本文发表于《大众科学》之前的博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
圣巴巴拉—诺贝尔奖得主物理学家大卫·格罗斯两周前在加州理工学院的一次讲座中沉思道：“也许我们只是太笨了。” 当一位像他这样级别的人怀疑物理学的统一是否会永远超出凡人的理解能力时，这会让你感到担忧。（他接着解释了他为什么认为我们并不太笨。）自从他的讲座以来，我一直在学习一个理论，这个理论起初似乎证实了这种担忧。它太荒谬地难以理解了，以至于它可能成为洋葱新闻的恶搞题材。但与此同时，我一直在观察物理学家们如何努力克服他们的恐惧，因为这个理论有望在深刻的层面上提供一种理解空间和时间真正本质的新方法。
这个理论是俄罗斯物理学家米哈伊尔·瓦西里耶夫和已故的莫斯科列别捷夫研究所的叶菲姆·弗拉德金在20世纪80年代后期提出的，但它在数学上过于复杂，在概念上过于晦涩，以至于每当有人提起它时，大多数理论家就开始谈论天气、足球、真人秀——除了那个理论之外的任何事情。直到最近几年，当一些热衷于解决不可能问题的数学奇才深入研究并表明这个理论并非不可能掌握，而只是几乎不可能掌握时，它才成为礼貌交谈的话题。
受到他们勇气的鼓舞，我打算尝试解释这个奇怪的野兽，综合了我参加的斯坦福大学的史蒂夫·申克、哈佛大学的安迪·斯特罗明格和普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那的讲座，以及与卡弗里理论物理研究所的乔·波尔钦斯基和爱丁堡大学的琼·西蒙的非正式谈话。如果我理解有误，我相信他们会纠正我，我会编辑这篇博文以反映我收到的评论。
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瓦西里耶夫理论（为了简洁起见，物理学家们省略了弗拉德金的名字）将现代物理学的基本思想推向了极端：我们周围的世界由场组成——电场和磁场，以及代表已知自然力和物质类型的少数其他场。瓦西里耶夫理论假设存在无限多的场。它们以越来越复杂的形式出现，由量子力学中的自旋特性来描述。
自旋最好被认为是旋转对称的程度。电磁场及其相关的粒子光子具有自旋1。如果您将其旋转360度，它看起来和以前一样。引力场及其相关的粒子引力子具有自旋2：您只需要将其旋转180度。已知的物质粒子，例如电子，具有自旋1/2：您需要将它们旋转720度才能恢复到它们原来的样子——这种违反直觉的特性恰好解释了为什么这些粒子会抵抗聚集，从而赋予物质完整性。希格斯场具有自旋0，无论您如何旋转它，它看起来都一样。
在瓦西里耶夫理论中，还存在自旋5/2、自旋3、自旋7/2、自旋4，一直到无穷。物理学家过去认为这是不可能的。这些更高自旋的场，由于更对称，将暗示类似于能量守恒的新自然定律，并且任何两个物体都永远无法在不违反其中一条定律的情况下相互作用。自然的运作会像一个过度管制的经济体一样停滞不前。乍一看，作为完全统一的自然理论的领先候选者，弦理论违反了这一原则。像被拨动的吉他弦一样，基本量子弦具有无限多的高次谐波，这些高次谐波对应于更高自旋的场。但是，这些谐波带有能量成本，这使得它们保持惰性。
瓦西里耶夫和弗拉金表明，上述推理仅在引力微不足道且时空不弯曲时才适用。在弯曲的时空中，更高自旋的场仍然可以存在。也许过度监管并不是那么可怕的祸害。
事实上，这可能是一件好事。更高自旋的场有望充实全息原理，这是一种解释空间和引力起源的方法。假设你有一个假想的三维时空（两个空间维度，一个时间维度），其中充满了仅通过增强版的强核力相互作用的粒子；没有引力。在这种情况下，物体的行为方式可以非常结构化。给定大小的物体只能与大小相当的物体相互作用，就像物体只有在空间上相邻时才能相互作用一样。大小与空间位置的作用完全相同；您可以将大小视为空间的一个新维度，从粒子相互作用中显现出来，就像弹出式书中的图形一样。原来的三维时空成为四维时空的边界，新维度表示与此边界的距离。不仅空间维度出现，引力也出现。在行话中，三维时空（边界）中的强核力“对偶”于四维时空（本体）中的引力。
正如马尔达西纳在20世纪90年代后期提出的那样，全息原理描述了一个暗能量具有负密度的本体，将时空弯曲成所谓的反德西特几何。但这仅仅是理论家的游乐场。在真实的宇宙中，暗能量具有正密度，对应于德西特几何或其某种近似值。将全息原理扩展到这种几何是困难的。四维德西特时空的边界是位于无限未来的三维空间。在这种情况下，出现的维度不是空间维度而是时间维度，即使是理论物理学家也很难理解。但是，如果他们成功地为德西特几何构建一个版本的全息原理，它不仅适用于真实的宇宙，还将解释时间的真正含义。对时间缺乏理解是当今基础物理学中几乎所有深层问题的根源。
这就是瓦西里耶夫理论的用武之地。它在反德西特几何或德西特几何中都有效。在前一种情况下，相应的3-D边界由简化版的强核力而不是增强版的强核力控制。通过咬紧牙关并接受几乎无法理解的瓦西里耶夫理论，物理学家实际上最终减轻了他们的任务。在德西特情况下，相应的3-D边界由一种时间不运行的场论控制；它是静态的。该理论的结构产生了时间维度。更重要的是，时间的出现方式本质上是不对称的，这可能解释了时间箭头——它的单向性。
情况变得更好了。通常，全息原理可以解释一个维度的出现，而其他维度则无法解释。但是瓦西里耶夫理论可能会给你提供整套工具。更高自旋的场具有比引力场更高的对称度，而引力场的对称度已经很高了。更高的对称性意味着更少的结构。引力理论，即爱因斯坦的广义相对论，认为时空就像橡皮泥。瓦西里耶夫理论说它更像橡皮泥，结构太少，无法履行其最基本的功能，例如定义一致的因果关系或保持遥远物体彼此隔离。
换句话说，瓦西里耶夫理论比广义相对论更非线性。物质和时空几何结构如此彻底地交织在一起，以至于无法将它们分开，并且我们通常将物质视为存在于时空中的图像变得完全站不住脚。在瓦西里耶夫理论统治的原始宇宙中，宇宙是一个无定形的斑点。随着更高自旋的对称性被打破——例如，随着量子弦的高次谐波的运动成本过高——时空整体地出现了。
也许瓦西里耶夫理论如此复杂并不奇怪。对空间和时间本质的任何解释都注定令人望而生畏。如果物理学家们真的能理解它，我预测他们会忘记它曾经有多么困难，并开始把它作为家庭作业给他们的学生。