准多重宇宙：我们的世界与其他“准世界”之间是否存在本质差异

摘要：准粒子概念在物理学发展过程中发挥了极其重要的作用，并且得到了许多重要应用。那么，我们的世界是否可能是准粒子构成的“准世界”？事实上，物理学家正致力于构建适合任意子存活的“准世界”，并且构建现实世界的理论模型与设计“准世界”这两件看似不同的行为，竟具有惊人的协同

准粒子概念在物理学发展过程中发挥了极其重要的作用，并且得到了许多重要应用。那么，我们的世界是否可能是准粒子构成的“准世界”？事实上，物理学家正致力于构建适合任意子存活的“准世界”，并且构建现实世界的理论模型与设计“准世界”这两件看似不同的行为，竟具有惊人的协同效应。

撰文 | Frank Wilczek

翻译 | 胡风、梁丁当

描述真空中基本物理的思想也适用于材料中物理的研究，反之亦然，这种双向诠释已取得了丰硕成果，为现代电子与计算机技术奠定了理论基础。时至今日，它仍在持续推动重大技术革新与基础物理领域的发现。

将世界视为某种实体物质的观念自古就有。亚里士多德提出了“自然害怕真空”的著名论断，柏拉图则把整个宇宙想象成一只庞大而奇特的动物。公允地讲，我觉得——正如沃尔夫冈·泡利常说的——这些观点甚至称不上是错的。

进入17世纪，这类观点开始以一种更为科学、理性的形式被广泛讨论。此时正值科学革命曙光初现之时，自然哲学家们为了理解行星运动定律殚精竭虑。

勒内·笛卡尔提出，行星被嵌在一种无形的漩涡以太中，被其中的涡旋推动着运行。

艾萨克·牛顿在其划时代巨著《自然哲学的数学原理》（三卷本）第二卷中，对笛卡尔的以太理论进行了批驳，指出“涡流假说面临很多困难”。相比之下，牛顿提出的行星运动数学理论更加成功。其中，引力被描述成作用于空间分离物体之间的普适力。在牛顿理论中，空间彻底被非物质化，成为一种空洞的背景。

牛顿的理论统治了物理学近两个世纪。但在十九世纪，空间再度被“填满”。1862年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦受到迈克尔·法拉第的开创性实验与前瞻思想的启发，构建了（更准确说是构想出）一种充满空间的介质（即以太），这种介质能够精确复现当时观测到的电磁场现象。

麦克斯韦建立的关于电磁现象的机械以太模型还预言了新的效应。其中最引人瞩目的是：该模型预测，以太中的机械振动（对应电磁场中的电磁波）将以光速传播——而光速值此前已通过独立实验测得。这一惊人的巧合使得麦克斯韦大胆断言：“我们有充分的理由认为，光实质上...就是一种遵循电磁学规律、在电磁场中传播的电磁场扰动。”

在最终确立的方程中，麦克斯韦完全摆脱了最初启发他的机械以太模型，而将充满空间的电磁场作为了基本研究对象。这些电磁场其实也是一种充满空间的以太——一种超越机械论、更具“灵性”的以太。作为虔诚教徒的麦克斯韦对此甚为满意：“浩瀚的行星、恒星之间的星际空间，不再是宇宙造物主尚未用他多元秩序的符码书写的荒芜之地。我们终将发现，那里早已充盈着这种绝妙的介质……

人们普遍认为爱因斯坦的狭义相对论彻底否定了以太概念。的确，爱因斯坦在其1905年的开创性论文中，明确指出：“引入‘光以太’将被证明是多余的……因为根据本文中发展的理论，既不需要绝对静止的假设，也不需要引入以太。”但后来他的论调有所改变。1920年，爱因斯坦在莱顿大学发表《以太与相对论》演讲时，讲到：“深入思考表明，狭义相对论并不必然否定以太的存在。我们可以假设以太存在，只是必须放弃赋予其任何特定的运动状态。”

事实上，狭义相对论没有否定电磁场的客观存在。它建立在麦克斯韦方程组之上，也没有改变它们。

而爱因斯坦的广义相对论，则进一步将“世界即物质”的哲学思想推向新的高度。根据该理论，时空能够弯曲和振动——仿佛我们都嵌于某种无处不在的奇异的弹性固体中。引力波 (时空介质中一种和声波类似的行波）的发现确凿验证了这一玄妙构想。

