第333章 学分是什么?能吃吗?秦教授课堂的“常驻嘉宾”!

这里正在进行的,是物理系理论物理方向研究生的核心专业必修课——《高等量子场论》。

这门课,以其概念之抽象、数学之艰深、以及对物理图像理解要求之极致而着称,是所有理论物理研究生的“噩梦”与“圣杯”并存的存在。能够完整地听懂并掌握这门课的精髓,基本上就意味着,你已经拥有了在理论物理这个“神仙打架”的领域里,勉强混口饭吃的资格。

授课的,是国内量子场论领域的泰山北斗,中科院院士,燕京大学物理学院的镇院之宝——王之昂教授。

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王之昂教授年近八旬,须发皆白,但精神矍铄,目光炯炯,讲起课来依旧是声如洪钟,底气十足,思路清晰得如同计算机程序,时不时还会从那些枯燥的公式和概念中,引申出一些关于科学哲学、宇宙人生、乃至……“如何才能在科研的道路上保持发量”的充满人生智慧的“金句良言”,深受一代又一代物理系学子们的爱戴与敬仰。

此刻,王之昂教授正讲到量子电动力学(QED)中的一个核心,也是最令人头疼的概念——重整化(Renormalization)。

“……所以,同学们,我们必须清醒地认识到,在量子场论的框架之内,发散,是不可避免的,是如同幽灵般与生俱来的!无论是由于在高能区(紫外区)虚粒子贡献而导致的紫外发散,还是由于在低能区(红外区)软光子或零质量粒子发射而导致的红外发散,它们都像一根根尖锐的刺,深深地扎在每一个试图用量子场论来精确描述我们这个世界的理论物理学家的心中,让我们夜不能寐,食不知味!”

“而重整化,就是我们这些可怜的物理学家们,在面对这些‘无穷大’的狰狞面目时,所能祭出的最强大,也是最……嗯,最‘流氓’的武器!它允许我们通过一系列看似‘不讲道理’、‘暗箱操作’、甚至有点‘自欺欺人’的数学技巧——例如引入一个临时的截断能标、或者进行解析延拓、或者干脆就是‘我不要你觉得,我要我觉得,这个无穷大它就是个有限的常数’——将这些令人抓狂的无穷大发散项,巧妙地、不露痕迹地‘隐藏’或者说‘打包吸收’到那些我们从实验上无法直接测量的‘裸’质量、‘裸’电荷、以及‘裸’耦合常数之中,从而最终得到与实验结果高度符合的、有限的、可预测的物理量……”

王之昂教授讲得是深入浅出,风趣幽默,将原本枯燥乏味的重整化理论,讲得如同评书一般引人入胜。台下的那些博士生、硕士生们,一个个都听得是如痴如醉,聚精会神,恨不得把王教授说的每一个字、每一个公式、甚至每一个表情包(如果王教授会用的话),都深深地刻在自己的DNA里。

然而,就在这时,教室后排一个不起眼的角落里——那个传说中只有真正的学神或者学渣才会选择的“风水宝地”——突然传来一个略显稚嫩,但却异常清晰、冷静、且充满了思辨意味的声音:

“王教授,学生有一个问题,不知当讲不当讲?”

唰——!

整个阶梯教室,瞬间安静了下来,落针可闻。

所有人的目光,都如同被磁铁吸引的铁屑一般,齐刷刷地投向了那个声音的来源——一个看起来只有大一、大二年纪,穿着一件洗得有些发白的格子衬衫和一条普通的蓝色牛仔裤,脸上还带着一丝未脱的青涩,但眼神却异常明亮、深邃、仿佛蕴藏着整个星空的年轻男生。

正是……神出鬼没的秦风!

他竟然……又双叒叕跑到研究生的《高等量子场论》课堂上来“蹭课”了!而且,看他那副气定神闲、胸有成竹的模样,显然不是第一次来了!

更要命的是,他一开口,就直接挑战了量子场论中最核心、最敏感、也最具争议性的“重整化”问题!

“这位同学,你……你是哪个研究方向的?叫什么名字?”王之昂教授扶了扶鼻梁上的老花镜,有些惊讶地看着秦风。他教了几十年的研究生课程,还是第一次见到有本科生敢在他的《高等量子场论》这种“神仙打架”级别的课堂上,如此从容不迫地举手提问,而且问的还是这种……足以让在场所有博士生都当场自闭、甚至连他自己都得仔细斟酌才能回答的“哲学终极拷问”!

“王教授您好,学生秦风,是物理学院大二(或大一)应用物理专业的。”秦风礼貌地站起身,对着王之昂教授微微鞠了一躬,不卑不亢地说道。

“秦风?!”

这两个字一出,整个阶梯教室顿时如同被投入了一颗深水炸弹,瞬间响起一片倒吸凉气和窃窃私语的声音!

“我靠!他……他就是那个传说中的秦风?!那个用食堂剩饭搞出常温超导,还在IUPAP听证会上把诺奖提名者Y教授给怼得当场自闭、怀疑人生的……秦神?!”

