我t是最大的问题，也是最小的问题。
目前，物理学家有两本单独的规则书来解释大自然是如何运作的。还有广义相对论，它完美地解释了引力和它所支配的一切：绕轨道运行的行星、碰撞的星系、膨胀的宇宙作为一个整体的动力学。太大了。然后是量子力学，它处理其他三种力，电磁力和两种核力。量子理论非常擅长描述铀原子衰变或单个光粒子撞击太阳能电池时发生的情况。那很小。
现在的问题是:相对论和量子力学本质上是不同的理论，有着不同的公式。这不仅仅是一个科学术语的问题;这是对现实的真正不相容的描述的冲突。
物理学的两派之间的冲突已经酝酿了一个多世纪——由爱因斯坦1905年的两篇论文引发，一篇概述了相对论，另一篇介绍了量子——但最近它进入了一个有趣的、不可预测的新阶段。两位著名的物理学家已经在他们的阵营中确立了极端的立场，他们进行的实验可能最终决定哪一种方法是最重要的。
正如像素是屏幕上图像的最小单位一样，可能存在一个牢不可破的最小距离单位：一个量子空间。
基本上，你可以把相对论和量子系统的区分为“平滑”和“厚重”。在广义相对论中，事件是连续的和确定的，这意味着每一个原因匹配一个特定的，局部的影响。在量子力学中，亚原子粒子相互作用产生的事件以跳跃的方式发生(是的，量子跳跃)，其结果是有概率的，而不是确定的。量子规则允许经典物理学所禁止的联系。这在一个最近讨论的实验在该研究中，荷兰研究人员推翻了局部效应。他们发现两个粒子——在这个例子中是电子——可以立即相互影响，即使它们相距一英里。当你试图用厚实的量子模式来解释光滑的相对论定律，或者反之，事情就大错特错了。
当你试图将相对论缩小到量子大小，最终降至无穷大时，它给出的答案是荒谬的描述重力．同样，当你把量子力学放大到宇宙维度时，它也会遇到严重的麻烦。量子场携带一定的能量，即使是在看似空旷的空间里，能量的数量也随着场的增大而增大。根据爱因斯坦的理论，能量和质量是相等的(这是爱因斯坦的观点)E＝mc2)，所以积累能量就像积累质量。如果足够大，量子场中的能量就会变得如此之大，以至于产生一个黑洞，导致宇宙自身折叠。哦。
芝加哥大学(University of Chicago)的理论天体物理学家、费米实验室(Fermilab)粒子天体物理中心(Center for Particle Astrophysics)主任克雷格·霍根(Craig Hogan)正在用一种新的理论重新解释量子的一面，在这种理论中，空间的量子单位本身可能足够大，可以直接进行研究。与此同时，Lee Smolin，加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的创始成员，正试图通过回到爱因斯坦的哲学根源，并将其扩展到一个令人兴奋的方向，来推动物理学向前发展。
要了解什么是利害攸关的，回顾一下先例。当爱因斯坦公布广义相对论时，他不仅取代了艾萨克·牛顿的引力理论；他还提出了一种新的物理学观点，由此产生了大爆炸和黑洞的现代概念，更不用说原子弹和手机GPS所必需的时间调整了。同样，量子力学所做的远不止是重新表述詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的教科书《电、磁和光的方程》。它为大型强子对撞机、太阳能电池以及所有现代微电子技术提供了概念工具。
从这场争论中产生的可能不亚于现代物理学的第三次革命，其影响令人震惊。它可以告诉我们自然法则从何而来，宇宙是建立在不确定性的基础上，还是从根本上说它是确定性的，每个事件都与一个原因有明确的联系。
