谢选骏：广义相对论和粒子物理学是所有科学中最糟糕的预测

《所有科学中最糟糕的预测（《硬科学》—2023年9月10日）报道：

在预测空旷空间的能量时，两种主要理论的分歧为100五分之一。

关键要点——现代物理学的两个基础理论，广义相对论和粒子物理学的标准模型，对真空的能量做出了截然不同的预测。 两种理论之间的预测相差 100 googol五分之一（即 1 后面跟120个零）。有几种理论旨在调和这种明显的差异，但没有已知的解决方案。

本文是关于物理学中最大问题的系列文章中的第一篇。

一个成功的科学理论是做出精确和准确的预测的理论。当两种不同的理论做出相互一致的预测时，科学家们会更高兴。因此，当物理学家用他们最好的两个理论来预测最简单的可能量时，他们有点懊恼，结果是他们意见分歧很大，以至于通常被称为“科学史上最糟糕的预测”。

空的空间，嗯，空的。不包含任何东西，似乎计算空白空间的能量很简单，预测将为零。但是，这种期望是不正确的。

这两种理论结合起来，是所有现代物理学的基础，被称为广义相对论和粒子物理学的标准模型。广义相对论描述了引力的行为，适用于宇宙中的大型结构。相比之下，粒子物理学的标准模型用于解释所有其他力，并控制着非常小的量子世界。

这两种理论都可以应用于空白空间。那么，当这两个理论被用来计算真实真空的能量密度时会发生什么？

广义相对论的观点

爱因斯坦的广义相对论讨论了空间本身的形状和运动。一个世纪以来，我们都知道宇宙正在膨胀，描述宇宙演化的理论被称为大爆炸。基本上，该理论认为宇宙曾经更小，并且某些东西导致膨胀开始。

鉴于重力是一种吸引力，这意味着在膨胀开始后，这种膨胀会减慢。为什么？因为宇宙中的所有物质都吸引了所有其他物质。

因此，1998年，研究宇宙演化的研究人员发现，宇宙不仅在膨胀，而且膨胀也在加速，这是非常令人惊讶的。发生这种情况的唯一方法是，如果空间具有与之相关的小而独特的能量。如果能量是正确的类型，它会导致一种排斥形式的重力。研究人员称这种排斥引力为“暗能量”，他们可以计算出需要多少暗能量来解释观察到的宇宙演化。这种能量非常小 - 相当于每立方米空间中四个氢原子的能量。

量子力学的观点

那么，标准模型是否预测了空间能量，如果是，如何预测？

标准模型表示，所有空间都充满了各种场。当这些场以某些方式振动时，量子世界的粒子就会出现——电子、夸克等。然而，即使场是静止的 - 名义上处于静止状态 - 仍然存在持续的残留“嗡嗡声”，在具有一系列波长的场中具有微小的瞬态振动。因为在量子世界中，粒子和波是一回事，这意味着空白空间包含短暂粒子的混沌混合物，这些粒子基本上是立即出现和消失的。各种场的这种最低能量状态称为零点，它们所包含的能量称为“零点能量”。

要计算量子世界的零点能量，请将所有量子波的效应相加。原则上，没有最小波长，因此您将越来越短的波加起来。因为短波长意味着高能量，这意味着增加越来越高的能量。极端地说，你可以将近零的波长与近乎无限的能量相加——但我们知道，标准模型最终会在非常高的能量下失效，所以你只会将能量加起来到某个最大值（因此，只加到某个最小波长）。

在计算中究竟应该使用什么最大能量是一个理论上有争议的问题，但大多数科学家都认为标准模型适用的绝对最高可能能量称为普朗克能量。如果在计算中使用该能量作为截止值，则计算出零点能量非常高。能量密度相当于将整个可见宇宙压缩成一立方米的100万亿倍的质量。

所有科学中最糟糕的预测

实际上，通过这个简单的计算，标准模型预测的能量密度约为10120广义相对论预测的时代。这是一个1 后跟 120个零。这种差异无疑赢得了“所有科学中最糟糕的预测”的称号。

因素 10120是最坏的情况。已经提出了未经证实的理论来改善这种情况。例如，如果一个叫做超对称性的理论被证明是正确的，那么分歧“只是”10的倍数。60.

