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你刚刚见到的是统治微小世界的量子规则的后果之一:某事只要可能发生,它就一定发生。对于虚光子来说,它很可能从运动中的电子们那里借到能量,变成虚拟粒子–反粒子对,又会随之变成其他粒子–反粒子对,或者湮灭成光,再……
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你自己想象吧。
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哪怕就是两个微小的电子相互作用,在此过程中虚拟粒子对们出现的可能性也是无穷大。所以会有无穷大数量的虚拟粒子牵涉其中。
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你依旧开心地坐在自己的缩微版裁判椅上,思考着,你等着下一场比赛,开始再次观察焰火,但是没有新的选手参赛了。没有电子朝你走来。但现在你已知道如何搜寻,你还是看得到虚拟粒子–反粒子对不时出现,只是出现得慢了一些。它们就像从空气中出现的网球和反网球,只是没有打网球的人。
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这些粒子对的出现是来自真空的“量子涨落”。
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它们一直都在,但只要存在它们能够借助的能量——例如运动中的电子们的动能——它们就更容易被激发。
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一对电子–正电子对在你眼前出现,然后又湮灭成光子,然后它又自发变成另一对,这次是夸克–反夸克对,现在,一个反夸克发射出一个胶子,随之……
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即便是在真空中,那些看起来没有任何东西的地方,要准确地描述我们的世界,我们仍需要考虑所有无穷多种粒子–反粒子对相互作用的可能性,任何地方,任何时间。
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一团糟。
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而且这种一团糟还带来相当灾难性的后果:这些可能性都很重要而且数目众多(事实上它们的数量是无穷大),其结果是宇宙中的任何一点都应该对应于无穷大的能量值,哪怕是在没有其他东西的真空中。很显然,实际情况不是这样的,不然我们的宇宙就会在任何地方开始塌缩,就在现在,因为这些无穷大的能量给时空带来的巨大引力效应。因此,这幅画中显然有些不对头的地方。
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为了让这个讨厌的问题变得容易对付一点,量子场理论学家们想出来一个机智的办法:他们纯粹简单地决定忘掉引力,将它从游戏中整个驱离。既然这样,他们还顺便把无穷大也去掉了。他们关掉这个开关,只计算剩下的部分,连哄带骗地……居然成功了。
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荷兰理论物理学家霍夫特(Gerard’t Hooft)就是开创这种数学外科手术方法的几位极其聪明极其出色的物理学家之一,他因为这个贡献和他的博士生导师马丁努斯·韦尔特曼(Martinus Veltman)一起获得了一九九九年的诺贝尔物理学奖。因为他(和其他几个人)的贡献,虽然他们粗暴地用数学开关关掉了无穷大,但还是通过其精准的预言能力将量子场理论变成历史上最成功的科学理论。去除无穷大的结果导致了一些以前从未被见过的粒子被预言,而且是精确预言——对于它们的质量和电荷——精确到误差小于一千亿分之一。如果随便一个人能那么精确地猜测,他将成功地猜出送到各个酒吧的一百万品脱啤酒里是不是少掉了一滴。如果我们真的具备这种能力,估计酒吧里每天都会有暴动。
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量子场理论所作出的预言都精确得让人吃惊。但这种“赖皮”手段给寻求解释的我们来说,所带来的伤害就算痛饮一百万杯啤酒都难以消解。
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为什么这些无穷大会发生?
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难道仅仅是因为在我们宇宙当中比这些理论能够有效探测的更小的区域里,我们不知道那里究竟发生了什么?
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也许是吧。
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不管怎么说,有一位非凡的美国物理学家就是这么想的。他的名字叫肯尼斯·格迪斯·威尔逊(Kenneth Geddes Wilson),他不再试图解释无穷多个更小的领域以得到有关粒子的某个结论,而是认为如此令人头晕眼花的尺度可能确实是问题所在:人们没有必要为了能够讨论粒子而考虑更加小的尺度。就像人们在市场上挑拣苹果而不必去比较原子那样,威尔逊提出并且证实了未知的东西也能够被测量,被规定,和被抛到一边。
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这的确有用——事实上威尔逊因为这个贡献而获得了一九八二年的诺贝尔物理学奖。
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威尔逊并没有解决无穷小状况下会发生什么情形的问题,他只是舍弃了这个问题。通过对未知情况的切除和粗粒化,以前影响场论的无穷的问题不复存在了。
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移除无穷的过程有个名字,叫做“重正化”。就像我在前面所说的,它在计算方面的效率非常出色。但是对于渴望理解所有事物的人来说,对于未知并不能简单地忽略而过。有必要深入下去。尤其在考虑到引力的情况下,这些重正化手段并不起作用。
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另一方面,量子场论是关于宇宙真正包含什么的理论。它们非常精确,真的精确到让你难以相信,但只能在不考虑时空背景,固定不变,以及引力不对任何东西发生作用时才有用。这不是一个真实的世界。
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我们必须找到一个途径把引力拉回来。
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我们必须把引力导入量子场。
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那么该怎么做呢?
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