一个矮胖的宇宙
霍根是量子观点的拥护者，你可以把他称为“灯柱物理学家”:与其在黑暗中摸索，他更喜欢把精力集中在明亮的地方，因为在那里你最有可能看到有趣的东西。这就是他目前研究的指导原则。他指出，当你试图分析重力在极短距离内的作用时，相对论和量子力学之间就会发生冲突，所以他决定好好研究一下那里正在发生的事情。他说:“我敢打赌，我们可以做一个实验，也许可以看到一些我们仍然不了解的界面正在发生什么。”
爱因斯坦物理学中的一个基本假设，一个可以追溯到亚里士多德的假设，实际上是空间是连续的，是无限可分的，因此任何距离都可以被分割成更小的距离。但霍根质疑这是否真的是真的。他认为，正如像素是屏幕上图像的最小单位，光子是光的最小单位一样，也可能存在一个牢不可破的最小距离单位：量子空间。
在霍根的设想中，问引力在比一块空间小的距离上如何表现是毫无意义的。引力在最小的尺度上是不可能起作用的因为最小的尺度是不存在的。或者换句话说，广义相对论将被迫与量子物理学和解，因为物理学家测量相对论效应的空间本身将被分割成不可打破的量子单位。引力作用将在量子舞台上发生的现实剧场。
全息计将显示正确的方式（或排除错误的方式）来理解空间的基本量子结构。
霍根承认，他的概念听起来有点奇怪，甚至对他在量子方面的许多同事来说也是如此。自20世纪60年代末以来，一群物理学家和数学家一直在发展一个被称为弦理论的框架，以帮助调和广义相对论和量子力学;多年来，它已演变成默认的主流理论，尽管它未能兑现其早期的许多承诺。就像块空间解一样，弦理论假设了空间的基本结构，但从那里开始两者就分道扬镳了。弦理论认为，宇宙中的每个物体都是由振动的能量弦组成的。就像小块空间一样，弦理论通过引入一个有限的、最小的宇宙尺度来避免引力灾难，尽管单位弦比霍根试图找到的空间结构要小得多。
就这一点而言，大块空间并不完全符合弦理论的观点，也不符合任何其他提出的物理模型。“这是一个新想法。课本上没有;这不是任何标准理论的预测，”霍根说，听起来一点也不担心。“但是没有任何标准理论，对吧?”
如果他关于空间粗大的观点是正确的，那将推翻许多弦理论的现有公式，并激发一种用量子术语重新构建广义相对论的新方法。它将为理解空间和时间的内在本质提供新的方法。最奇怪的是，也许，它会支持熟悉的认为我们看似三维的现实是由更基本的二维单元构成的。Hogan严肃地看待“像素”这个比喻:他认为，就像电视画面可以通过一堆平面像素创造出深度的印象一样，空间本身也可以从一系列似乎只存在于二维空间的元素中产生。
就像当今理论物理学的许多前沿观点一样，霍根的推测听起来像是在大一新生宿舍深夜进行的哲学思考。让他们截然不同的是，他计划对他们进行一次艰难的实验测试。就像现在一样。
从2007年开始，霍根开始思考如何制造一种设备，可以测量太空中极其细微的颗粒度。事实证明，他的同事们有很多关于如何做到这一点的想法，他们利用了研究引力波的技术。两年之内，霍根就提出了一个建议，并与费米实验室、芝加哥大学和其他机构的合作者合作，建造一个块检测机器，他更优雅地称之为“全息计(这个名字是一个深奥的双关语，既指的是17世纪的一种测量仪器，也指的是二维空间可以变成三维的理论，类似于全息图。)
在其复杂的概念层次之下，全息仪在技术上只不过是一束激光，一个半反射镜将激光分成两个垂直光束，另外两个反射镜将这些光束沿一对40米长的隧道反射回来。光束经过校准，以记录反射镜的精确位置。如果空间是块状的，镜子的位置会不断地四处游荡（严格地说，空间本身也在游荡），从而在它们的分离中产生一种恒定的、随机的变化。当两个光束重新组合时，它们会稍微不同步，差异的大小会显示出大块空间的大小。
