信息與關(guān)系：“場(chǎng)”都是不同激發(fā)振動(dòng)模式

第十八章：“場(chǎng)”都是不同激發(fā)振動(dòng)模式

不知道大家發(fā)現(xiàn)沒(méi)？這個(gè)理論最致命的弱點(diǎn)，就是所有的“場(chǎng)”都是不同激發(fā)振動(dòng)模式，比如引力場(chǎng)，電磁場(chǎng)，希格斯場(chǎng)，楊米爾斯場(chǎng)等，就是它是如何區(qū)分的？我的意思是同一激發(fā)模式能產(chǎn)生那么多場(chǎng)或者現(xiàn)象？或者說(shuō)那么多不同激發(fā)模式怎么同時(shí)實(shí)現(xiàn)？這會(huì)讓人無(wú)法想象。使得理論就像空中樓閣一樣。

如果只是籠統(tǒng)地說(shuō)“一切都是不同模式的激發(fā)”，而無(wú)法解釋這些模式為何如此特定、為何如此多樣以及為何恰好是我們觀測(cè)到的這些，那么這個(gè)理論就毫無(wú)預(yù)測(cè)能力，和空想沒(méi)有區(qū)別。

那么，這個(gè)理論該如何回應(yīng)這個(gè)“致命弱點(diǎn)”呢？它并非無(wú)路可走，但前路充滿挑戰(zhàn)。

1. 核心回答：區(qū)分的關(guān)鍵在于“對(duì)稱性”和“拓?fù)湫再|(zhì)”

不同的“激發(fā)模式”之所以能產(chǎn)生截然不同的場(chǎng)，其根源在于它們所攜帶的對(duì)稱性和拓?fù)湫再|(zhì)不同。這并非空想，而是有現(xiàn)實(shí)中的類比和數(shù)學(xué)工具作為支撐。

類比：一根吉他弦。一根簡(jiǎn)單的弦，可以通過(guò)不同的振動(dòng)模式（基頻、一次諧波、二次諧波...）產(chǎn)生完全不同的音高和音色。雖然都是“弦的振動(dòng)”，但模式的不同決定了最終現(xiàn)象（聲音）的天壤之別。

數(shù)學(xué)工具：群論與拓?fù)洹Ｔ跀?shù)學(xué)上，我們用群來(lái)描述對(duì)稱性，用拓?fù)洳蛔兞縼?lái)描述整體性質(zhì)。

引力場(chǎng)（時(shí)空）的激發(fā)模式，可能對(duì)應(yīng)于破壞網(wǎng)絡(luò)局域 Lorentz 對(duì)稱性的某種模式，其量子激發(fā)（引力子）的自旋為2。

電磁場(chǎng)的激發(fā)模式，可能對(duì)應(yīng)一種保持U(1)規(guī)范對(duì)稱性的波動(dòng)模式，其量子激發(fā)（光子）的自旋為1，質(zhì)量為零。

楊-米爾斯場(chǎng)則對(duì)應(yīng)更復(fù)雜的SU(3)和SU(2)等非阿貝爾規(guī)范對(duì)稱性的模式。

希格斯場(chǎng)可能是一種標(biāo)量模式（自旋0），它與其它模式的相互作用導(dǎo)致了對(duì)稱性的自發(fā)破缺。

因此，底層網(wǎng)絡(luò)雖然基本組分可能相同（如量子基元），但其動(dòng)力學(xué)規(guī)則允許它支持多種不同的、穩(wěn)定的振動(dòng)模式，這些模式由它們所遵守的對(duì)稱性來(lái)區(qū)分和定義。

2. 如何實(shí)現(xiàn)？“自發(fā)涌現(xiàn)”與“有效理論”

那么多不同激發(fā)模式怎么同時(shí)實(shí)現(xiàn)？答案在于：它們不需要被“同時(shí)實(shí)現(xiàn)”為基本輸入，而是從單一的底層規(guī)則中自發(fā)地、協(xié)同地涌現(xiàn)出來(lái)。

一個(gè)比喻：水。水分子的相互作用規(guī)則非常簡(jiǎn)單。但在不同條件下，水可以同時(shí)涌現(xiàn)出多種現(xiàn)象：波浪（類似引力波）、漩渦（類似某種拓?fù)浼ぐl(fā)）、聲波（類似光子）、冰晶（類似希格斯場(chǎng)導(dǎo)致的對(duì)稱性破缺）。所有這些豐富多樣的現(xiàn)象，都源于同一種水分子的同一種相互作用規(guī)則。我們不需要為每一種現(xiàn)象單獨(dú)發(fā)明一種新的“水”。

