人類真的能找到萬(wàn)物理論嗎？

物理學(xué)家們希望找到一個(gè)單一的萬(wàn)物理論來(lái)描述整個(gè)宇宙，但首先他們需要解決科學(xué)界最棘手的一些問(wèn)題。

Katie Silver （BBC Earth）

最近的電影“萬(wàn)物理論”講述了霍金的故事，被日漸惡化的疾病困在輪椅上的他仍然成為世界知名的物理學(xué)家。雖然故事主要描述了他與前妻簡(jiǎn)的關(guān)系，不過(guò)還是抽出了點(diǎn)時(shí)間稍微解釋了一下他的工作。

他雄心勃勃，像很多物理學(xué)家一樣，追隨愛(ài)因斯坦未竟的事業(yè)，嘗試整合出一套“萬(wàn)物理論”，用一個(gè)統(tǒng)一的理論來(lái)解釋宇宙中的一切。

如果能找到一個(gè)統(tǒng)一的理論來(lái)解釋我們宇宙中的一切怪異又神奇的現(xiàn)象，將是卓著的成就。幾十年來(lái)，一直不乏信心滿滿的物理學(xué)家聲稱已經(jīng)離目的不遠(yuǎn)了，然而，我們真的已經(jīng)離解釋一切一步之遙了嗎？

宇宙中包含億萬(wàn)個(gè)星系

從表面上看，一個(gè)萬(wàn)物理論是個(gè)難以完成的任務(wù)。它需要解釋從莎士比亞的巨著到人腦的構(gòu)成以及包含自然界的每一條山谷河流，正如劍橋大學(xué)的約翰巴羅所說(shuō)，那將是囊括宇宙的大問(wèn)題。

然而，巴羅認(rèn)為找到這樣一個(gè)理論是完全可以想象的。因?yàn)樽匀唤绲姆▌t其實(shí)沒(méi)有幾個(gè)，它們簡(jiǎn)潔，對(duì)稱，而自然界所有的力只有四種。

“我們周圍的事物無(wú)限復(fù)雜，其實(shí)都是基本規(guī)律的作用結(jié)果，規(guī)律本身是簡(jiǎn)單的?！卑土_說(shuō)。

艾薩克牛頓，發(fā)展了光線，運(yùn)動(dòng)和引力的理論

1687年，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)界來(lái)說(shuō)，萬(wàn)物理論已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了。

當(dāng)時(shí)牛頓發(fā)表了著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。其中他解釋了物體的運(yùn)動(dòng)原理以及重力法則。牛頓所展現(xiàn)的世界是個(gè)美麗且秩序井然的地方。

傳說(shuō)在他23歲時(shí)，牛頓在花園里散步時(shí)看到樹上的蘋果落下來(lái)。此時(shí)，他意識(shí)到應(yīng)該是腳下的地球產(chǎn)生的力把它拉下來(lái)的。之后牛頓把這一理論進(jìn)一步推演。

牛頓晚年的助手約翰康杜特曾說(shuō)過(guò)，通過(guò)蘋果掉落的現(xiàn)象，牛頓想到，重力“不會(huì)只對(duì)地球表面的物體產(chǎn)生作用，它必然能延伸到比我們所想象的遠(yuǎn)得多的地方。”根據(jù)康杜特的記錄，牛頓之后思考的是，“為什么不能延伸到月亮的高度？”

太陽(yáng)系（非正確比例）

在此啟發(fā)下，牛頓研究出引力理論。不光能運(yùn)用于蘋果，同樣也可以運(yùn)用于行星的運(yùn)轉(zhuǎn)。所有看上去完全不同的物體，遵循同樣的法則。

這本書里也展現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)的三大定律。與引力理論一起，這些法則解釋了從一個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡到為什么月亮繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)。

巴羅說(shuō)，“人們當(dāng)時(shí)認(rèn)為他已經(jīng)解釋了一切，他的成就是無(wú)可比擬的。”

問(wèn)題是，牛頓自己知道他的理論是有漏洞的。

水星具有古怪的公轉(zhuǎn)軌跡

比如，引力不能解釋為什么小物體會(huì)自動(dòng)黏在一起，僅僅憑它們所擁有的引力是不夠的。而且，雖然牛頓可以描述現(xiàn)象，卻不能解釋其背后的原理。他的理論是不完整的。

