白兰地与物理

今天下班后，去了导师家里吃饭。
　　话说自从13年到14年的元旦后，就没见过导师了。
　　那次元旦导师叫我回学校，和学弟学妹们一起吃了一顿饭。
　　当时就知道，我之前的论文的后续，现在是由我的一个学弟在继续，作着很艰深的计算。
　　嗯，到这里有必要介绍一下我是做什么的。

我的本职领域，是理论物理。
　　具体说来，我研究的是宇宙学与粒子物理。
　　这个领域的名头很大，从最大到最小，都囊括了。
　　不过稍微懂行一点的人都知道，这个领域其实没想象中的大，甚至于比宇宙学或者粒子物理的任何一个领域都小——它是宇宙学的一个分支，也是粒子物理的一个分支，研究的是最基础物理的模型，这个模型可以解释宇宙学和粒子物理的某些特定问题——在这里，基本就是引力问题。
　　为何引力问题如此特殊？
　　这就需要扯一点历史了。

物理在上个世纪初迎来了两朵乌云，分别是原子模型和迈克莫雷实验。
　　为了解决这两朵乌云，分别诞生了量子理论和相对论。
　　而后前者统治着亚原子世界，后者统治者宇宙尺度的大范围。
　　接着就出现了最后也是最大的乌云——这两者不相容。
　　量子理论对引力无法量子化，一旦量子化就出现各种发散各种蛋疼，物理学家们用了几十年这个问题都误解，最后就是一个结论：统治亚原子世界的标准模型要修改。
　　于是我们就进入了超越标准模型的时代。
　　这是一个妖孽丛生的时代。
　　这里最有名的，就是超对称和弦论，以及两者的结合超弦，再来就是超弦的升级版M理论。这条路大家总应该是耳熟能详的了，TBBT反复播了好久了。
　　必须要说的是，超对称并不必然导致弦论，我们可以研究超对称的量子力学乃至超对称的量子场论。
　　弦论也并不必须超对称，我们可以研究26维的非超对称弦论。
　　只不过，这两者结合在一起，看起来是最舒爽的——空间只需要10维，超对称又能帮忙去掉各种发散，至少理论上大家是这么相信的。
　　PS一下：超对称如何去掉原本标准模型的数学计算中的那些要命的无穷大发散？就是通过“超对称伙伴粒子”，把原本的一个基本粒子变出来一个超对称伙伴，这货的作用就是用来精确抵消发散，于是两个无穷大相遇并抵消，我们得到了有限的结果。
　　这个性质怎么看都很迷人，于是一时间超弦火到爆。

大家想必也都知道，和超弦对着干的理论名叫圈量子。
　　这货在数学以及思路上都沿着和超弦完全不同的路走。我以前在百度贴吧写过三四篇极长的文章都是说这事的，现在我的号被百度封了，大家应该也都看不到了（当年搞中国大飞机航天计划的朋友以及中科院的不少朋友都说，百度贴吧的长文一律不看，除非是我写的）。
　　OK，跳过所有细节，反正圈量子从一条完全不同的旁门左道出发，居然也能得到很牛逼的结论。
　　当然，和超弦不同，圈量子只是一个引力理论，不过后期野心勃勃的圈圈们一起用力划圈圈，使得圈量子也成为了一门TOE——万物至理，也就是研究所有物质的理论。至此，圈圈和弦弦算是彻底杠上了。
　　两者的恩怨已经在很大程度上是非物理的了，这方面大家可以看圈圈的当家人之一Smolin写的书，非常怨念地以圈圈的立场介绍了弦弦是多么地反人道反物理。
　　反正，有人的地方就有江湖，有江湖的地方就有恩怨。

上面所有这些我们都按下不表，接下来看我和物理的故事。
　　圈圈和弦弦到底是否正确呢？
　　这事没人知道。
　　在人类有能力造出银河级别的对撞机之前，这事的答案没人知道。
　　事实上，这俩也不是终级物理的唯一候选人，在我毕业的时候还有另外两个：一个是标度相对论，一个是扭量场论，就是那个和霍金齐名的Penrose（写《皇帝新脑》与《通往实在之路》那个，也是霍金在黑洞领域的最大对手与伙伴，并被誉为“终结了经典相对论的男人”）所弄的理论，后来被法国人搞得非常玄乎。
　　候选人并不唯一，而我们的实验却完全不知道到底应该选谁。
　　这就是我们的理论物理的基本处境。