我們只需要假設(shè)一個(gè)單一的、底層的量子網(wǎng)絡(luò)的哈密頓量（Hamiltonian） 或演化規(guī)則。這個(gè)規(guī)則的低能激發(fā)譜中，自然包含了一系列不同的、穩(wěn)定的激發(fā)：

一些是無(wú)質(zhì)量的、自旋2的激發(fā) → 引力子

一些是無(wú)質(zhì)量的、自旋1的激發(fā) → 光子、膠子

一些是標(biāo)量的激發(fā)→ 希格斯粒子

一些是費(fèi)米性的激發(fā)→ 電子、夸克

這些激發(fā)模式可以同時(shí)存在，彼此相互作用，其相互作用的方式由它們所代表的對(duì)稱性決定，從而在宏觀上魔術(shù)般地再現(xiàn)出我們整個(gè)宇宙的物理定律。

還有關(guān)于“低能”和“高能”情況下的不同。在物理學(xué)中，“低能”和“高能”是相對(duì)于所研究系統(tǒng)的特征能量尺度而言的。

對(duì)于這個(gè)理論：整個(gè)宇宙的特征能量尺度是普朗克能量（E_P ≈ 1.22 × 10^19 GeV`）。這是引力效應(yīng)變得與量子效應(yīng)同樣重要的能量尺度，也被認(rèn)為是時(shí)空本身的概念開(kāi)始失效的尺度。

低能（Low-Energy）：遠(yuǎn)低于普朗克能量的區(qū)域（`E << E_P`）。這是我們目前所有實(shí)驗(yàn)（包括LHC大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）所處的領(lǐng)域。在這個(gè)區(qū)域，時(shí)空看起來(lái)是平滑連續(xù)的，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論是極其精確的有效理論。

高能（High-Energy）：接近或達(dá)到普朗克能量的區(qū)域（`E ≈ E_P`）。這是量子引力效應(yīng)主導(dǎo)的領(lǐng)域。

當(dāng)一個(gè)物理過(guò)程的能量（或等價(jià)地，其探測(cè)的距離尺度接近普朗克長(zhǎng)度 `10^-35` 米）高到足以顯著擾動(dòng)底層量子網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，我們就從“低能”區(qū)域進(jìn)入了“高能”區(qū)域。

低能情況：我們熟悉的世界的涌現(xiàn)

在低能下，量子網(wǎng)絡(luò)的微觀細(xì)節(jié)被“平均掉”了。這就像看一塊布：從遠(yuǎn)處看（低能），它是光滑、連續(xù)的；只有用極高倍放大鏡看（高能），你才會(huì)看到交織的纖維（離散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）。

表現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)的激發(fā)模式表現(xiàn)得像在平滑彎曲時(shí)空中傳播的粒子（無(wú)論是物質(zhì)粒子還是力載體）。

它們的相互作用由廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型的拉格朗日量精確描述。這是一個(gè)有效場(chǎng)論的成功區(qū)域，我們現(xiàn)有的物理學(xué)完美適用。

高能情況：時(shí)空“像素化”與理論的真正考驗(yàn)

當(dāng)能量高到足以探測(cè)普朗克尺度時(shí)，我們熟悉的時(shí)空概念會(huì)開(kāi)始瓦解。這時(shí)，這個(gè)創(chuàng)新理論的獨(dú)特預(yù)言才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

表現(xiàn)與預(yù)言：

1. 時(shí)空離散性（像素化）：時(shí)空將不再看起來(lái)是連續(xù)的。可能會(huì)觀察到 Lorentz 對(duì)稱性破缺：光速可能不再是絕對(duì)常數(shù)，而是隨著光子能量有極其微小的變化（色散關(guān)系）。超高能伽馬射線暴從遙遠(yuǎn)宇宙到達(dá)地球的時(shí)間，或許能被極其精密的儀器測(cè)出能量依賴性。

非對(duì)易幾何：空間坐標(biāo)可能不再相互對(duì)易，`[x, y] ≠ 0`，這意味著存在一個(gè)最小可測(cè)面積，無(wú)法同時(shí)精確確定位置和動(dòng)量。

