量子力学只是表象?

《环球科学》面向科学从业者，推出全新微信号——

“环球科学科研圈”（ID：keyanquan）

■ 快速翻译顶级学术期刊摘要

■ 预报重点城市学术讲座、科普活动

■ 发布科研圈招聘信息

■ 推送前沿研究成果

撰文 戴维·唐（剑桥大学理论物理学教授） 

翻译 庞玮(理论物理学博士，广东工业大学教师)

审校 陈莹（物理学博士，

本文原载于《环球科学》。

2011年，美国的基本问题研究所（Foundational Questions Institute）举办第三届征文大赛，向物理学家和哲学家提出了以下问题，“物理实在是数字化（digital）的还是模拟化(analog,即取值范围是连续的变量或数值)的？”大赛组织者原本期待结果会偏向数字一方，因为毕竟量子物理中“量子”一词本身就意味着“离散”，也即“数字化”。但是，最终很多作者都坚持世界是模拟的，其中就有戴维·唐。他的文章最终荣获并列第二名。本文就是由他的获奖短文改编而成。

19世纪末，德国著名数学家利奥波德·克罗内克（Leopold Kronecker）曾断言：“上帝创造了整数，余者皆出自凡人之力。” 对今天的物理学家而言，克罗内克的这句话会让他们产生另一种共鸣，那就是：物质和时空最基本的结构是离散的，能够一个一个地数清楚。

这个想法最初来自古希腊的原子论者，但在今天这个数字化时代里尤其受到青睐。很多物理学家已经将自然比作一台巨大的计算机，用离散的信息比特来描述，而物理定律就是算法，整个物理世界就如《黑客帝国》（Matrix）中尼奥（Neo）所看到的绿色数据流一般。

这真是物理规律的本来面目么？尽管下述看法可能显得离经叛道，但我和很多志同道合的研究人员还是认为，物理量不是离散的整数，而是连续的数字，在小数点后有无限个数位；世界是一个真正的连续统一体，无论你深入到多么细微的尺度，都找不到不可再分的构建单元。

另外，已知的物理规律具有某些目前无法用计算机模拟的特征，即便是一台拥有无限大内存的计算机也做不到。

原子之争

物理世界到底有没有最小的结构单元？这是物理学中历史最悠久的话题之一。

古希腊时期，原子论者构建了一个离散的物理世界。然而，另一些希腊哲学家（如亚里士多德）则认为世界是连续的。到了17~18世纪的牛顿时代，自然哲学家为粒子（离散的）论和波动（连续的）论争论不休。而在克罗内克时代，原子论的拥护（如约翰·道尔顿、、热力学和气体定律，但仍有很多物理学家对原子论表示怀疑。

1909年诺贝尔化学奖得主威廉·奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald）指出，热力学定律只涉及如能量这样的连续的量。，电场和磁场也是连续的对象。另外，量子力学的先驱马克斯·普朗克（Max Planck）在1882年完成的一篇颇具影响力的论文中写道，“尽管目前原子理论所取得的成就让人津津乐道，但它终将被人们摈弃，因为大家更钟爱物质是连续的假设”。

最终，量子力学扭转了“离散-连续”之争的局面。根据原子或基本粒子的定义，用来标记化学元素的整数是客观的，这个数字对应着该元素原子核内质子的数目。我敢打赌，无论物理学如何发展，我们都不会找到一个质子数介于钛和钒之间的元素——离散的整数，在原子物理中的确存在。

另一个例子来自光谱学（spectroscopy），它研究的对象是物质发射和吸收的光。一个特定种类的原子只能发出特定颜色的光。原子光谱遵从一些固定的数学规律，而这些规律则由整数来支配。而正是光谱学催生了量子理论的发展：当时，为了理解原子的光谱理论，科学家进行了一系列尝试，其中以丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的学说最为著名，由此，离散性正式根植于量子理论的核心深处。