在量子世界里，物理学家们以“世界即物质，物质即世界”为主题，演绎出许多美妙的变奏，将这一思想推向全新高度。下面我将简述两个经典案例，再分享几项我尤为喜欢的最新研究。

1905年，青年爱因斯坦迎来了他的“奇迹年”。这一年，他不仅提出了时空统一理论（狭义相对论），还通过布朗运动证明了原子的存在。这两项贡献皆极富创造性地使用了当时公认的原理，因而迅速获得主流学界的认同。

然而他那年提出的第三个想法，光是由粒子构成的（爱因斯坦最初称之为“光量子”，即现代所称的“光子”）——却遭遇了截然不同的命运。这一理论不仅未能基于当时已有的学说，反而挑战了这些来之不易的成果。正如前文所述，19世纪物理学最辉煌的成就，正是通过优美的电磁场方程与充分的观测相互印证，确立了光的本质是电磁场振动的波。

根据权威科学传记作家亚伯拉罕·派斯的记载，“当时整个物理学界对光量子假说抱持着近乎嘲讽的怀疑态度”，且“在1905至1923年间，他（爱因斯坦）几乎是唯一坚持光量子假说的学者”。麦克斯韦的波动理论已成功解释了大量光学现象，而爱因斯坦提出的光粒子性假说——在主流学界看来——仅仅是为了解释少数波动理论无法涵盖的异常现象而特意构建的理论。该理论想解决的问题是：实验观测表明，要产生极低振幅（或等效地说，极低能量）的光波，竟然令人费解的困难。爱因斯坦指出，这一困难源于光的能量具有最小不可分的基本单位——即他提出的“光量子”，根本不可能制造出比光量子更小的能量。

面对同行们的质疑，爱因斯坦毫不退却。孤军奋战的他还向新的领域挺进。他追问道：若电磁波具有粒子性，那声波是否也是如此？是否存在声量子？早在1906年——距其颠覆性的光量子理论提出仅数月——爱因斯坦便再次给出了肯定答案。当时实验物理学家同样观察到，产生极微弱的声波也是令人费解的困难。爱因斯坦再次指出：这个困难源于根本不可能制造出比声量子（即声子）更小的能量。

由于这些能量量子（无论是光子还是声子）都具有不可分割的最小单位特性，它们能以极其稳定的单位传播。在当今物理实验室及数码摄影等现代科技中，光子—光的量子粒子——已成为触手可及的现实和工具，声的量子粒子（即声子）亦然如此。

在物理史上，声子是首个被发现的所谓的“准粒子”。粒子是空间中一个稳定的能量聚集，作为一个单位整体运动，并且具有可重复的特性。它们能够作为基本构建单元组成更复杂的物理系统。准粒子具有完全相同的本质，但它存在于材料内部——如果材料内部存在微观生命，对于它们这些准粒子与真实粒子毫无二致。正是基于“真实粒子与准粒子遵循相同量子规律”这一猜测，爱因斯坦发现了声子。

Left to right: Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Rudolf Peierls (从左到右：保罗·狄拉克，沃尔夫冈·泡利，鲁道夫·皮尔斯)

图中三位物理学家的研究催生了最重要且令人惊奇的准粒子——空穴。
（学术说明：为突出核心要义，本文对历史细节作了必要简化。）

沃尔夫冈·泡利在1925年提出了泡利不相容原理。根据该原理，两个电子不能处于同一个量子态。保罗·狄拉克则于1928年创立了狄拉克方程——这个极优美又极奇特的描述电子的方程，将量子力学与狭义相对论完美地统一起来。其最独特之处在于，该方程存在描述负能量电子态的解，而此类状态在自然界中从未被观测到。为解决这一矛盾，狄拉克提出一个假说：我们通常所认为的真空，实际上是所有负能态均被电子填满的电子海洋。

若该假说成立，则根据泡利不相容原理，我们能观测到的任何"额外"电子都将无法占据这些负能态。

如此大胆的猜想连爱因斯坦都难以接受。他在给友人的信中写道：“我无法理解狄拉克。这种在天才与疯狂之间走钢丝的行为——简直让人害怕。他是个自成一派的天才，但我理解不了他。”