“我的妈呀!活的!竟然是活的秦神!他……他怎么会跑到我们研究生的课堂上来?而且……他刚才问的那个关于重整化的问题,我怎么感觉……比我导师给我布置的博士毕业论文的选题还要难上好几个数量级啊!”

“妖孽啊!这简直是妖孽中的战斗机,学神中的VIP啊!我们这些辛辛苦苦、披星戴月、熬夜掉发才考上来的研究生,在他面前,简直就是一群还在玩泥巴的幼儿园小屁孩啊!人与人之间的差距,怎么就这么大呢?”

台下的那些平日里自视甚高的博士生、硕士生们,此刻一个个都用一种看“外星人入侵地球”般的眼神,敬畏地、仰慕地、甚至带着一丝丝绝望地看着秦风,心中那点可怜的“名校高材生”的骄傲与自信,瞬间被碾压得粉碎,连渣都不剩。

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王之昂教授在最初的惊讶之后,眼中却闪过一丝不易察觉的欣赏、好奇与……强烈的兴奋!他当然知道秦风的名字,也知道秦风最近在常温超导领域以及后续的各种应用研究中取得的那些足以震惊世界的、堪称“开天辟地”的成就。但他万万没想到,这个在实验物理和材料科学领域已经展现出“神级”天赋的年轻人,在理论物理方面的造诣,竟然也达到了如此……深不可测、令人敬畏的恐怖境界!

“秦风同学,请坐,请坐。”王之昂教授微笑着示意秦风坐下,然后清了清嗓子,神色变得有些凝重,也有些……期待起来,“你刚才提出的那个问题,非常好!也非常……非常深刻!它不仅仅是一个技术层面的问题,更是一个……触及了量子场论乃至整个现代物理学最核心的哲学困境与逻辑基石的根本性问题!”

“关于重整化的物理本质,以及那些在计算过程中被我们‘巧妙地’或者说‘粗暴地’减除掉的无穷大的真正含义,确实是困扰了物理学界长达半个多世纪,至今仍未得到完美解答的重大悬案。从量子电动力学的奠基人——狄拉克、费曼、施温格、朝永振一郎,到后来发展出弱电统一理论和量子色动力学的标准模型的构建者——格拉肖、温伯格、萨拉姆、格罗斯、波利策、维尔切克,再到当代引领弦理论、M理论、以及圈量子引力等前沿探索的巨匠——威滕、施瓦茨、格林、阿什特卡、斯莫林……可以说,人类历史上最顶尖的一批智慧头脑,都在试图从不同的角度,用不同的数学工具,去理解和诠释这些如同‘物理学幽灵’般无处不在的‘无穷大’背后的深层奥秘。”

“目前,学术界主流的观点,正如我刚才所说,倾向于认为我们现有的量子场论,包括标准模型在内,很可能都只是一种在特定能量尺度下的‘有效场论(Effective Field Theory)’。也就是说,它们只是对某个更为基础、更为完备的‘终极理论(Theory of Everything)’在低能区域的近似描述。那些在计算中出现的、令人生厌的紫外发散,可能正反映了在我们目前实验手段和理论认知尚未触及的、更高能量尺度(例如普朗克尺度,大约是^{19}1019 GeV)下,存在着全新的物理规律、全新的对称性、甚至是……全新的时空维度!而我们现在所做的重整化,不过是在这个‘终极理论’的低能展开式中,通过一些数学上的‘重新参数化’,将那些高能物理的贡献,‘打包’进几个可从实验上测定的物理量(如电子的质量和电荷)之中而已。”

“至于那些被我们‘藏起来’或者说‘吸收到裸参数里’的无穷大,它们是否真的就此彻底消失了,还是以某种我们目前无法直接观测的方式——例如,贡献给了宇宙的真空零点能,或者影响了暗物质、暗能量的性质,甚至与时空本身的量子涨落和引力效应纠缠在一起——这,恐怕就需要未来的物理学家,用更先进的理论框架(比如一个能够自洽地统一量子力学与广义相对论的量子引力理论)和更精密的宇宙学观测及高能实验,去进一步地探索和回答了。”

王之昂教授的这番话,虽然没有直接给出秦风所问问题的明确答案,但其展现出的对整个理论物理学发展脉络的深刻洞察、对前沿科学难题的精准把握、以及对未来探索方向的广阔视野,依旧让在场的所有学生(包括秦风在内)都听得是心驰神往,受益匪浅。

而秦风听完王教授这番堪称“高屋建瓴”的解答后,也是若有所思地点了点头。他知道,王之昂教授所说的,基本上代表了目前地球物理学界对这个问题最前沿、也最主流的理解。但他总觉得,事情……或许并没有那么简单。或者说,这种“有效场论”的解释,虽然在实用层面非常成功,但在哲学层面,似乎总有那么一点“回避问题”和“不够彻底”的嫌疑。

他脑海中,那块只有他能看见的【学神黑科技系统】的淡金色界面,似乎也因为他刚才那个“直击灵魂”的问题,而微微闪烁了一下,仿佛有什么更深层次的、与“宇宙本源”、“时空本质”、“以及信息与物质的终极关系”相关的、散发着神秘光芒的科技树分支,正在被悄然激活,等待着他去探索……

“谢谢王教授的精彩解答。”秦风再次站起身,对着王之昂教授恭敬地说道,“您的这番话,让我对量子场论中重整化问题的理解,又加深了一层。不过,学生还有一个小小的、可能有些……嗯,‘异想天开’或者说‘民科附体’的不成熟想法,不知道……当讲不当讲?”

