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一個萬有理論可以統(tǒng)一自然界中的四種基本力，但是物理學(xué)家真的能如愿以償嗎？為什么要追求統(tǒng)一？
撰文：Matthew | 編譯：萌大統(tǒng)領(lǐng)
在過去的幾個世紀(jì)中，物理學(xué)家將看起來是截然不同的事物聯(lián)系起來發(fā)現(xiàn)它們只不過同一種現(xiàn)象的不同表現(xiàn)，這使我們在理解和預(yù)言這個物理世界上獲得了巨大的成功。
在物理學(xué)史上，有一個統(tǒng)一出類拔萃，成為物理學(xué)家追求的典范。那就是麥克斯韋在19世紀(jì)實現(xiàn)的電與磁的統(tǒng)一。麥克斯韋新的方程允許電磁相互轉(zhuǎn)化，在這個過程中，電場與磁場交互產(chǎn)生，從而形成一種在空間移動的波。計算發(fā)現(xiàn)，波速和光速是一樣的。也就是說在空間穿行的電磁波就是光！這是統(tǒng)一所帶來最令人驚奇的結(jié)果。
物理學(xué)家把統(tǒng)一進(jìn)一步的推進(jìn)，在某個能量尺度下弱核力和電磁力統(tǒng)一了起來，即電弱相互作用。電弱統(tǒng)一的成功使物理學(xué)家信心滿滿，自然而然的就聯(lián)想到下一步應(yīng)該把所有四種基本力（引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力）合并到一個框架中：萬有理論。
這四種基本力也是有等級的，它們之間強(qiáng)度懸殊，從強(qiáng)到弱（即從強(qiáng)核力到引力）形成等級。舉個例子，通過簡單的計算就能得出兩個質(zhì)子之間的電斥力比它們之間的引力強(qiáng)大約38個數(shù)量級。雖然物理學(xué)家正努力地構(gòu)建萬有理論，但這無疑是物理史上最具有挑戰(zhàn)的一件事。
丹麥哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的弦理論家Cynthia Keeler表示：“在某個程度上，我們并不需要期待有萬有理論的存在。因為從歷史來看，我們已經(jīng)嘗試過許多的統(tǒng)一。但最后沒有一個是終極的?！?/p>
盡管艱難，但正是因為每次統(tǒng)一都能帶來一些意想不到的預(yù)言，物理學(xué)家總能孜孜不倦地為揭開宇宙最基本的原理而努力。而在這個過程中，物理學(xué)家有許多新的發(fā)現(xiàn)；而如果不是對萬有理論的追尋，也不會有這些新發(fā)現(xiàn)。
【我們希望的統(tǒng)一】
至今，還沒有人能夠構(gòu)建一個完整的萬有理論。
困難之處在于，四種力無法在同一個尺度下運(yùn)作。特別是引力，目前還沒有有效的理論來描述引力在量子尺度下的行為。
愛因斯在發(fā)表廣義相對論最后的形式之前，其實就已經(jīng)在思考新的統(tǒng)一理論了。他在1915年，寫信給希爾伯特說道：“我常常苦思冥想，在引力與電磁力之間搭建一座橋梁?！?電磁力和引力的統(tǒng)一是為了描述電場和磁場能夠產(chǎn)生引力，而引力也能夠產(chǎn)生電磁波或光。但是把引力和電磁場的結(jié)合，稱為統(tǒng)一場論，要復(fù)雜的多。這部分原因是當(dāng)時（以及現(xiàn)在）并沒有很好的量子引力理論，也因為沒有把強(qiáng)核力和弱核力納入考量。
另一方面，為了解釋粒子的行為，物理學(xué)家把愛因斯坦的狹義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來，最后形成的統(tǒng)一理論叫量子場論。雖然量子場論在粒子物理學(xué)中建功立業(yè)，但是在描述引力方面卻毫無作用。這大部分是因為任何有能量（或質(zhì)量）的東西制造了引力吸引——包括引力自身。簡單來說，兩個粒子間的引力作用具有一定的能量，這些能量能產(chǎn)生一個附加的引力作用與其本身能量相互作用，循環(huán)反復(fù)的作用下，每一次的附加作用都使得能量越高。
