學家推測，后來他在瑞士專利局任職期間與物理界的隔絕，可能幫助他看穿了一切。

和同時代的其他物理學家一樣，愛因斯坦也在思考一些看似不相干的難題。比如，揭示電場和磁場間密切聯(lián)系的麥克斯韋方程組在不同的參照系中看起來非常不同，無論觀察者是在移動還是靜止的。此外，電磁場在空間中傳播的速度幾乎與光速完全吻合，而光速無論如何都不會改變。觀察者可能正朝著光線奔跑或者從光線中沖出來，并且速度沒有變化。

愛因斯坦把這些觀點聯(lián)系起來：光速是電場和磁場之間對稱關系的可測量表現(xiàn)，這是一個比空間本身更為基本的概念。光的運動不需要穿過其他物質(zhì)，它本身就是運動中的電磁場。這么看，“靜止”的概念是多余和荒謬的。事件在一個觀察者看來可能是同時發(fā)生的，但在另一個觀察者看來則不是，而且這兩種觀點都正確。

愛因斯坦第二篇相對論論文，討論了追逐光束時出現(xiàn)的另一種奇特效果。“一個物體的慣性是否取決于它含有的能量?”答案是肯定的。質(zhì)量是質(zhì)點慣性的度量，質(zhì)量越大，慣性就越大。物體接近光速時，質(zhì)量將變得無窮大。所以，運動的能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。“質(zhì)量和能量沒有本質(zhì)區(qū)別。”愛因斯坦寫道。

“他仍然沒有形成時空完全統(tǒng)一的思維方式。”麻省理工學院的物理學家和科學史學家戴維·凱澤（David Kaiser）說。的確，愛因斯坦花了好幾年才真正接受，時間和空間是不可分割的整體。

時空統(tǒng)一是個很難理解的概念。但是，如果我們思考“速度”的真正含義，它就開始變得有意義了。光速和任何速度一樣，都是一種關系——隨著時間的推移而移動的距離。但光速的特殊之處在于恒定。因此，距離和時間的觀測結果會因為一個人的運動狀態(tài)而改變，從而導致所謂的“空間收縮”和“時間膨脹”。但不變的是：兩個人無論相對運動的速度有多快，“時空間隔”是不變量。坐在辦公桌前，你穿越了時間，但沒有穿越空間；宇宙射線接近光速飛越遙遠的距離，但幾乎不穿越時間，永遠保持“年輕”。無論怎樣，這種關系都是不變的。

狹義相對論又稱“特殊相對論”，因為它只適用于時空中穩(wěn)定不變的運動——不像地球上物體下落那樣的加速運動。令愛因斯坦煩惱的是，他的理論沒有包括引力，而他努力將引力納入其中，使對稱性成為他思考的核心。

如果引力依賴于質(zhì)量，那么一個物體的質(zhì)量越大，它的下落速度就應該越快。但事實并非如此。把一團揉皺的紙和一串沉重的鑰匙并排扔到地上，你會發(fā)現(xiàn)它們幾乎同時落地，曾經(jīng)伽利略也通過從比薩斜塔上扔下質(zhì)量不等的鐵球，得出了結論：忽略空氣阻力，所有物體都會以同樣的速度下落。

愛因斯坦有一個著名的思想實驗，他想象一個人從樓上掉下來。這個人會像宇航員一樣漂浮在太空中，直到地面擋住了他的去路。當他意識到自由下落的人會感到失重時，他將這一發(fā)現(xiàn)稱作一生中最令他開心的想法。雖然他花了不少時間來明確廣義相對論中的所有數(shù)學細節(jié)，但當他證明引力是時空本身的曲率時，引力之謎就解開了。“墜落”的物體，如愛因斯坦想象中的人或伽利略的鐵球，都沿著彎曲的時空路徑運動。