对于霍根希望找到的体积大小，他需要测量距离的精度达到10-18年米，大约比一个氢原子小1亿倍，以每秒1亿个读数的速度收集数据。令人惊讶的是，这样的实验不仅是可能的，而且是实用的。霍根说:“我们能够以相当低的成本完成这项工作，是因为光子技术的进步、大量现成零件、快速电子产品以及诸如此类的东西。”“这是一个相当投机性的实验，所以除非价格便宜，否则你不会这么做。”全息仪目前嗡嗡作响，以目标精度收集数据;他预计在今年年底会有初步的读数。
霍根也有一些强烈的怀疑论者，其中包括理论物理学界的许多人。分歧的原因很容易理解:全息仪的成功将意味着弦理论的许多工作的失败。尽管存在这些表面上的争论，但霍根和他的大多数理论家都有一个深刻的核心信念:他们普遍认为，广义相对论最终将被证明是量子力学的附属。其他三个物理定律遵循量子规则，所以重力也必须遵守。
然而，对于今天的大多数理论家来说，对量子力学至高无上的信念更加根深蒂固。在哲学认识论层面上，他们把经典物理学的大规模现实视为一种错觉，一种从极小尺度上运行的量子世界的更“真实”方面浮现出来的近似。大块空间显然符合这种世界观。
霍根将他的项目比作19世纪具有里程碑意义的迈克尔逊-莫利实验，该实验寻找的是以太——根据当时的主流理论，以太是一种通过真空传输光波的假想空间物质。实验没有发现任何结果；这一令人困惑的零结果启发了爱因斯坦的狭义相对论，狭义相对论又催生了广义相对论，并最终颠覆了整个物理学世界。除了历史上的联系，迈克尔逊-莫利实验还使用镜子和分束光测量了空间结构，其设置与霍根的非常相似。
霍根说：“我们正是本着这种精神来做全息仪的。如果我们看不到什么东西，或者我们确实看到了什么东西，无论哪种方式，这都是有趣的。做这个实验的原因只是为了看看我们是否能找到指导理论的东西。”。“你可以通过理论家同事对这个想法的反应来了解他们是由什么组成的。那里有一个非常数学化的思维世界。我希望能有一个实验结果，迫使人们将理论思维集中到不同的方向。”
无论霍根能否找到他的空间量子结构，他都相信全息仪将帮助物理学解决大大小小的问题。它将显示正确的方法(或排除错误的方法)来理解空间的量子结构，以及它如何影响通过它的相对论引力定律。
一场非常非常盛大的演出
如果你正在寻找一个完全不同的方向，周界研究所的斯莫林是你的人。霍根温和地反对，而斯莫林则完全反对:“当我还是研究生时，理查德·费曼(Richard Feynman)告诉过我一件事。他大概是这样说的:如果你所有的同事都试图证明某件事是正确的，但都失败了，那可能是因为那件事不是正确的。’好吧，弦理论已经发展了四五十年，却没有明确的进展。”
而这只是一个更广泛批评的开始。斯莫林认为，物理学的小规模方法本质上是不完整的。量子场论的当前版本很好地解释了单个粒子或小粒子系统的行为，但它们没有考虑到一个有意义的宇宙整体理论所需要的东西。他们没有解释为什么现实是这样的这而不喜欢别的东西。用斯莫林的话来说，量子力学仅仅是“宇宙子系统的理论”。
如果你曾经觉得自己想成为某件大事的一部分，这就是适合你的物理学。
他建议，一条更富有成效的道路是把宇宙视为一个巨大的系统，并构建一种新的理论，可以应用于整个事物。我们已经有了一个理论为这种方法提供了一个框架：广义相对论。与量子框架不同，广义相对论不允许外部观测者或外部时钟的存在，因为没有“外部”。相反，所有现实都是根据物体之间和空间不同区域之间的关系来描述的。即使是像惯性这样基本的东西（汽车在被发动机强迫之前的运动阻力，以及在你把脚从加速器上移开后继续运动的趋势）也可以被认为与宇宙中其他粒子的引力场有关。
