科学|加瑞特 · 里斯真的发现了万物理论吗？
当爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年发表有关狭义相对论的论文时 ， 似乎他把艾萨克·牛顿的物理学转化为了自己的理论 ， 但实际上 ， 他以艾萨克·牛顿的物理学为基础 ， 建立自己的理论。 宇宙太复杂 ， 以至于一个人无法独自理解 ， 因此物理学家必须依靠同伴的综合发现来了解使宇宙产生滴答声的原因 。 这包括粒子物理学的标准模型 ， 这是马克斯·普朗克（Max Planck）于1900年提出的理论 ， 可以说是迄今为止最有影响力的理论之一 。
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尽管许多理论为物理研究做出了贡献 ， 但并非所有理论都被证明是正确的 ， 甚至是无用的 。 一些理论被缩减 ， 另一些理论则被完全抛弃 。 许多研究人员一生都在努力追求后来被证明不准确的理论 。 正是基于这种知识 ， 安东尼 · 加瑞特 · 里斯（Antony Garrett Lisi）将他的万物论提交给了世界——他的"万物极其简单的理论" 。
牛顿物理学描述了为什么滚球最终会停止 。 相对论解释了为什么你不立即飞离旋转的地球进入太空 。 量子力学解释了为什么牢牢地把你吸在地球上的同一个力 ， 不会将您撕成碎片 。 唯一的问题是 ， 这些物理理论中没有一个能完整地解释宇宙的各个方面 。 而且 ， 尽管我们知道宇宙受引力、电磁力以及强、弱核力这四个力的影响 ， 但我们不知道引力如何与其他三个力共同作用 。 但是必须有一个共同的线程将它们绑定在一起：万物理论 。
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物理学家们一直在寻找将相对论与粒子物理学的标准模型结合在一起的线索 。 如果被发现 ， 则有望揭示出构成整个宇宙的织物的构成 。 1970年代 ， 物理学家加来道雄（Michio Kaku）提出了弦理论 。 这一理论预言 ， 小的、振动的弦线是所有物质的基础 ， 并且它们的振动会构成我们宇宙中的所有四个力 。
但是加来道雄的理论要求存在11个维度才能起作用 ， 到目前为止 ， 我们只知道4个维度 。 尽管不能轻易证明它是正确的 ， 弦理论还是为万物理论的追求注入了生命 ， 而物理学世界已经对该理论进行了深入研究 。
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利用尚未发现的物理学方面做出科学预测并不是什么新鲜事 。 科学家尚未通过科学观察发现微小的弦的事实并不排除弦理论 。 爱因斯坦的相对论从数学上预测了黑洞的存在 ， 早期的时候 ， 就没有发现黑洞的任何证据 。
数学是宇宙的语言 。 从飞机失事到皮肤色素再到球体形状 ， 一切都可以用数学方程式表示 。最后一个例子对于里西追求万物理论最重要 。 里斯可能使用对称几何对象的描述揭示了粒子物理学的标准模型与相对论之间的关系 。
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在19世纪 ， 数学家苏菲·李（Sophus Lie）创建了代数公式来描述对称物体的形状 ， 这些被称为李氏场 。 他的工作是由成功的数学家们建立的 ， 在1890年代 ， 威廉·基林（Wilhelm Killing）发现了一组李氏场 ， 它们描述了我们宇宙中最复杂的形状 ， 即E8组 。 E8组是一个相互关联的248维对称对象 ， 是一个极其复杂的对象 。
实际上 ， 这个密集的对象是如此复杂 ， 以至于它是在2007年由计算机首次绘制 。 它由18位数学家组成的小组——美国数学研究所的李群项目集——进行了四年的计算并绘制E8的公式 。 该小组花了两年的时间进行计算 ， 另外花了两年时间专门研究如何在当今可用的计算机上计算形状 。
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最终 ， Atlas项目将E8计算分为多个部分 ， 并将它们分配给其他计算机 。 他们从每个部分获得不完整的答案 ， 然后将它们拼凑到Sage超级计算机中 ， 这花了77个小时来完成任务 。 关于Sage的能力 ， 这无可奉告：如果将E8公式和由此产生的答案以小字体写在纸上 ， 那么该纸将覆盖7平方英里的区域 。
尽管Atlas项目是第一个实际绘制E8的项目 ， 但多年来数学家们已经知道对称形状的存在 。 物理学家也是如此 ， 有些人甚至把E8当作所有事物的可能理论 ， 但没有一个像里西那样接近 。
那么 ， 对称形状如何成为宇宙的关键呢？首先请记住 ， 几何形状仅仅是数学公式的图形表示 。 这适用于您在高中数学课或壁球比赛中构建的菱形 。 这是一种用数学表达的图案 ， 绘制时会形成形状 。 从这个意义上讲 ， E8可能是所有力和粒子都适合我们宇宙的框架 。
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困惑？考虑自己是俱乐部的一部分 。 加瑞特 · 里斯、E8和万物理论都是令人头疼的东西 。 但是里西实际上使用相对基本的数学将E8用作一切理论的可能关键 。
里斯并不是第一个将E8（一个相互关联的248维对称物体）视为万物理论的可能钥匙的物理学家 。 但是他想出了一个聪明的方法 ， 可以克服增加引力的棘手问题 。 在他尝试之前 ， 物理学家普遍认为 ， 引力无法像电磁学一样以数学方式表达 ， 而强和弱核力也可以 。 这有点像将中文和西班牙文的段落组合在一起 ， 并尝试仅使用英语-西班牙语词典将结果文档翻译成英语 。
