参考消息网2月4日报道 据英国《新科学家》周刊网站1月12日报道，在位于柏林的德国旧博物馆里，站着一个男孩，双手朝天。除了右脚跟有点向外拱之外，这座古希腊雕像几乎完全对称。雕刻家引入这种平衡感是出于纯粹的艺术原因吗？赫尔曼·魏尔认为不是。这位德国数学家说，我们被对称性所吸引，正是因为它支配着宇宙的秩序。
在20世纪初，魏尔帮助发现了对称，进而发现了美，这是现代物理学的基石。它不仅意味着视觉平衡，还意味着大自然在不同的地方、时间和无数其他变化下都以同样的方式表现。对称性解释了为什么能量不能被创造或毁灭，甚至解释了许多事物为何存在。难怪魏尔认为它具有形而上学的地位。他说，对称“是古往今来各个时代人类试图理解并创造秩序、美和完美的一种理念”。
如今，大多数物理学家都在追求更大的对称性，比如超对称性和弦理论。但它真的如看起来那么神圣吗？近来一系列结果表明，宇宙具有一个更深层的规律：对被称为纠缠的奇怪量子现象的极度偏好。如得到证实，这将标志着我们对现实的理解发生了深刻的转变，从一个由几何完美支配的世界转变为一个由事物间幽灵般的相互关联所塑造的世界。“这给我们提供了一个新的切入点。”美国西北大学和阿尔贡国家实验室的理论物理学家伊恩·洛说，“在此之前，我们根本不知道对称性从何而来。”
即使根据标准模型，并非我们看到的所有东西都是对称的：世界不是均一的；粒子具有不同的、看似随机的质量；物质比反物质多得多。但对物理学家来说，这些对称性被打破的例子并非问题所在，它们只是强化了这样一种信念，即对称性是判断宇宙中所有错综复杂变化的基准。已故理论物理学家菲利普·安德森说过：“说物理学是研究对称性的学科并非夸大其词。”量子力学巨匠维尔纳·海森堡的说法显然更夸张些，他称对称性是“创造的初始原型”。
到20世纪后期，这种信念已经固化为正统观念。为了更深入地理解自然，理论家们提出了超对称理论，其反映出已知粒子有更重的“超对称伙伴粒子”，以及基于弦而非粒子的弦理论，它具有更复杂的对称性。但怀疑已经悄悄滋生。尽管科学界对此抱有很大期望，但预测的超伴子一个也没有出现，而弦理论也没有给出任何可验证的预测。2023年，弦理论的先驱莱昂纳德·萨斯坎德承认，弦理论的主要公式没有前途，这让他的许多同事感到惊讶。他写道：“我可以百分百肯定地告诉你，我们并非活在那样一个世界里。”
量子纠缠
尽管如此，研究对称性依然是许多在职理论家的基本生计，美国华盛顿大学的马丁·萨维奇就是其中之一。多年来，萨维奇及其同事从量子计算中借鉴了一些想法，以就质子和中子如何相互碰撞和散射进行基于对称的计算，这是理解被称为超新星的恒星爆炸以及其他天体物理事件的关键。量子计算机的工作原理基于一个事实，即多个粒子通常可出现不同程度的“纠缠”。也就是说，它们的特性只存在于彼此之间，而无法单独存在。虽然这听起来很奇怪，但它可实现经典计算中所无法实现的并行处理，这或可令解决质子和中子散射等复杂问题变得轻而易举。
但当研究人员在2018年用量子计算语言重写散射问题时，他们注意到一些奇怪的事情：当散射粒子的总体纠缠最低时，系统的内部对称性达到了最高。在大自然所有的优雅中，对称性似乎更受偏爱。但它似乎也更偏好尽可能少的量子行为。萨维奇说：“这绝对是一个令人吃惊的模式。”
萨维奇研究的合著者、其大学同事大卫·卡普兰在一次会议上展示了这一结果，他强烈质疑最小化的纠缠是否只是巧合，是否暗示着某种深层次的东西。“卡普兰是一位非常受人尊敬的理论家，”出席该会议的洛说，“他激起了我的兴趣。”
这个想法在洛的脑海中挥之不去。与美国杜克大学的理论家托马斯·梅亨共同进行的实验显示，在两个粒子的碰撞中，纠缠最少的结果也是低能物理学所允许的最对称的结果。几年后，与美国费米实验室的玛塞拉·卡雷纳等人一道，洛发现，抑制两个基本希格斯玻色子高能散射中的纠缠，可使方程的对称性达到最高，这与我们在实验中所看到的希格斯玻色子自然匹配。换言之，似乎哪里有对称，哪里就有低纠缠。洛说：“就是在这时，我们真正引起了粒子物理学界的兴趣。”
量子力学的多世界诠释需要可替代的现实来维持平衡。解决存在一个世纪之久的悖论是否破坏了它们的存在？
究竟发生了什么？理论家是否应该一直关注纠缠而非对称性？正如量子物理本身，纠缠是个令人头疼的概念：数学上可行，但含义一直难以捉摸。在标准模型中，我们所说的“粒子”只是在特定时空的单个能量子。同样，也可以有两个能量子，一个粒子在这里，另一个在那里。不过还可以是，两个能量子的一部分在这里，剩下的在那里。换句话说，粒子可以纠缠在一起：一种“这里和那里”以及“那里和这里”的混合。在我们看来，它们似乎并未决定自己要去向何方。
从未有人直接观察到这种纯粹的纠缠。如果你要寻找一个粒子，它总是会作为一个完整的量子出现在某个特定地点，要么在这里，要么在那里，永远不会同时出现在两个地点。但这只会让谜团更加扑朔迷离。这些方程完美地运行着，然而它们似乎描述了这样一个世界，在那个世界里，当我们未观测之时，时空丧失了客观意义。因此，在量子力学确立几十年后，大多数物理学家仍然无法想象纠缠这种东西竟然是物理定律的真正基石也就不足为奇了。