你说LHC？
　　呵呵，理论上说，要能完全在这四个理论中做出区分，我们需要的粒子对撞机的半径是银河系的半径。所以，你跟我说LHC？
　　不过，LHC也不是不重要，比如它以非常高的置信度告诉大家：和超对称相关的许多东西都是扯淡，是纯YY。
　　其中最应该哭晕在厕所的是大尺度额外维——这货我花了一年半研究。
　　Lisa Randull就是大尺度额外维最初模型的建立者，当年被誉为美女科学家，再次改变人类时空观的人。
　　理论上来说，大尺度额外维非常美，提供了无限的可能，并炸开了一道非常深的脑洞。
　　当得知LHC基本宣布了大尺度额外维的死刑后，我除了为这位美女时空大师感到惋惜，另一个反应就是感叹一句“上帝真可惜”。这么美的东西上帝居然不用，我真为上帝感到惋惜。
　　当然，这货的概念虽然美，但并不表示这货弄起来就轻松——据闻有一百多个完全无法被当前实验分辨的膜宇宙模型，每个都很有道理的样子，每个都不同，你除了活到宇宙终结就没有别的办法作出区分，于是大家只能集体哭晕在厕所。
　　其中最让人眼前一亮的就是“火宇宙模型”，两张膜作着简谐振动，然后相互撞击，每次相撞就是一次宇宙大爆炸——这一切你都能从方程中清晰地看出。
　　你还能想象出比这更劲爆更和谐更美的场景么？
　　和我们搞理论物理的人相比，所有写科幻小说的人都弱爆了。
　　当然了，到我的小说《星源·所谓计算，在天那方》中，这种计算就成了时空计算机的一个计算单元，制造亿万个时空并摧毁之的目的就是构造一个极大的计算阵列，而这个计算阵列则不过是为了获得极强的人工智能，然后大家就集体开脑洞吧。
　　当然，这并不就是我和物理之间的关系。

LHC基本宣布了很多超弦与M理论分支模型的死刑，大尺度额外维不过是其中之一。
　　中国的大型暗物质探测工程在几年的运行中，基本也否定了别的实验室模棱两可的关于暗物质的猜想——说白了就是说：你们过去关于暗物质的猜想，我告诉你们，都是瞎想。
　　那么，什么是暗物质？
　　这事就说来话长了。

前面说过，在上个世纪初的两朵乌云之后，我们发展了两个极牛逼的理论，随后发现这两个极牛逼的理论之间不相容。
　　这就是最大也是最后的乌云。
　　但，这句话并不完全正确，因为还有别的乌云，一样非常糟糕。
　　那就是关于宇宙的观测。
　　我们发现原本应该是高斯分布的微波背景辐射在宇宙巡天范围内不是高斯分布——这便是微波背景辐射的非高斯性问题。
　　我们还发现，比如我们的银河系这样的星系的旋转过程中，不同位置的星球的绕轴心旋转速度与理论计算不符——这便是星系旋转问题。
　　我们还发现了很多别的问题，比如超过理论极限的伽玛射线爆。
　　于是，我们发现，和实际天文观测相比，我们的理论就仿佛被打成了筛子。
　　为了解决各类问题，我们先后提出了暗物质与暗能量，并且不管是暗物质还是暗能量都有数十乃至数百种可能的模型，用来解释上述所有的问题。
　　所以，你以为暗物质和暗能量很牛逼？说白了就是发现理论和现实不符后给打上的狗皮膏药，所以至今人们都不知道这辆到底是什么玩意。
　　M理论通过超对称，猜测了若干种暗物质与暗能量的模型，但我们无法证实——而后超对称本身被LHC煽了个耳光。
　　无论是M理论还是圈量子，还是别的任何一个现代理论，对于什么是暗能量什么是暗物质都是一筹莫展。
　　可以给出理论猜测，但却只是猜测，无法被证实。
　　这便是我们的物理学的现状。