但是里斯听说过1977年发现的一种表达引力的数学方法 ， 称为MacDowell-Mansouri引力 。 使用此表达式 ， 里西可以使用数学表达式将引力、电磁力以及弱和强核力插入E8中 。
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宇宙中的所有四种力都会对所有最基本的亚原子物质形式（称为基本粒子）产生明显的影响 。 当这些粒子与力载体（称为玻色子）相互作用时 ， 它们变为不同的粒子 。 例如 ， 当最基本的量子粒子之一——轻子——遇到弱力玻色子时 ， 它将变成中微子 。 与光子（带有电磁电荷的玻色子）相互作用的轻子变成电子 。 因此 ， 尽管最基本的粒子数量有限 ， 但是当它们遇到不同的力时 ， 它们会变为其他不同的粒子 。 而且 ， 对于每个粒子 ， 都有同样不同的反粒子 ， 例如反夸克或反中微子 。 这些总共构成基本粒子 ， 共有28个 。
基于每个粒子具有的电荷 ， 这些不同的基本粒子中的每个粒子都有八个分配给它的量子数 。 这使得不同的粒子数达到224 。 这些数字帮助里斯使粒子适合E8模型 。 虽然E8以一种方式表示为248维对象 ， 但也可以表示为具有248个对称性的8维对象 。 里斯在八个维度内使用E8进行计算 。 对于剩余的24个未装满已知粒子的地方 ， 里斯使用了尚待观察的理论粒子 。
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再看一下E8 ， 请注意线是如何从每个点辐射的：
里斯将这248个点中的每个点分配给一个粒子 ， 使用基于其电荷的八个数字作为八个维度内的坐标 。 他发现 ， 与E8组中的对称性一样 ， 量子粒子在对称物体内也具有相同的关系 。 他希望他已经找到一种破解一切理论的方法 ， 因为当他旋转充满受力影响（包括重力）量子粒子的E8时 ， 他发现了粒子和力之间出现的模式——光子与轻子相互作用例如 ， 产生了电子 。 E8点上显示的连接与我们物理世界中粒子之间的真实已知连接匹配 。
如果里斯的方法被证明是正确的 ， 那么评估E8可以向物理学家展示宏观引力如何与其他高度局部化的三个力相互作用 。
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但是它真的有效吗？一个248维的物体如何成为所有事物的理论？阅读如下内容 ， 了解一些批评家对里斯想法的评论 。
里斯关于E8可能是引力和其他力如何相互作用的答案的理论确实存在一些问题 。 里斯本人解释说 ， 这是阶段中最初级的阶段 。 里斯对《新科学家》杂志说：“我是第一个承认这是一个远景的人 。 ”
可能证明或反证里斯万物理论的关键假设之一实际上可以在2008年得到证实 。 与加来道雄的弦理论一样 ， 里斯的方法可以预测并需要存在目前尚未发现的物质 。 在使用了所有基本粒子之后 ， 他使用了理论粒子来填补剩余的空白 。 当世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机建成并在瑞士粒子物理实验室CERN投入使用时 ， 就有可能检测到这些粒子的存在 。 这些粒子的存在将大大有助于证明里斯的思想可能是为万物理论指明道路的思想 。
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但是 ， 使用E8作为一切理论的基础时 ， 还有其他更棘手的问题 。 一些物理学家完全拒绝了里斯的方法 ， 仅仅是因为他使用了与电磁以及强弱核力相同的术语来表示引力 。 物理定律指出 ， 由于引力作用于宏观或宇宙尺度 ， 因此根本不像其他三个力那样存在 ， 因为它们的作用范围小得多 。 这些科学家坚持认为 ， 引力不能以与其他三种力相同的方式表达 。 这一直是许多物理学家寻找万物理论的症结所在 ， 并且有些人认为里西能够在数学水平上准确地融合引力和其他三个力令人怀疑 。
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里斯还因添加到目前为止无法添加的值而受到批评 ， 特别是费米子和玻色子 。 费米子是不会整数旋转的粒子（它们以小数表示 ， 例如3/2） ， 而玻色子（传力粒子）的整数则表示旋转 ， 例如1或2 。 将这两个粒子在一起 ， 一些物理学家对此表示愤怒 。 一位天体物理学家对里斯的发现表达了自己愤怒 ， 他写道 ， 添加玻色子和费米子甚至不像添加苹果和橘子 ， 而是更像添加苹果和闪电 。
这并不意味着里斯克服引力和其他力的不同性质的想法是错误的 。 重要的是要记住 ， 里斯不是第一个尝试使用E8作为观察宇宙中的力和粒子相互作用方式的人 。 但是他可能是一个走出了其他人都没有想到的聪明方法的人 ， 并揭开了对宇宙基本功能的第一印象 。 但是 ， 一个对称的物体如何成为万物理论呢？
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【科学|加瑞特 · 里斯真的发现了万物理论吗？】里斯本人未解决此问题 。 如果他的想法被证明是正确的 ， 则可能是E8结构为宇宙中的所有物质和力提供了一个无限小的且不可观察的框架 。 E8也有可能是我们整个宇宙的图像 。 但是在研究E8代表什么之前 ， 必须首先证明E8确实是里斯所预言的 。
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