更大的問(wèn)題是，雖然牛頓的理論可以解釋宇宙中大部分普通的現(xiàn)象，然而在一些情況下他的法則卻會(huì)被打破。雖然這些情況非常罕見，并且常常牽扯到極端的速度或超強(qiáng)的引力，可是它們卻實(shí)實(shí)在在的存在著。

其中之一便是水星的運(yùn)行軌跡。水星是離太陽(yáng)最近的行星。每個(gè)行星在公轉(zhuǎn)的同時(shí)也會(huì)自轉(zhuǎn)。通過(guò)牛頓的法則可以計(jì)算出它們是如何自轉(zhuǎn)的。然而水星的自轉(zhuǎn)卻是反常的，同樣奇怪的是它的公轉(zhuǎn)也是偏心的。

證據(jù)很明顯，牛頓的引力理論并非普適公理。

20世紀(jì)愛(ài)因斯坦帶來(lái)物理學(xué)界革命性的進(jìn)展

兩個(gè)多世紀(jì)之后，愛(ài)因斯坦用他的廣義相對(duì)論解決了這個(gè)懸念。愛(ài)因斯坦的理論到2015年正好100周年，他從一個(gè)更深的角度理解了引力。

他的理論核心是時(shí)空的概念。時(shí)間和空間看似是完全不同的東西，實(shí)際上卻是緊密交織的。有長(zhǎng)寬高三維的空間，而第四維我們稱之為時(shí)間。所有這四維交織成巨大的宇宙之毯。你要是在科幻電影里聽到“時(shí)空連續(xù)區(qū)”，就是指這東西。

愛(ài)因斯坦的宏大設(shè)想是，巨大如行星的物體，或是快速移動(dòng)的物體，可以扭曲時(shí)空。想象一張緊繃的蹦床，如果你在上面放一個(gè)沉重的物體，它會(huì)發(fā)生彎曲和凹陷，而任何其他物體都會(huì)滾向這個(gè)重物。按照愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，這就是物體互相吸引的原理。

這是個(gè)非常奇異的設(shè)想，然而物理學(xué)家們卻被深深地說(shuō)服了。比如這個(gè)理論就能很好的解釋水星的奇怪的軌道。

太陽(yáng)的巨大質(zhì)量影響了水星的運(yùn)動(dòng)

根據(jù)廣義相對(duì)論，太陽(yáng)的巨大質(zhì)量扭曲了它周圍的時(shí)空。

作為離太陽(yáng)最近的行星，水星比其它行星經(jīng)受了大得多的扭曲，廣義相對(duì)論的公式描述了彎曲的時(shí)空對(duì)水星軌道的影響，并且可以精確的測(cè)算出它的位置。

然而盡管擁有這些成功，廣義相對(duì)論卻還算不上是萬(wàn)物通用的理論。如同牛頓的理論無(wú)法解釋巨大的物體，愛(ài)因斯坦的理論對(duì)微小的物體也束手無(wú)策。

當(dāng)研究微小如原子的物體時(shí)，它們古怪的行為便難以解釋了。

原子有個(gè)內(nèi)核被周圍的電子云圍繞

直到19世紀(jì)晚期，原子一直被認(rèn)為是組成物體的最小粒子。原子atom一詞從古希臘的atomos演化而來(lái)，意思是“不可分割的”。顧名思義，它應(yīng)該沒(méi)法再分了。

然而在1870年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了比原子小2000倍的粒子。

通過(guò)對(duì)真空管內(nèi)的光線稱重，他們發(fā)現(xiàn)了一種極輕帶有負(fù)電荷的粒子。這是人們第一次發(fā)現(xiàn)亞原子微粒：電子。

在之后的半個(gè)世紀(jì)中科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了原子核，被周圍的電子云所包圍。這個(gè)中心核是原子中最重的部分，由兩種粒子組成，不帶電荷的中子和帶有正電荷的質(zhì)子。

這還不是故事的終點(diǎn)，之后，科學(xué)家繼續(xù)向下分解，不斷的重新定義“基本粒子”的概念。1960年時(shí)，已經(jīng)有幾十種基本粒子被發(fā)現(xiàn)，列出一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的粒子名單，被稱為“粒子動(dòng)物園”。

亞原子世界里充滿了奇怪的粒子

我們今天的理解，原子內(nèi)部有三種成分，電子是其中唯一的基本粒子。中子和質(zhì)子還可以被分為更小的粒子成為夸克。

這些亞原子粒子遵循的是一套與大物體如行星或者一棵樹所遵循的完全不同的法則。這些新法則遠(yuǎn)遠(yuǎn)的難以預(yù)測(cè)，把既有的一套理論徹底顛覆。