当发生如此大的分歧时，一个或两个理论都出了问题。我们目前的理论理解仍然可能是错误的，但广义相对论很好地描述了宇宙，标准模型在量子水平上做得很好。只有当两者进行比较时，才会出现问题。

一些潜在的解决方案

有哪些建议的解决方案？嗯，有很多。例如，一种解释源于标准模型假设没有最小空间单位的事实。这意味着您可以想象的最小体积可以在永无止境的系列中分成更小的单元。但是，如果有一个最小的空间单位——实际上是空间的“原子”呢？如果这是真的，那么这将改变计算，在这种情况下，宇宙和量子能量之间的分歧可以消失。

另一个想法是，我们被自己的感官愚弄了。当我们体验周围的世界时，我们似乎在三个空间维度上移动。如果空间还有其他维度，那么这将从根本上改变我们的引力理论，这意味着量子计算（目前在三维空间中进行）是错误的。

虽然最终的答案是未知的，但似乎更有可能的是，问题出现在我们对极小世界的理解中。毕竟，如果标准模型预测是正确的，宇宙就会膨胀得如此之快，以至于恒星、星系和人类永远不会存在。

但奥秘就是谜。一个简单的事实是，研究人员不知道为什么我们对宇宙和量子世界的理论会做出如此不同的预测。尽管经过数十年的努力，一些最聪明的科学头脑仍然没有找到答案。我们只需要等到未来的那一天，当有人解决这个宇宙难题并进入物理学传奇的万神殿时。

谢选骏指出：广义相对论和粒子物理学为何是所有科学中最糟糕的预测？因为它们两者的结论完全不同，必然有一个是错的，而在最终结论出来之前，这两个假设都可能是错的。

《“QBism”：有史以来对量子力学最激进的解释》（亚当·弗兰克）报道：

对量子力学的一种相对较新的解释要求我们重新构想科学本身的过程。

橙色和黄色花朵的分形图像。

量子力学尽管是物理学中最强大的理论，但它呈现出一幅复杂的图景，往往违背常识，充满悖论。 “QBism”或“量子贝叶斯主义”提供了对量子物理学的激进解释，表明量子态不是客观现实。 相反，这种解释假设量子态反映了我们对量子世界的主观理解和相互作用。

量子力学是物理学家发展起来的最有力的理论，没有意义。我这句话的意思是，量子力学——它是为了描述分子、原子和亚原子粒子的微观世界而开发的——让用户对它所描述的内容没有常识性的了解。对于大多数科学家来说，量子物理学充满了看似悖论和谜题的东西，它需要一种解释：一种通过具体描述世界上存在的东西以及我们如何与之相互作用来理解其数学形式主义的方法。不幸的是，一个世纪后，人们提出了不是一个而是一篮子的“量子解释”。哪一个是正确的？哪一个最清楚地理解量子物理学在过去100年里一直试图告诉我们什么？

鉴于这些问题，我开始了一个系列，探索所有量子解释中最激进的，我认为正确的解释，或者至少指向正确的方向。这是一个相对较新的场景，所以你可能没有听说过它。但它最近引起了很多关注，因为它不仅要求我们重新想象我们如何看待原子科学;它要求我们重新构想科学本身的过程。

术语“QBism”是“量子贝叶斯主义”的简写，当时这个想法/理论/解释在1990年代末和2000年代初首次提出。这个名字一针见血，因为“贝叶斯主义”是一种解释概率的激进方式。贝叶斯主义的方法与你在学校学到的关于掷硬币和掷骰子以及特定结果出现的频率有很大不同。由于概率是量子力学的核心，QBism专注于量子形式主义的一个关键方面——其他解释已经错过或扫地出门——因为它直接关注我们如何解释概率。我们将在本系列中深入挖掘所有这些内容，但由于今天的专栏应该是介绍，让我们从 10,000 英尺的视角开始，了解伟大的“量子解释战争”的利害关系，以便我们了解 QBism 适合的位置。