这还没完。
　　去年我导师去台湾参加华人物理会议，与一位台湾的理论物理前辈交流的时候听闻了一个很有趣的问题——爱丁顿疑难。
　　黑洞由于火墙效应，存在一个对普通物质的阻挠——任何带荷粒子在坠向黑洞的过程中，都会受到黑洞Uruh效应的作用，也即火墙效应的作用，被大量虚粒子所弹射，最终被迫被“弹飞”，离开黑洞。
　　这是一个概率问题，但至少说明：普通物质的粒子越接近黑洞，受到的阻挠越大。
　　但暗物质按照我们所有理论模型的理解，都不存在这个问题。
　　于是问题就来了——星系中央的大型黑洞理论上应该将暗物质吸收掉了很多，从而暗物质的整体分布不应该是现在的单峰形，而应该是墨西哥帽的造型。
　　这又是一个理论和实际的不符，而且基本无解。

让我们回忆一下，我们现在所面临的问题：
　　（广义）相对论和量子理论无法融合；
　　暗物质和暗能量无法解释；
　　爱丁顿疑难；
　　等等（比如理论的参数精调问题，人择问题，等等）。

因而，让我们假设一下——如果某个理论，不用特别复杂的假设（比如假设存在P膜，假设存在10维，假设各种假设），就能解释暗物质与暗能量，同时又能给出一个具有潜在希望的融合相对论与量子理论的方案，那是不是一项很牛逼的工作？
　　嗯，从某种意义上来说，这就是我的工作。

是不是感觉牛逼到爆？

我的工作，本质上基于前人的一个想法：加入时空不是Lorentz群对称的。
　　或者，用几何的话来说：加入时空不是黎曼微分几何所描述的。

先来插一句：为何相对论的时空是微分几何所描述的？
　　这是因为爱因斯坦所选择的一个基本理论假设，即广义协变性原理：时空的任何一个局部都同胚于一个平直闵氏空间。
　　当然，这里采用的是比较接近我们所需要的说法。
　　上述原理其实就是说：时空的每一个邻域都同胚于R4。
　　这就是微分几何。
　　但微分几何并不仅有黎曼微分几何。

从数学上来说，一个拓扑空间如果给定了一个微分结构，那么就成了微分流形；如果给定了一个度量结构，那么就是一个度量空间。
　　如果既有度量结构又有微分结构，那么就是某种特定的微分流形。
　　比如我们最常见的就是给定黎曼度量的微分流形，即黎曼微分流形。
　　但，我们事实上可以选择更宽泛的度量结构，这样我们所得到的就不是黎曼微分流形。
　　这便是Finsler微分几何。

这里的具体定义我们就略过吧。反正就是不同方向上的距离函数是长得不一样的，记住这点就行。
　　而黎曼度量，就是总可以通过一个坐标变换使得所有方向上的距离函数都长得一样。
　　所以很显然Finsler流形比黎曼流形更普适。
　　而我的工作，就是研究这样的时空结构应该长什么样。

物理就是这点好，只要前提条件有了，后面就是数学狂推的事了。
　　于是我用了一年的时间研究这个问题，结论就是：这货可以有近十种基本分类，其中对称性保持得最好的那个，计算方程是个怪兽；对称性保持最糟的那类，计算方程是怪兽中的怪兽，俗称超兽。。。
　　当然，除了吐槽还是有结果的。
　　每一类时空中的时空方程与场方程都有了，还计算了一类时空中的经典场的解。
　　本打算和伽玛射线爆做数据匹配，但那时由于种种原因，我进入了Gap Year，离开了物理界。