“哦?但讲无妨!但讲无妨!”王之昂教授闻言,眼中顿时闪过一丝更加浓厚的兴趣与期待。他感觉,这个秦风,简直就是一个行走的“灵感制造机”和“思维风暴眼”!他似乎总能从一些常人意想不到的、甚至可以说是“刁钻古怪”的角度,提出一些令人拍案叫绝、或者说……细思极恐的“神级”问题和“脑洞”猜想!

小主,

秦风沉吟片刻,组织了一下语言,然后缓缓开口道,声音不大,却清晰地传入每一个人的耳中,也仿佛在每一个人的脑海中,投下了一颗颗足以引发“认知海啸”的重磅炸弹:

“学生注意到,在传统的各种重整化方案中,无论是泡利-维拉斯正则化、维度正则化、还是格点规范理论中的截断,我们通常都是将那些讨厌的发散积分项,通过引入某种人为的、非物理的截断能标,或者通过改变时空的维度,或者干脆就是通过一些巧妙的数学恒等变换,将其‘形式上’地吸收到那些不可观测的‘裸’参数之中,或者直接将其‘减除’掉。这些方法,虽然在计算上取得了无与伦比的巨大成功,使得量子电动力学(QED)的理论预言与实验结果的符合程度达到了惊人的十几位有效数字,堪称人类科学史上最精确的理论。但是,从物理图像的自然性和逻辑的完备性上来看,它们似乎都显得有些……‘刻意’、‘取巧’、甚至……有点‘不讲武德’。”

“学生在想,我们是否可以从一个更基本的层面,例如,从时空本身的几何拓扑结构,或者从量子信息论与计算复杂性的角度,去重新审视这些无处不在的‘发散’的真正起源,以及‘重整化’这一操作的深层物理意义呢?”

“比如,”秦风的眼中闪烁着智慧的光芒,仿佛有无数的星辰在其中生灭,“如果我们的时空,在普朗克尺度(10?3510^{-35}10?35米)下,并非是我们所熟悉的那个平滑、连续的闵可夫斯基时空或黎曼流形,而是具有某种离散的、或者说‘泡沫状’、‘网络化’的量子引力结构——例如像圈量子引力理论中所描述的‘自旋网络’,或者像弦理论/M理论在某些紧化方案下预言的‘卡拉比-丘流形’的微观拓扑结构——那么,那些在连续时空背景下因为高能动量积分而导致的紫外发散,是否就能够因为这种时空本身的‘最小长度’或‘晶格常数’的存在,而自然而然地被截断,从而不再需要我们人为地引入额外的截断能标了呢?”

“再比如,”秦风的思路越来越开阔,语速也越来越快,仿佛进入了一种“神游太虚,口吐莲花”的奇妙状态,“如果我们将量子场看作是一种在时空背景上传播和演化的‘量子信息流’,那么,那些在相互作用顶点处出现的无穷大发散,是否可以被理解为在某些特定的、高能量、高密度的相互作用过程中,发生了某种形式的‘量子信息奇点’、‘信息熵的局部爆增’或者‘计算复杂度的不可判定’现象?而我们所做的‘重整化’操作,是否可以被看作是一种对这种‘过载’的量子信息流进行‘有损压缩编码’、‘量子纠错处理’、或者‘算法复杂度规约’的有效手段?其目的,是为了从那些看似无穷的、充满了冗余和噪声的‘原始信息’中,提取出我们这些生活在低能宏观世界的‘观测者’所能感知和理解的、有限的、有效的‘物理信息’?”

秦风的这番话,如同打开了一个潘多拉魔盒,将一些在当今地球物理学界都还处于最前沿、甚至是最边缘、最大胆的猜想和探索方向,以一种举重若轻、信手拈来的方式,清晰而又深刻地展现在了所有人的面前!

用“离散时空”和“量子引力”来解决紫外发散?

用“量子信息论”和“计算复杂性”来重新诠释重整化?

这……这脑洞,已经不是简单地“开得大”了!这简直是……直接开到宇宙的尽头,开到物理学的本源去了啊!

这已经不是简单的“学术探讨”了,这简直是在……试图构建一种全新的、能够统一现有物理学所有分支的……“终极理论”的雏形啊!