狹義相對論問世10年后，廣義相對論首次發(fā)表，并引出了新的問題：能量似乎不可能在強彎曲時空中守恒。眾所周知，自然界中某些量總是守恒的，例如能量（包括質(zhì)量形式的能量）、電荷、動量。德國數(shù)學家埃米·納脫（Emmy Noether）曾證明，每一個守恒的量，都對應著一種特殊的對稱性，這是一種不會帶來真正的改變的變化。

納脫證明了廣義相對論的對稱性，它在不同參照系之間轉(zhuǎn)換時的不變性確保了能量總是守恒的。愛因斯坦的理論得救了。自那以后，納脫和對稱性都占據(jù)了物理學舞臺的中心。

愛因斯坦之后，對稱性的吸引力只會變得更加強大。保羅·狄拉克（Paul Dirac）試圖讓量子力學與狹義相對論的對稱性要求相容，他在一個方程式中發(fā)現(xiàn)了一個表明“反物質(zhì)”必須存在的負號。它確實存在。不久之后，沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）試圖解釋，放射性粒子在衰變過程中為什么會丟失能量。他推測，丟失的能量可能被某種未知的粒子帶走了。是的，這種粒子就是中微子。

從20世紀50年代開始，不變性有了自己的生命，變得越來越抽象。用凱澤的話說，“跳出”了時空的對稱性。凱澤說，這種新的對稱性被稱為“規(guī)范對稱性”，變得極富成效。凱澤表示，要求存在從W和Z玻色子到膠子的所有東西，“因為我們認為這種基本的對稱性必須不惜一切代價得到保護，所以我們發(fā)明了新的東西。”規(guī)范對稱性決定了你必須引入的其他成分。”

規(guī)范對稱性描述了粒子系統(tǒng)的內(nèi)部結構，而這些粒子構成了我們的世界。物理學家們在不改變?nèi)魏沃匾獤|西的情況下，可以改變、旋轉(zhuǎn)、扭曲和擾亂方程式的所有方式。亞歷山大說:“對稱性告訴你可以用多少種方式翻轉(zhuǎn)物體，改變力的作用方式，但它不會改變?nèi)魏螙|西。”

規(guī)范對稱性的抽象思維在某些方面導致了一些問題。“你沒有看到整個裝置，你只看到了結果，”戴克赫拉夫說，“我覺得規(guī)范對稱性仍存在很多難以理解的地方。”

規(guī)范對稱性通過眾多不同的方式描述一個簡單的物理系統(tǒng)，正如賓夕法尼亞大學物理學家馬克·特洛登（Mark Trodden）所言，這是一種冗余，規(guī)范場論的特性讓計算變得極為復雜。無數(shù)的復雜計算得出了一個簡單的答案。這會讓人產(chǎn)生疑問：為什么會這樣？這其中的復雜性又是從何而來？

這種內(nèi)在的復雜性與一般對稱性的簡單原則背道而馳。對于后者，就像貼瓷磚一樣的不斷重復，“只需看到一小部分，你就能預測剩余的全部。”戴克赫拉夫說。你不需要滿足能量守恒定律，也不需要另一個滿足物質(zhì)守恒的定律。宇宙是對稱的，因為它在大尺度上是均勻的；它沒有左、右、上、下等方向。“如果不是這樣，宇宙學將會是一團亂麻。”庫利說。

最大的問題是，我們現(xiàn)在對對稱性的理解似乎不能解決物理學中一些最為重大的問題。誠然，對稱性告訴物理學家怎么尋找希格斯玻色子和引力波，這無疑是兩個偉大的發(fā)現(xiàn)。但與此同時，基于對稱性預測的一系列問題尚未在實驗中被證實，其中包括“超對稱”粒子。這類粒子可以作為宇宙的暗物質(zhì)，并且解釋與電磁力以及其他力相比，引力為什么會這么弱。