2. 引力子的“非粒子”行為：引力子可能不再像一個(gè)良好的自旋-2粒子那樣傳播。其傳播子可能會(huì)被修改，顯示出源于網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的異常特征。

3. 信息的本質(zhì)：黑洞信息悖論將在高能（即黑洞蒸發(fā)最終階段）得到徹底解決。信息如何從黑洞中逃逸的過(guò)程，將被描述為量子網(wǎng)絡(luò)糾纏結(jié)構(gòu)的微觀重構(gòu)，而不是一個(gè)點(diǎn)在時(shí)空中傳播。

4. 宇宙的開(kāi)端：大爆炸奇點(diǎn)將被避免。宇宙的起源將被描述為量子網(wǎng)絡(luò)從一種前幾何相到另一種幾何相的量子相變，而不是一個(gè)無(wú)限密度點(diǎn)。

核心解決方法：重整化群流

物理學(xué)中有一個(gè)強(qiáng)大的概念工具來(lái)處理不同能標(biāo)下的理論——重整化群（Renormalization Group, RG）。它可以被看作是一個(gè)“數(shù)學(xué)顯微鏡”：

在低能（低倍率）下，你看到的是有效的、連續(xù)的理論（標(biāo)準(zhǔn)模型+GR）。

隨著你增大能量（提高顯微鏡倍率），你會(huì)看到這些有效理論如何隨著能標(biāo)變化（RG流）。

在最高的能標(biāo)（普朗克能量，最大倍率）下，你將看到理論的紫外終點(diǎn)（UV completion）——也就是這個(gè)基本的拓?fù)淞孔泳W(wǎng)絡(luò)理論本身。

因此，這個(gè)創(chuàng)新理論本身就是那個(gè)“高能”下的終極描述。而“低能”下的各種力，是其RG流產(chǎn)生的紅外（IR）固定點(diǎn)。

所以這個(gè)理論并非空中樓閣，它通過(guò)重整化群的概念，提供了一個(gè)清晰的框架來(lái)連接“高能”與“低能”：

低能是涌現(xiàn)的世界，是有效理論的領(lǐng)域，是我們生活的世界。

高能是基本的世界，是量子網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域，是我們需要未來(lái)實(shí)驗(yàn)去探索的世界。

我們“無(wú)法想象”高能情況，是因?yàn)槲覀兊拇竽X進(jìn)化來(lái)理解低能、低速的宏觀世界。這并不代表理論錯(cuò)誤，只代表我們需要依靠數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)來(lái)拓展我們的認(rèn)知。

驗(yàn)證這個(gè)理論的方法，就是去尋找高能下的異常現(xiàn)象（如光速色散、 Lorentz 對(duì)稱性破缺），這些異常正是時(shí)空離散性的確鑿信號(hào)，也是這個(gè)理論從“樓閣”走向“大地”的必經(jīng)之路。

那么這個(gè)理論中的基本單位量子基元或比特，比普朗克尺度還小嗎？這個(gè)量子比特和現(xiàn)在物理學(xué)和量子計(jì)算機(jī)中的“量子比特”概念一樣嗎？

讓我們來(lái)詳細(xì)分解這個(gè)問(wèn)題。

1. 與普朗克尺度的關(guān)系：更基本，而非更小

普朗克尺度（~10^-35米，~10^-43秒）是時(shí)空概念本身開(kāi)始失效的尺度。它是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)效應(yīng)變得同樣重要的能標(biāo)。

在這個(gè)創(chuàng)新理論中：“量子基元”是構(gòu)建時(shí)空的基本單元，而不是存在于時(shí)空中的物體。

因此，問(wèn)“它是否比普朗克尺度小”是一個(gè)范疇錯(cuò)誤。這就像問(wèn)“構(gòu)成棋盤的格子是否比棋盤上的一個(gè)方格更小？”。

棋盤上的方格是幾何概念。

構(gòu)成棋盤的木頭纖維是物質(zhì)概念。

它們是不同層次的東西。同樣：

普朗克尺度是涌現(xiàn)時(shí)空的幾何屬性。

“量子基元”是構(gòu)建幾何的底層物質(zhì)。

所以，更準(zhǔn)確的表述是：量子基元在邏輯上是比“尺度”更基本的概念。我們無(wú)法用“米”或“秒”來(lái)衡量它，因?yàn)椤懊住焙汀懊搿北旧砭褪怯蔁o(wú)數(shù)這樣的量子基元之間的關(guān)聯(lián)所衍生出來(lái)的度量單位。