在量子力學(xué)中，粒子沒(méi)有確定的位置：它們處于哪里是模糊的。我們所能說(shuō)的只有每個(gè)粒子在每個(gè)位置出現(xiàn)的可能性。由此看來(lái)，世界從本源上來(lái)說(shuō)是個(gè)完全不確定的地方。

這聽上去實(shí)在太玄妙和極端，只能說(shuō)不止你一個(gè)這么想。量子物理專家理查德費(fèi)曼曾說(shuō)過(guò)，“我想我可以確定的說(shuō)沒(méi)人能真正理解量子力學(xué)。”

愛(ài)因斯坦也無(wú)法忍受量子力學(xué)的模糊和不確定性。“盡管是學(xué)科的啟蒙者之一，愛(ài)因斯坦從來(lái)也沒(méi)有真正相信過(guò)量子力學(xué)。”巴羅說(shuō)。

廣義相對(duì)論適用于大物體如恒星

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，一個(gè)管大一個(gè)管小，雖然不同，可有一點(diǎn)，它們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域都有驚人的精準(zhǔn)性。

量子力學(xué)解釋了原子的結(jié)構(gòu)和行為，包括為什么一些原子有放射性。它也是現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)，沒(méi)有它你還看不了這篇文章。

而廣義相對(duì)論可以推演出黑洞的存在，它們是恒星向自身中心塌縮的產(chǎn)物。它們的引力場(chǎng)是如此強(qiáng)悍以至于連光線都無(wú)法逃脫。

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞應(yīng)該存在

問(wèn)題是，這兩個(gè)理論并不相容，所以它們不可能同時(shí)都正確。廣義相對(duì)論下物體的行為可以被精確的預(yù)測(cè)，而量子力學(xué)下你只能知道物體行為的可能性。

這就意味著有些事情物理學(xué)家是無(wú)法描述的。黑洞就是這樣一個(gè)特別的問(wèn)題。它們極其巨大可以適用廣義相對(duì)論，可它們同時(shí)又極其微小所以也可以適用量子力學(xué)。

不過(guò)除非你呆在黑洞附近，這種不相容與你并不相干?？墒俏锢韺W(xué)家們卻在上個(gè)世紀(jì)為此傷透腦筋。正是這種不相容，驅(qū)使人們追求一個(gè)集大成能夠解釋萬(wàn)物的理論。

愛(ài)因斯坦希望搞清楚宇宙的運(yùn)行規(guī)則

愛(ài)因斯坦一生大部分精力都在尋找這樣一個(gè)理論。他不喜歡量子力學(xué)的隨機(jī)性，希望發(fā)現(xiàn)一個(gè)能囊括引力與其它物理學(xué)的統(tǒng)一理論，而把量子力學(xué)的奇怪現(xiàn)象都?xì)w于一個(gè)次要結(jié)論中。

他的主要挑戰(zhàn)是把引力理論和電磁學(xué)結(jié)合起來(lái)。在19世紀(jì)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了帶電粒子會(huì)互相吸引或排斥，這也是為什么一些金屬會(huì)帶有磁性。這說(shuō)明了物體之間至少有兩種力，引力使它們互相吸引而電磁力使它們互相吸引或排斥。

愛(ài)因斯坦希望把這兩種力結(jié)合成為“統(tǒng)一場(chǎng)論”。為此，他把他的時(shí)空概念延伸到五維。除了三維空間和一維時(shí)間，他加入了第五維，他設(shè)想這第五維非常小以至于我們注意不到它。

但是這個(gè)設(shè)想失敗了，他辛苦鉆研三十年最后無(wú)功而返。直到1955年去世，他仍然沒(méi)有發(fā)展出統(tǒng)一場(chǎng)理論。但在之后的十年中，萬(wàn)物理論的競(jìng)爭(zhēng)者中，一個(gè)強(qiáng)勁的對(duì)手橫空出世，那就是弦理論。

也許萬(wàn)物不是由粒子，而是由弦組成的

弦理論背后的設(shè)想非常簡(jiǎn)單，組成世界的基本單位，比如電子，根本就不是粒子，而是微小的線圈或者“弦”。只不過(guò)它們都太微小，以至于被當(dāng)作粒子。