离散是结果，而非本源

但玻尔的学说并非定论。1925年，埃尔温·薛定锷（Erwin Schrödinger）基于波动观点，提出了一种解释量子力学的等价方法。他提出了一个方程来描述波的演化方式，方程中只含有连续量，而没有整数。不过，当你去解一个特定体系的薛定锷方程时，就会出现奇特的数学现象。以氢原子为例，从我们得到的结果来看，电子只会在某些特定的轨道上绕原子核旋转，这些固定的轨道最终产生了离散的氢原子光谱。这里的氢原子就像笛子一样，尽管在笛子里，空气的运动是连续的，但笛子产生的却是一连串离散的音调。至少对原子而言，事情很清楚：“上帝”并没有创造整数，他创造的是连续的数字，我们得到的结果只是薛定锷方程的功劳。

换句话说，整数并不像玻尔认为的那样，是光谱理论的前提条件，而是理论带来的结果——“量子力学”一词乃是一种错误的称谓，在深层次上，光谱理论不是量子化的。对氢原子这样的体系而言，原子光谱所呈现出的离散性，其实是由更深层次上的连续性塑造出来的。

还有更让人惊讶的事情，那就是，原子或者任何实际的基本粒子的存在，都不是物理理论的前提条件。物理学家总是习惯性地教导别人：自然界是由像电子或夸克这样的离散粒子构建而成，但这其实是一个谎言。构建物理理论的基本单元不是粒子，而是场（field）：一种连续的、充满整个空间的流体状物质。电场和磁场是我们都熟悉的场，另外还有电子场、夸克场、希格斯场等。我们所认为的基本粒子物质，实际上并不是自然界的本质，它们仅仅是各种连续场的串串“涟漪”。

还有一个支持物理定律中存在整数的例证，那就是我们眼前的三维空间，但事实又如何呢？已故著名数学家伯努瓦·曼德尔布罗特（Benoît Mandelbrot）已经指出，空间的维度并不一定是整数，比如英国海岸线的维度就在1.3左右，不仅如此，在人们提出的很多物理统一理论中，像弦论，空间的维度就是不确定的——既可以涌现出新的维度，已有的维度也可以消失。

连续是离散的上层建筑？

就算根据目前的理论，物理实在是连续的，但这并不妨碍其他物理学家将这个连续的世界，看做是建立在离散的物理实在之上。

过去近40年中，科学家一直在计算机上对标准模型进行建模，也许我们可以从这些研究中获得一丝线索。要构建此类模型，首先需要设定一个由连续量构成的方程，然后寻找该方程的离散表达式，以便和计算机比特式（即离散）的信息处理方式相容。但经过几十年的努力，人们仍没有建模成功。

物理学家已经建立了量子场论的一种离散形式，那就是格点场论（lattice filed theory）。这种理论将时空表示成一系列的点，物理学家利用计算机，在这些点上求出各个物理量的值，从而模拟一个连续的场。科学家几乎能将每一种量子场论在格点上表达出来——目前只剩一类量子场论，科学家还不知道如何格点化，不幸的是，标准模型恰在其中。

标准模型中的费米子具有一种非常特殊的性质：逆时针旋转（即左手征）的费米子能感受到弱核力，但顺时针旋转（即右手征）的费米子却无视弱核力的存在。这样的理论被称为手征性（chiral）理论，手征性理论非常微妙，一些微弱的反常效应总是让手征性理论不能完整地自洽，科学家在计算机上建模的尝试，无不以失败告终。

科学家还不确定究竟是什么导致我们无法在计算机上对标准模型进行建模，从失败中得出一个确定的结论谈何容易。不过，这个问题也许能用常规的方法解决，只不过非常之难，还有待后来者进行更深入的研究。标准模型难以格点化的事实也许传递着更重要的信息：物理定律，究其本性而言，它不是离散的，我们终归不是生活在一个《黑客帝国》 般的虚拟世界之中。

未经许可，请勿转载，合作请联系editors@huanqiukexue.com。

《环球科学》2014年10月年度专刊“人类传奇”已经上市，点击阅读原文即可购买。