最后一句话很奇怪，暂时停下来仔细考虑一下是值得的。思考一个思想问题，与1907年初爱因斯坦领导这个思想密切相关。如果宇宙除了两个宇航员外都是空的呢。其中一个在旋转，另一个静止不动。旋转的人在太空做侧手翻时感到头晕。但是这两个中的哪一个在旋转呢？从两个宇航员的角度来看，另一个是旋转的。爱因斯坦认为，如果没有任何外部参照，就无法判断哪一个是正确的，也没有理由认为一个人应该感受到与其他人不同的效果。
只有当你重新介绍宇宙的其他部分时，这两位宇航员之间的区别才有意义。那么，在广义相对论的经典解释中，惯性的存在只是因为你可以在整个宇宙引力场中测量它。在这个思考问题中成立的道理对现实世界中的每一个物体都成立:每个部分的行为都与其他部分的行为密不可分。如果你曾经觉得你想成为一件大事的一部分，那么，这就是适合你的物理。斯莫林认为，这也是一种很有前途的方法，可以在各个尺度上获得关于自然如何真正运作的更大答案。
“广义相对论不是对子系统的描述。它把整个宇宙描述成一个封闭的系统。因此，当物理学家试图解决相对论和量子力学之间的冲突时，对他们来说，追随爱因斯坦的脚步，尽可能扩大研究范围，似乎是一个明智的策略。
斯莫林敏锐地意识到，他正在推动对小规模、量子式思维的普遍投入。他和蔼地说：“我不是想挑起事端，只是有点像这样。我的职责是清楚地思考这些困难的问题，把我的结论公布出来，让尘埃落定。”。“我希望人们能参与到这些争论中来，但我真的希望这些争论能带来可验证的预测。”
乍一看，Smolin的想法似乎是具体实验的一个可怕的起点。他认为，就像宇宙的所有部分通过空间联系在一起一样，它们也可能通过时间联系在一起。他的论点使他假设物理定律是随着宇宙的历史而演化的。多年来，他就如何实现这一目标提出了两项详细的建议。他在20世纪90年代提出了宇宙学自然选择理论，认为黑洞是孕育新宇宙的宇宙蛋。最近，他对量子力学定律的出现提出了一个具有争议性的假设，称为优先的原则-而这个似乎更容易接受考验。
斯莫林的优先原则是对为什么物理现象是可复制的问题的回答。如果您执行一个以前已经执行过的实验，您期望结果将与过去相同。(划一根火柴，它就会燃烧起来;用同样的方法再划一根火柴，你就明白了。)可再生性是生命中非常熟悉的一部分，我们通常甚至不会去想它。我们只是简单地将一致的结果归因于在任何时候都以相同方式运行的自然“法则”的行为。Smolin假设，这些定律实际上可能会随着时间的推移而出现，因为量子系统复制了过去类似系统的行为。
一种可能的方法是通过运行一个以前从未做过的实验来捕捉这种行为的出现，因此没有过去的版本（也就是说，没有先例）可以复制。这样的实验可能涉及创建一个高度复杂的量子系统，其中包含许多存在于新纠缠态中的成分。如果优先原则正确，系统的初始响应基本上是随机的。然而，随着实验的重复，优先级逐渐提高，反应也应该变得可预测……理论上。斯莫林承认：“宇宙建立先例的系统很难与实验实践的噪音区分开来，但这并非不可能。”
虽然优先级可以在原子尺度上发挥作用，但它的影响将是整个系统的、宇宙的。这与斯莫林的观点有关，即小规模的简化主义思维似乎是解决大难题的错误方法。把这两种物理理论结合在一起，虽然很重要，但也不够。他想知道的是——我们都想知道的是——为什么宇宙是这样的。为什么时间是向前而不是向后的?我们是怎么来到这里的，有这些定律和这个宇宙，而不是其他一些定律?