量子物理学与其经典物理学前身最根本的背离是它对所谓“状态”的处理。为了明确起见，让我们考虑一个物质粒子。传统上，粒子的状态是指它的位置和动量（想想“速度”）。在经典物理学中，我们也有“动力学”方程，如牛顿定律，它描述了粒子的位置和动量（状态）如何随时间变化。在这种观点中，状态被认为是粒子独立于其他任何东西（如对粒子进行测量的人）具有的属性。属性是自存的和“客观的”。此外，经典物理学认为粒子在任何时刻都可以具有一种状态，只有动力学方程才能确定该状态如何变化。客观状态和动力方程规则是经典物理学的全部内容。

然而，量子力学中的情况却大不相同。量子态可以“叠加”，这意味着粒子可以同时具有许多位置和动量值（就像咖啡杯同时在很多地方一样）。更糟糕的是，量子力学动力学方程（称为薛定谔方程）并没有永远描述粒子。相反，正是在进行测量的那一刻，薛定谔方程得到了粉红色的滑动。在那一刻，状态不是通过确定性动力学方程确定的，而是通过所谓的玻恩规则及其对叠加状态下不同结果的概率规范来确定的。

许多量子解释都因这种情况而惊恐地退缩了。他们的目标是试图保留经典的观点，其中物理方程有点像“上帝心中的思想”。这些解释对量子态（包括其叠加态）采取了本体论的观点。量子态是真实的。它“在那里”，作为现实世界中的真实事物，独立于我们。但考虑到叠加态，这种本体论承诺是要付出代价的：将零证据的东西添加到宇宙中，例如每次进行量子测量时平行宇宙都会分裂。平行宇宙对于科幻电影来说听起来很酷，但实际上，它们为坚持经典物理学的形而上学偏好而付出了高昂的代价。

一个激进的结论

QBism采取了完全不同的立场。它着眼于量子力学的发明者被迫做出的改变，并得出了一个真正激进但也完全冷静的结论：量子态及其同时叠加的可能性并不是自己存在的东西。状态不是粒子作为属性“拥有”的东西，就像房子具有被漆成蓝色的属性一样。相反，量子态是关于我们对世界的知识。它们是编码我们与粒子相互作用的描述。QBism会说这不是粒子的状态——这是你关于粒子的状态。QBism不是以本体论（一个关于独立于我们的基本存在的东西的故事）为导向，而是以认识论（一个关于我们对世界的信息的故事）引领。这种变化使一切变得不同。通过拒绝强迫不惜一切代价保留经典物理学预先包装的旧哲学，QBism不必强迫我们接受关于平行现实（或其他此类不可观察的“实体”）的科幻故事进入科学。相反，QBism以经验为主导。它问，当人类进行量子物理学时，实际上会发生什么？

QBism给出的答案既激进又平凡。通过摆脱不可能的（和矛盾的）上帝对宇宙的看法，QBism将人类直接置于科学事业的中间。通过这种方式，我相信，它“得到”了量子力学自一个世纪前发明以来一直试图告诉我们的东西。做物理不是为了获得一些神话和至高无上的视角，而是看着受试者（像你和我这样的人）获得关于世界的知识。更重要的是，比这种神话般的最高观点更令人兴奋的是，真正理解量子力学意味着理解我们和世界如何总是作为一个不可分割的整体交织在一起。解开这种观点是QBism雄心勃勃的研究计划的核心，也是我们将在本系列进行时解开的内容。

实验告诉我们，量子纠缠无视空间和时间。

“什么都没有”不存在。取而代之的是“量子泡沫”

当你将不确定性原理与爱因斯坦著名的方程结合起来时，你会得到一个令人兴奋的结果：粒子可以来自无中生有。

谢选骏指出：粒子量子可以来自无中生有——因此广义相对论和粒子物理学不仅可能是所有科学中最糟糕的预测，而且也可能仅仅是“碳基生物的颤栗和呻吟”。