然而狄拉克的思路完全正确。他根据自己的假说得到了一个惊人推论。设想一个高能光子撞击一个负能量电子并使其获得正能量，碰撞后，我们不仅会得到一个通常的正能量电子，还会在狄拉克海中留下一个“空穴”。这个空穴相较于真空背景而言，是一个“缺失”的电子——因此，其电荷与正常电子相反。狄拉克方程的细节（严格说是其对称性）表明，空穴具有与普通电子相同的质量。综合来看，这些空穴的行为恰似一种新粒子，即电子的反粒子，被称为正电子。不久之后，1932年卡尔·安德森在研究宇宙射线时，观测到了和狄拉克预言一样的电子-正电子对产生过程。

派尔斯将狄拉克的推理方法应用于材料。描述材料中电子的方程通常具有较低的对称性。这一差异导致了空穴与正电子的属性具有定量的区别。在半导体中，产生空穴所需的能量比真空中产生正电子低很多，因此半导体中空穴的产生远比在真空中产生正电子容易，这使得在半导体中产生大量带正电的空穴成为可能。这些空穴与常规带负电的电子互补，因此在设计半导体电路时，人们既能使用排斥力也能利用吸引力。工程师与芯片设计师们巧妙地利用这一特性，制造出了微型晶体管等精密电子元件，让我们变得更加富足和强大。

这些工程技术大多太过复杂，难以在此详述。但其中一项与狄拉克-安德森过程密切相关的发现，不仅原理相对简单，更具有非凡的重要性。

虽然产生电子-正电子对需要高能宇宙射线光子，但是太阳光中的光子已足以在特定材料中激发出电子-空穴对。外加电场可驱使电子与空穴反向移动，防止其复合并保持它们的能量。通过这种方式，我们可以将丰富的太阳能转化为易用的电能——这一过程如今已成为人类获取充足、清洁、可持续能源的最切实可行的路径。

大规模粒子-空穴对

准粒子的特性与其所处的材料密切相关。一些准粒子，比如声子，在“基本”粒子（即真空中的粒子）中并没有精确对应物，虽然引力波与之较为接近。其它的则具有对应，比如空穴对应正电子，但它们的性质在细节上具有重要差异。近年来，物理学家在设计材料方面展现出非凡的创造力与精湛技艺，这些材料中的准粒子不但有趣而且具有潜在应用价值。我更倾向于将此视为设计“准世界”。可以预见，在未来数年，机器学习必将把这种（准）世界创造艺术推向全新高度。

任意子是一种极其不同的新型准粒子。其独特之处在于拥有某种“记忆”。（更准确地说，任意子的波函数演化依赖于粒子相互缠绕的方式——波函数因此记录了任意子的运动轨迹，形成一种量子“旅行日志”。）这一特性在量子信息处理领域，尤其是构建量子计算机方面非常有用。受此潜在可能性的驱动，全球众多物理学家正致力于构建适合任意子存活的“准世界”，并探索其实际应用。

我在20世纪80年代初提出“任意子”这一术语及与它相关的几个关键想法时，并未考虑其潜在应用价值。相反，当时我纯粹是在思考宇宙学与高能物理中的若干猜想性问题。但事实再次证明，构建现实世界的理论模型与设计“准世界”这两件看似不同的行为，竟具有惊人的协同效应。

这一切引发了深刻的问题：我们所熟悉的世界（即我们在宇宙学观测、天体物理研究和日常生活中习以为常的宇宙）与其他“准世界”之间是否存在本质差异？如果将现实世界视为某种特殊物理介质，这种观点在多大程度上值得采信？我们的宇宙是否如同其中的诸多准世界一样，仅仅是某个更大的结构——比如多重宇宙——的组成部分？那些可能与我们相邻或嵌套的准宇宙中，是否存在不同类型的准粒子，从而遵循不同的物理定律？

基于这些思考，我们逐渐认识到：当我们看着一个由不同材料构成的复合结构时，实质上是在审视一个包含着多个独特“准世界”的“准多重宇宙”。这种“准多重宇宙”在自然界中无可辩驳地普遍存在，在我看来，无疑极大增强了存在多重宇宙的可能性。

本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”。