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聖巴巴拉—諾貝爾獎得主物理學家大衛·格羅斯兩週前在加州理工學院的一次講座中沉思道：“也許我們只是太笨了。” 當一位像他這樣級別的人懷疑物理學的統一是否會永遠超出凡人的理解能力時，這會讓你感到擔憂。（他接著解釋了他為什麼認為我們並不太笨。）自從他的講座以來，我一直在學習一個理論，這個理論起初似乎證實了這種擔憂。它太荒謬地難以理解了，以至於它可能成為洋蔥新聞的惡搞題材。但與此同時，我一直在觀察物理學家們如何努力克服他們的恐懼，因為這個理論有望在深刻的層面上提供一種理解空間和時間真正本質的新方法。
這個理論是俄羅斯物理學家米哈伊爾·瓦西里耶夫和已故的莫斯科列別捷夫研究所的葉菲姆·弗拉德金在20世紀80年代後期提出的，但它在數學上過於複雜，在概念上過於晦澀，以至於每當有人提起它時，大多數理論家就開始談論天氣、足球、真人秀——除了那個理論之外的任何事情。直到最近幾年，當一些熱衷於解決不可能問題的數學奇才深入研究並表明這個理論並非不可能掌握，而只是幾乎不可能掌握時，它才成為禮貌交談的話題。
受到他們勇氣的鼓舞，我打算嘗試解釋這個奇怪的野獸，綜合了我參加的斯坦福大學的史蒂夫·申克、哈佛大學的安迪·斯特羅明格和普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西那的講座，以及與卡弗裡理論物理研究所的喬·波爾欽斯基和愛丁堡大學的瓊·西蒙的非正式談話。如果我理解有誤，我相信他們會糾正我，我會編輯這篇博文以反映我收到的評論。
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瓦西里耶夫理論（為了簡潔起見，物理學家們省略了弗拉德金的名字）將現代物理學的基本思想推向了極端：我們周圍的世界由場組成——電場和磁場，以及代表已知自然力和物質型別的少數其他場。瓦西里耶夫理論假設存在無限多的場。它們以越來越複雜的形式出現，由量子力學中的自旋特性來描述。
自旋最好被認為是旋轉對稱的程度。電磁場及其相關的粒子光子具有自旋1。如果您將其旋轉360度，它看起來和以前一樣。引力場及其相關的粒子引力子具有自旋2：您只需要將其旋轉180度。已知的物質粒子，例如電子，具有自旋1/2：您需要將它們旋轉720度才能恢復到它們原來的樣子——這種違反直覺的特性恰好解釋了為什麼這些粒子會抵抗聚集，從而賦予物質完整性。希格斯場具有自旋0，無論您如何旋轉它，它看起來都一樣。
在瓦西里耶夫理論中，還存在自旋5/2、自旋3、自旋7/2、自旋4，一直到無窮。物理學家過去認為這是不可能的。這些更高自旋的場，由於更對稱，將暗示類似於能量守恆的新自然定律，並且任何兩個物體都永遠無法在不違反其中一條定律的情況下相互作用。自然的運作會像一個過度管制的經濟體一樣停滯不前。乍一看，作為完全統一的自然理論的領先候選者，弦理論違反了這一原則。像被撥動的吉他弦一樣，基本量子弦具有無限多的高次諧波，這些高次諧波對應於更高自旋的場。但是，這些諧波帶有能量成本，這使得它們保持惰性。
瓦西里耶夫和弗拉金表明，上述推理僅在引力微不足道且時空不彎曲時才適用。在彎曲的時空中，更高自旋的場仍然可以存在。也許過度監管並不是那麼可怕的禍害。
事實上，這可能是一件好事。更高自旋的場有望充實全息原理，這是一種解釋空間和引力起源的方法。假設你有一個假想的三維時空（兩個空間維度，一個時間維度），其中充滿了僅透過增強版的強核力相互作用的粒子；沒有引力。在這種情況下，物體的行為方式可以非常結構化。給定大小的物體只能與大小相當的物體相互作用，就像物體只有在空間上相鄰時才能相互作用一樣。大小與空間位置的作用完全相同；您可以將大小視為空間的一個新維度，從粒子相互作用中顯現出來，就像彈出式書中的圖形一樣。原來的三維時空成為四維時空的邊界，新維度表示與此邊界的距離。不僅空間維度出現，引力也出現。在行話中，三維時空（邊界）中的強核力“對偶”於四維時空（本體）中的引力。
正如馬爾達西納在20世紀90年代後期提出的那樣，全息原理描述了一個暗能量具有負密度的本體，將時空彎曲成所謂的反德西特幾何。但這僅僅是理論家的遊樂場。在真實的宇宙中，暗能量具有正密度，對應於德西特幾何或其某種近似值。將全息原理擴充套件到這種幾何是困難的。四維德西特時空的邊界是位於無限未來的三維空間。在這種情況下，出現的維度不是空間維度而是時間維度，即使是理論物理學家也很難理解。但是，如果他們成功地為德西特幾何構建一個版本的全息原理，它不僅適用於真實的宇宙，還將解釋時間的真正含義。對時間缺乏理解是當今基礎物理學中幾乎所有深層問題的根源。
這就是瓦西里耶夫理論的用武之地。它在反德西特幾何或德西特幾何中都有效。在前一種情況下，相應的3-D邊界由簡化版的強核力而不是增強版的強核力控制。透過咬緊牙關並接受幾乎無法理解的瓦西里耶夫理論，物理學家實際上最終減輕了他們的任務。在德西特情況下，相應的3-D邊界由一種時間不執行的場論控制；它是靜態的。該理論的結構產生了時間維度。更重要的是，時間的出現方式本質上是不對稱的，這可能解釋了時間箭頭——它的單向性。
情況變得更好了。通常，全息原理可以解釋一個維度的出現，而其他維度則無法解釋。但是瓦西里耶夫理論可能會給你提供整套工具。更高自旋的場具有比引力場更高的對稱度，而引力場的對稱度已經很高了。更高的對稱性意味著更少的結構。引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，認為時空就像橡皮泥。瓦西里耶夫理論說它更像橡皮泥，結構太少，無法履行其最基本的功能，例如定義一致的因果關係或保持遙遠物體彼此隔離。
換句話說，瓦西里耶夫理論比廣義相對論更非線性。物質和時空幾何結構如此徹底地交織在一起，以至於無法將它們分開，並且我們通常將物質視為存在於時空中的影像變得完全站不住腳。在瓦西里耶夫理論統治的原始宇宙中，宇宙是一個無定形的斑點。隨著更高自旋的對稱性被打破——例如，隨著量子弦的高次諧波的運動成本過高——時空整體地出現了。
也許瓦西里耶夫理論如此複雜並不奇怪。對空間和時間本質的任何解釋都註定令人望而生畏。如果物理學家們真的能理解它，我預測他們會忘記它曾經有多麼困難，並開始把它作為家庭作業給他們的學生。