2. 與現(xiàn)有“量子比特”概念的異同

它們都借用了量子信息的基本概念，但本體論地位完全不同。

特性

量子計(jì)算機(jī)中的量子比特 (Qubit)

創(chuàng)新理論中的“量子基元” (概念性名稱)

本體論地位

存在于時(shí)空中的物理系統(tǒng)。可以是超導(dǎo)環(huán)、離子、光子等。

假設(shè)的、前時(shí)空的基本實(shí)體。是時(shí)空和物質(zhì)賴以存在的終極實(shí)在。

載體

依賴于具體的物理載體（能級(jí)、自旋等）。

沒(méi)有載體。它本身就是最基本的載體。可以理解為宇宙的“本體論像素”。

環(huán)境

存在于一個(gè)背景時(shí)空中，受環(huán)境噪聲干擾。

沒(méi)有背景時(shí)空。時(shí)空是其集體行為的涌現(xiàn)結(jié)果。

功能

用于計(jì)算和信息處理。

用于構(gòu)建物理現(xiàn)實(shí)。其動(dòng)力學(xué)和關(guān)聯(lián)模式涌現(xiàn)出時(shí)空、物質(zhì)和力。

能量

具有特定的能量。

很可能沒(méi)有“能量”。能量是網(wǎng)絡(luò)激發(fā)態(tài)的涌現(xiàn)屬性。

糾纏

糾纏是我們可以操作和利用的一種資源。

糾纏是定義存在和幾何的原始關(guān)系。距離源于糾纏。

一個(gè)更準(zhǔn)確的比喻：

量子計(jì)算機(jī)的量子比特 就像樂(lè)高積木。它們本身是具體的、有形的物體，我們可以用它們來(lái)搭建各種結(jié)構(gòu)（執(zhí)行計(jì)算）。

創(chuàng)新理論中的“量子基元” 就像Minecraft 游戲中的體素。它們不是存在于游戲世界中的物體，而是構(gòu)成游戲世界本身的、最基礎(chǔ)的數(shù)字化單元。游戲中的山河湖海、一草一木，都是由這些看不見(jiàn)的體素構(gòu)成的。

因此，這個(gè)理論中的“量子基元”是一個(gè)概念上的存在，它代表了我們目前對(duì)“物理現(xiàn)實(shí)最基本組成部分”的最佳猜想——一種抽象的、承載量子信息的實(shí)體，其之間的關(guān)聯(lián)模式構(gòu)建了我們所體驗(yàn)的一切。

它的最終數(shù)學(xué)形式可能不叫“量子基元”，但它所代表的概念——離散的、量子的、信息性的基本單元——將是這個(gè)理論的核心。

摘自獨(dú)立學(xué)者，作家靈遁者科學(xué)作品《信息與關(guān)系》

作者簡(jiǎn)介：靈遁者，中國(guó)獨(dú)立學(xué)者。原名王銀，陜西綏德縣人。1988年出生，現(xiàn)居西安。哲學(xué)家，藝術(shù)家，作家。代表作品《觸摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《變化》《相觀天下》《手診面診色診大全》《筆有千鈞》《非線性波動(dòng)》《見(jiàn)微知著》《探索宇宙》《偉大的秘密》《自卑之旅》《云淡風(fēng)清》《我的世界》《牙牙學(xué)語(yǔ)》等。其作品樸實(shí)大膽，富有新意。

個(gè)人座右銘：生命在于運(yùn)動(dòng)，更在于探索。

靈遁者熱讀書(shū)籍有：科普六部曲，國(guó)學(xué)三部曲，散文小說(shuō)五部曲。

科普五部曲分別為：《變化》《見(jiàn)微知著》《探索生命》《重構(gòu)世界》《觀自在大千世界》《信息與關(guān)系》。

國(guó)學(xué)三部曲分別為：《相觀天下》《手診面診色診大觀園》《樸易天下》。

散文小說(shuō)五部曲分別為：《偉大的秘密》《非線性波動(dòng)》《從今往后》，《云淡風(fēng)輕》《我的世界》《春風(fēng)與你》。