目前对这些问题缺乏任何有意义的答案，这表明“我们对量子场论的理解存在严重错误，”斯莫林说。和霍根一样，他更关心的是寻求基本真理这个更大的计划，而不是任何一个实验的结果。对Smolin来说，这意味着能够讲述一个完整、连贯的关于宇宙的故事;这意味着可以预测实验，也可以解释原子、行星、彩虹和人类的独特属性。在这里，他再次从爱因斯坦那里获得灵感。
“广义相对论的教训，一次又一次，是关系主义的胜利，”斯莫林说。获得重大答案的最有可能的方法是与整个宇宙进行接触。
获胜者是…
如果你想在这场大小辩论中选出一位裁判，你很难比加州理工学院宇宙学、场论和引力物理学专家肖恩·卡罗尔做得更好。他了解相对论，了解量子力学，他有一种健康的荒谬感：他称自己的个人博客荒谬的宇宙．
卡罗一开始就把大部分分数都给了量子一方。“我们大多数人都相信量子力学比广义相对论更为基础，”他说。自20世纪20年代以来，这一直是主流观点，当时爱因斯坦试图在量子理论违反直觉的预测中找到缺陷，但多次失败。最近，荷兰的一个实验证明了两个相隔很远的粒子之间的瞬时量子联系——爱因斯坦曾嘲笑这类事件为“幽灵般的远距离作用”——只是强调了证据的力度。
无论这些理论如何动摇，大规模是不可避免的重要，因为这是我们居住和观察的世界。
从更大的角度来看，真正的问题不是广义相对论和量子场论，Carroll解释说，而是经典动力学和量子动力学。尽管相对论被认为很奇怪，但它在因果关系方面是经典的;量子力学绝对不是。爱因斯坦乐观地认为，一些更深入的发现将揭示隐藏在量子力学之下的经典的、决定论的现实，但目前还没有发现这样的秩序。幽灵般的远程行动的现实证明，这种秩序并不存在。
“如果有的话，人们低估了量子力学完全抛弃了我们的空间和局部性概念(物理事件只能影响其直接环境的概念)的程度。这些东西在量子力学中根本不存在，”卡罗尔说。它们可能是从非常不同的小尺度现象中产生的大尺度印象，就像霍根关于从二维空间量子单位中产生的三维现实的论点。
尽管表面上支持霍根，卡罗尔认为霍根的全息仪是一个遥远的目标，尽管他承认这是他的研究领域。另一方面，他并不认为斯莫林将太空作为一种基本事物的努力有多重要;他认为这种想法是荒谬的，就像试图论证空气比原子更基本一样。至于什么样的量子系统可能会把物理学带到下一个水平，卡罗尔对弦理论仍持广泛乐观态度，他说，弦理论“似乎是量子场论非常自然的延伸。”在所有这些方面，他都忠于现代物理学的主流，基于量子的思想。
然而，卡罗尔的裁决虽然几乎完全支持量子，但并不完全是对小规模思维的认可。在量子理论能够解释的方面仍然存在巨大的差距。“我们无法找出量子力学的正确版本是令人尴尬的，”他说。“当你试图思考宇宙学或整个宇宙时，我们目前对量子力学的思考方式是完全失败的。我们甚至不知道时间是什么。”霍根和斯莫林都赞同这种观点，尽管他们不同意如何回应。卡罗尔赞成一种自下而上的解释，即时间是从小规模的量子相互作用中产生的，但他宣称自己对斯莫林关于时间更普遍、更基本的竞争观点“完全不可知论”。那么，就时间而言，陪审团还没有出来。
无论理论如何动摇，大尺度不可避免地是重要的，因为它是我们居住和观察的世界。从本质上说，宇宙作为一个整体才是答案，物理学家面临的挑战是找到办法让它从他们的方程中跳出来。即使霍根是对的，他的空间块也必须平均到我们每天所经历的平滑现实。即使斯莫林是错的，也有一个具有独特性质的整个宇宙需要解释，至少目前量子物理本身无法解释。
霍根和斯莫林通过突破理解的界限，帮助物理学领域建立了这种联系。他们不仅在推动量子力学和广义相对论之间的和解，而且在观念和感知之间的和解。下一个伟大的物理学理论无疑将带来美丽的新数学和难以想象的新技术。但它所能做的最好的事情是创造出更深层的意义，并将其与现实联系起来我们他们将自己定义为宇宙的基本尺度。
科里·s·鲍威尔(Corey S. Powell)是漫长的时期，在逃编辑发现在质子和星系之间的中间尺度。他经常出现在推特上：@coreyspowell
本文最初发表于2015年10月的《Scaling》杂志。