“味道”之谜
萨维奇和洛等人的初期研究结果仍显得不够大胆，不足以克服这一阻碍。但去年3月的研究结果或许可以打破这一阻碍。粒子物理学的最大谜团之一是，自然界中的夸克和轻子等基本粒子为何有三种近似物(也称“味道”)，除了质量外，它们在各方面都是相同的。为什么是三种味道，而不是一种、四种或1000种？更重要的是，为何粒子有时会以一定的速度改变味道？美国麻省理工学院理论家杰西·塞勒说：“标准模型的味道难题是个执念。在所有的宇宙奥秘中，即便了解了暗物质，都不见得能了解味道。”
之前的纠缠研究结果激发了塞勒及其当时的同事索克拉蒂斯·特里菲诺普洛斯的兴趣，他们开始研究如何将纠缠最小化来影响夸克之间的味道转换或混合。他们认为，将纠缠最小化将使味道的对称性达到完美，也就是说，完全不会混合。实际上他们发现，在粒子对撞试验中，纠缠最小化的确导致了夸克之间的低水平混合。这一结果震惊了所有人。“有点匪夷所思，”洛说，“我不知道这是怎么回事，大家也不知道这是怎么回事。简直不可思议。”
塞勒和特里菲诺普洛斯的研究结果之所以如此令人不安，是因为数十年来，物理学家一直试图用对称性论点来解释观察到的味道混合，但均以失败告终。出于某种原因，纠缠抑制似乎给出了一个即时答案。塞勒自己也是百思不得其解。“纠缠和这一切有什么关系吗？”他问道，“谁又在乎它的价值？”
一种思路是将纠缠度与自然界的“量子性”联系起来。量子物理的规则应适用于一切事物。然而，事物或多或少是纠缠在一起的，其性质也或多或少相互依赖。如果世上存在更多纠缠，那么一切都将会是一碗混沌的量子汤，没有明显的原子结构，甚至压根没有任何可识别的物质。
很难想象人类如何在这样一个世界中生存，更不用说去感知了。我们所依赖的结构(原子、分子和恒星等)只存在于一个狭窄的稳定窗口期内。这让萨维奇想知道，宇宙是否特意调试，将纠缠维持在足够低的水平上，以使这种结构(甚至我们自身)得以存在。他说：“在某种程度上，这算不上是一种解释，但将我对这一切的不安程度降到了最低。”
这一想法与洛及其同事最近的另一项研究产生了共鸣，他们运用了一种更为精确的、测量系统偏离经典行为程度的方法，对粒子散射如何产生不同程度的量子“魔法”进行了计算。在深层次一直由量子力学支配的宇宙似乎更倾向于一个类似经典的结果，至少在电磁和弱力(弱力控制着放射性衰变)的相对强度方面是这样。
纠缠数学正日益引导着物理理论的方向。虽然传统弦理论(如今已被萨斯坎德等人完全抛弃)正在衰落，但许多弦理论的理论家已经抓住了一个新想法。在这个新想法中，弦可能根本不是实体，而是来自一个平坦世界的全息投影。在这个全息视图中，高维世界的光滑对称空间并不是实质性的，而是由低维量子领域的纠缠模式拼凑而成的。另一方面，英国南安普敦大学的伊薇特·富恩特斯等理论家已向世人展示了我们所熟悉的三维宇宙的几何结构是如何影响纠缠的。例如，他们的计算表明，宇宙大爆炸以来的时空膨胀可能增加了纠缠。
尽管这些观点说的都是一回事，但尚不清楚它们如何与标准模型中的纠缠抑制形成联系。纠缠及其能够穿越时空的神秘性，仍然令人难以理解。洛说：“这让我夜不能寐。”
终极答案？
关于纠缠是否是所有事物的终极答案，也存在着非常现实的怀疑。首先，最小纠缠与高对称性相契合并不一定能证明前者会导致后者。一些研究人员认为，也可能存在相反的情况。值得注意的是，在标准模型中，首先需要用对称性原理来定义粒子。没有对称，就没有粒子，也就没什么可纠缠的了。
越来越多的量子理论家对这种批评不屑一顾，认为这是老旧世界观的陈词滥调。对他们来说，物体是多余的，而现实(如果可以这样称呼的话)仅以藏在纠缠基本模式中的关联形式存在。尽管如此，许多人仍然坚持古人的智慧。“我认为诺特的成果是最美丽的定理，”富恩特斯说，“我不想放弃对称。”
的确，一直以来，对称的吸引力在于它与美的明显关联。对于古希腊雕刻家来说，美在于对称、和谐和正确的比例，它反映了神圣的宇宙秩序，比如为柏林旧博物馆塑造了祈祷男孩的雕刻家。历代科学家欣然传承了这一美的哲学。爱因斯坦和魏尔等人曾经工作过的美国普林斯顿高等研究院的印章上就有两个词：真与美。
当然，这种观察者眼中的美会随时代发生变化。一个有着理想化形式的古希腊雕塑，与亨利·摩尔艺术作品的空间抽象截然不同。同样，在科学方面，曾被认为是美学典范的托勒密完美圆形行星轨道最终也要让位于约翰内斯·开普勒的椭圆形轨道。
最小纠缠是否会取代对称成为指导原则，将取决于它在预测方面能否获得持续成功。例如，萨维奇希望它不仅能预测夸克味道的混合，还能解释为何味道一出现就是三种。至于它是否美丽，塞勒采取了务实的立场。他说：“根据定义，与实验相匹配的理论就是美的。”（编译/文怡）