我的故事就到这里结束了。
　　不过我导师和我学弟学妹的故事还没有结束。

学弟学妹们过了极痛苦的一年多，因为完全不知道我到底是怎么算出来那些结果的…………
　　好吧，这段按下不表。

虽然说最后的结果并不如意，因为存在各种发散，但脑洞却还在。
　　于是我们的实现转到了之前我研究过但没有继续下去的另一个问题上——Einstein-Cartan理论。
　　单纯的广义相对论，从数学上来说，是无扰率的微分流形问题。
　　而Einstein-Cartan理论则是有扰率的微分流形问题，而且，很容易证明，这里时空的扰率与物质的自旋耦合。
　　因而，这个理论在微观领域就有了有趣的表现，但在宏观却还是和普通的广义相对论无异——因为在没有自旋的地方，扰率就为零。
　　现在，让我们在这个有扰率的微分流形上，将度量结构从黎曼度量拓展为一般度量，接着利用对称性破缺，也就是我所研究的那些结果来重构整个Einstein-Cartan理论，就发现了很多有意思的结果——
　　扰率可以在自旋将其生成后，脱离自旋而存在。
　　而且，这种扰率对时空的影响形式，很像某一类的暗物质与暗能量。
　　嘿嘿，明白了么？
　　我师弟计算了这种由于Lorentz对称破缺而产生的暗物质-暗能量效应，初步结果是虽然并不完全符合我们实际观测到的星体绕星系的旋转数据，但却比原来的模型好了很多很多——而且，这还仅仅是初步结果，我们有理由相信选择恰当的Lorentz对称破缺群或者恰当的物质时空分布下，能得到真实宇宙的结果。
　　这意味着，仅仅通过对称性破缺这一规范场论工作者熟悉到不能再熟悉的技巧，困扰我们多年的暗物质与暗能量问题就有望被解决。
　　还有子弹星系的理论解释，也可以通过不用暗物质与暗能量的方式来解释——当然，这部分导师还没让师弟师妹们去算。
　　而且，由于这里暗物质与暗能量本身就是引力的剩余效应，所以不与我们现在的任何实际观测矛盾。
　　因此，这个问题的解释就是：
　　Lorentz对称性实际上破缺了，但在微观只破缺了一点点，只有在星系级的大尺度上才能累计出宏观效应。于是这就解释了很多的问题，包括我们为何在地球上找不到暗物质与暗能量，这也就是中国那个大型观测平台的实验结果。

当然，理论到这里还没结束。
　　更加狂野的想法在于这里——
　　物理学家们上个世纪七十年代就证明了广义相对论可以写成规范场论那样的形式，其中的规范对称性为平移群。
　　于是，在上述引入扰率，引入Lorentz对称破缺之后，我们将广义相对论不再视为关于曲率的理论而改为关于平移群的规范理论（从底流形联络变成平移丛联络），那么时空就是四维平直时空，而非四维弯曲时空，所有的一切都是平移群与规范群所构成的丛的丛曲率问题，这样就又可以解决很多理论上的疑难。
　　总之，这里有很多内容可以做。

那么，宇宙是否可能真的仅仅是含有扰率的Lorentz破缺的四维时空呢？
　　没有超对称，没有弦，没有圈，没有暗物质暗能量，也没有各种理论上出现过的稀奇古怪的东西。
　　宇宙就是标准模型所描述的，只不过现在时空的对称性被破坏了。
　　就是这么简单的一件事，是否可能就是所有那些怪问题的终极根源呢？
　　我的师弟师妹们正在玩命地计算着。

所有的问题最后都归结为两点：
　　时空对称性破缺；
　　复杂到无法计算的数学。
　　想想就感觉好舒爽啊～～～

当然，这个理论也不是没有问题。
　　最大的问题，就是如何在Lorentz不破缺的微观局部，与Lorentz破缺的宏观宇宙之间，找到一个对称性自发破缺的机制。
　　当然，从某个角度来看，小时空区域对应高能，大时空区域对应低能，这是亚原子领域的常识，于是问题就成了：如何在高能对称性还在的情况与低能对称性破缺的情况之间建立联系。
　　这个问题本身对粒子物理领域来说不是个事，这是大家最常处理的问题。
　　但对于时空来说，这种仅仅是比喻与开拓思路级别的类推，并不足够。
　　如果这个问题能解决，大概，我们距离最后的清扫乌云，也就不远了。

现在想想，似乎回去继续做物理也不错的样子呢。。。。。。

最后来解释一下本文的标题。

今天去导师家吃饭，然后就和导师一起在喝白兰地，所以就有了这个标题。
　　是不是感觉知道以后反而很冷？

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