某些情況下，現(xiàn)實似乎打破了自然界基本定律中的對稱性。例如，當能量遵循E = mc²凝結成物質(zhì)時，結果是等量的物質(zhì)和反物質(zhì)——這是一種對稱。但是，如果大爆炸的能量產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們就應該相互湮滅，不留任何物質(zhì)的痕跡。但是，我們卻存在著。

完美的對稱性本應存在于早期宇宙的高溫時刻，但當它冷卻下來，這種對稱性就被破壞了，就像完全對稱的水滴在結冰時失去了一部分對稱性一樣。（一片雪花可能在六個不同的方向看起來是一樣的，但融化的雪花在每個方向看起來都是一樣的。）

是什么打破了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對稱性呢？

如果今天的物理學被證明對我們有些誤導，這沒什么好驚訝的，就像愛因斯坦之前誤導人們的“真空”概念一樣。有人認為，今天的誤導甚至可能與癡迷對稱本身有關。

許多物理學家一直在探索一個與對稱性密切相關的概念——對偶性。在物理學中，對偶性并不是什么新鮮事。波與粒子的對偶（即我們熟知的“波粒二象性”）自量子力學誕生以來就一直存在。但是新發(fā)現(xiàn)的對偶性卻揭示了令人驚訝的關系。例如，一個沒有引力的三維世界在數(shù)學上等同于一個有引力的四維世界。

如果對不同空間維度的世界的描述是正確的，那么“在某種意義上，可以認為一個維度是可替代的”。特洛登說。

“這些對偶性包含的元素，也就是維度的數(shù)量，在我們看來應該是不變的，”戴克赫拉夫說，“但它們不是。”兩個等價描述的存在，以及隨之而來的所有計算，提出了“一個非常深刻、幾乎是哲學的問題：是否存在一種不變的方式來描述物理現(xiàn)實?”

沒有人放棄對稱性，部分原因是它非常強大，而且對許多物理學家來說，放棄對稱性意味著放棄“自然性”，放棄探究宇宙和事物運行的方式。

顯然，自然的某些方面是歷史和偶然的結果，而不是對稱性，就比如行星的軌道。生物演化是已知的機制和偶然的結合。作為對愛因斯坦“上帝不擲骰子”的回應，馬克斯·玻恩指出，“自然以及人類事務，似乎既受必然性的支配，也受偶然性的支配。”也許他是對的。

物理學的某些方面必須保持不變——例如因果關系。“結果不能先于原因。”亞歷山大說。

光速奠定了愛因斯坦理論的基礎，但在未來應該不會起什么關鍵的作用。愛因斯坦在一個世紀前編織出了時空的光滑結構，但在黑洞中，或大爆炸的時刻，這個結構不可避免地被撕成碎片。“如果時空正在崩潰，光速就不可能保持恒定，”亞歷山大說，“如果時空正在崩潰，什么是不變的？”

某些對偶性表明時空是從更基本的、也是最奇怪的關系中產(chǎn)生的，也就是愛因斯坦所說的糾纏量子粒子之間“幽靈般的”聯(lián)系。許多研究人員認為，這些長程關聯(lián)將時空縫合在一起。正如凱澤所說，“希望像時空連續(xù)體這樣的東西能成為更基本關系的次要影響，包括糾纏關系。”在這種情況下，經(jīng)典的、連續(xù)的時空將是一種“幻覺”。

新觀點的高門檻在于，它們不能與量子力學和相對論等一貫可靠的理論相悖——包括支持它們的對稱性。

愛因斯坦曾經(jīng)把建立新理論比作爬山。站在高處，你可以看到舊理論仍然存在，但它已經(jīng)變了，它擁有了更具包容性的風景。與費曼“上周的土豆”的類比不同，未來，思想家們可能會用量子糾纏中編碼的信息來思考物理學，量子糾纏直接編織時空，把“土豆”培植在最開始的地方。

原始鏈接：

https://www.quantamagazine.org/einstein-symmetry-and-the-future-of-physics-20190626/

文章來源：環(huán)球科學

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