“我們能夠從量子引力中學(xué)到的第一件事就是量子場論或許是并不是終極答案，”芝加哥洛約拉大學(xué)物理學(xué)家Robert McNees表示，“量子引力非常難，因為我們必須提出一些新的東西?！?/p>
【理論的演化】
萬有理論最有力的候選者是弦理論。簡單來說，世間萬物最基本的結(jié)構(gòu)并不是粒子，而是由一維的弦組成的。
弦理論是1970年代為了嘗試解釋強(qiáng)相互作用而被提出來的，因為強(qiáng)相互作用粒子（夸克）的確很像弦。我們知道電磁力隨著距離增大而衰減，而夸克之間的力則在夸克分開時趨于常數(shù)，然后不論距離分開多遠(yuǎn)都保持那個常數(shù)。然而，當(dāng)夸克靠近時，它們之間的力會減弱。這一點很重要。只有當(dāng)夸克相距足夠遠(yuǎn)時，才能滿足弦的圖景。但是第一個弦論被證明是不需要的，直到物理學(xué)家意識到把它和另一個叫做卡魯扎-克萊因理論結(jié)合時就有可能解釋量子引力。
弦理論在二維中描述量子引力，而不是四維。它繞過了所有量子場論途徑所帶來的問題，但同時引進(jìn)新的復(fù)雜性，即額外的六個維度，這些卷曲的額外空間維的尺度太小了因此無法被探測到。
但不幸的是，弦理論還無法復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)模型的成功。
通往萬有引力的另一個途徑是圈量子引力（LQG）。LQG的核心特點是空間本身是離散的。想象一個通常用來形容引力的例子：一張拉的很緊的床單，在其中心放置一個保齡球。我們知道床單本身是量子化的，它由分子組成，而分子又是由原子組成的，再一進(jìn)步我們發(fā)現(xiàn)原子是由原子核（夸克和膠子）和電子構(gòu)成的。
空間本身也是這樣的！或許它表現(xiàn)的像織物，但或許它是由有限的、量子化的實體構(gòu)成的。或許它是由“圈”編織而成的，這也是它名字的來源。將這些圈編織在一起就得到了一個自旋網(wǎng)絡(luò)（彭羅斯所發(fā)明的），它代表了引力場的一個量子態(tài)。在這個圖景里，不僅僅是物質(zhì)是量子化的，空間自身也是量子化的。
圈量子引力的問題在于它無法描述在大尺度下的引力行為，比如在太陽系的尺度。廣義相對論在太陽系內(nèi)得到了非常精確的檢驗，一個成功的萬有理論也必須能夠復(fù)制廣義相對論的所有預(yù)言。
時空是有最小單位的，正如物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的一樣，并不是圈量子引力獨(dú)有的。還有其它的理論也描述了時空的量子結(jié)構(gòu)：扭結(jié)理論、因果集理論以及量子引力圖論等等。把時空想象成是顆粒的或許也能解釋為什么我們的宇宙只有四維而不是其它的數(shù)字。
但目前為止，還沒有任何一個理論能夠作為萬有理論，這其中也是因為這些理論極難被實驗驗證。
今天，許多一開始作為萬有理論被提出的理論都已經(jīng)邁前一步。舉個例子，弦理論可以用來研究和理解炙熱的粒子湯——夸克-膠子等離子體，同時也用來研究像超導(dǎo)這些非常冷的物質(zhì)中的電子復(fù)雜行為等等。
尋找一個萬有引力并不會對我們的工作產(chǎn)生任何影響，即使我們的工作是科學(xué)相關(guān)的。這很正常：化學(xué)家和電工并不需要掌握量子電動力學(xué)（QED），盡管QED是這些工作的基礎(chǔ)理論。但是，對萬有理論的追尋能夠讓我們在最基本的層面上理解宇宙是如何運(yùn)作的。
即使有一天我們成功的找到了一個萬有理論，他也可能不是終極的理論。如果我們能夠從過去在尋求統(tǒng)一的道路中學(xué)習(xí)到些什么，那就是每一次把不同理論結(jié)合在一起的時候我們都會學(xué)到新的東西。這也正是統(tǒng)一能夠給我們帶來最大的驚喜。
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