就像吉他上的琴弦一樣，這些線圈都在一定的張力下，依據(jù)各自不同的尺寸會(huì)產(chǎn)生不同頻率的震動(dòng)。這些震蕩會(huì)決定它們表現(xiàn)出什么“粒子”的特性。某種震蕩下它表現(xiàn)得像個(gè)電子，另一種震蕩下它可能表現(xiàn)為另一種粒子。二十世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的所有粒子從本質(zhì)上都是同種弦，區(qū)別只是不同的震蕩方式。

這個(gè)理論貌似很不起眼。但是它卻能解釋自然界所有的力：引力，電磁力，以及二十世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的另外兩個(gè)力：強(qiáng)核力和弱核力。

也許弦理論就是我們找尋的答案

強(qiáng)核力和弱核力只有在原子核的微小范圍內(nèi)才能產(chǎn)生作用，所有人們一直沒(méi)有注意到它們。強(qiáng)核力把原子核中的所有粒子緊緊吸引在一起。弱核力通常不發(fā)揮作用，當(dāng)形成一定的強(qiáng)度就能打破原子核的組成，這就是為什么有些原子有放射性。

作為萬(wàn)物理論就必須解釋所有這四種力。幸運(yùn)的是，量子力學(xué)可以解釋兩個(gè)核力和電磁力，每種力都由一種粒子傳遞。然而卻沒(méi)有一種粒子可以用來(lái)傳遞引力。

有些物理學(xué)家認(rèn)為有這樣一種粒子，他們稱之為“引力子”。引力子必須沒(méi)有質(zhì)量，以粒子方式自旋，并以光速運(yùn)動(dòng)，可惜還從未被人找到過(guò)。

這時(shí)弦理論來(lái)了，它描述一種弦與人們?cè)O(shè)想的引力子完全一致，以粒子方式自旋，沒(méi)有質(zhì)量，并以光速運(yùn)動(dòng)。這是廣義相對(duì)論與量子力學(xué)第一次找到共同的基礎(chǔ)。

所以上世紀(jì)80年代中期開始，物理學(xué)家對(duì)弦理論激動(dòng)不已。巴羅說(shuō)，“1985年我們發(fā)現(xiàn)用弦理論可以解答歷經(jīng)過(guò)去50年懸而未決的問(wèn)題?！?

弦理論有重要的問(wèn)題

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，全面理解弦理論是不可能的。牛津大學(xué)的菲利普坎德拉斯說(shuō)，“弦理論非常難以描述?！?/span>

它的預(yù)測(cè)模型極為怪異。愛(ài)因斯坦為了解決統(tǒng)一場(chǎng)理論引入了一個(gè)隱藏的維度，而早期的弦理論則引入了26個(gè)維度，必須要這樣才能使其數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果與已知世界相一致。

在更加先進(jìn)的版本，稱為“超弦理論”中，已經(jīng)精簡(jiǎn)到10個(gè)維度。然而這與我們看到的3維空間還是相差甚遠(yuǎn)。

巴羅說(shuō)，“除了我們可以感知的三個(gè)維度之外，其余的維度都太小沒(méi)有展開。只有這樣解釋，才不至于與我們的常識(shí)沖突。”

圈量子引力認(rèn)為時(shí)空是分裂的碎片

因?yàn)檫@些以及類似的問(wèn)題，很多物理學(xué)家無(wú)法被弦理論說(shuō)服。其中一些提出另一個(gè)理論：圈量子引力理論。

這并不是為了統(tǒng)合粒子物理理論的嘗試，而是為了構(gòu)建引力的量子化理論。它比弦理論的范疇小，同時(shí)也更靈活。

圈量子引力設(shè)想時(shí)空是由不連續(xù)的小碎塊構(gòu)成。宏觀的看它像是一個(gè)連續(xù)的整體，而微觀的看它是無(wú)數(shù)的點(diǎn)，由線或線圈相連。這些交織在一起的細(xì)小纖維，為引力提供了一個(gè)解釋。

這個(gè)設(shè)想和弦理論一樣燒腦，也面臨同樣的問(wèn)題：沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

此后我們向哪里發(fā)展

為什么這些理論發(fā)展起來(lái)都困難重重？可能原因很簡(jiǎn)單，我們知道的還不夠多。如果存在什么重要的現(xiàn)象而我們從未見過(guò)，那我們的拼圖就始終是缺損的。巴羅說(shuō)，“人們很容易認(rèn)為已經(jīng)掌握了一切信息，然而事實(shí)上至今為止我們也還缺乏很多知識(shí)。”

還有更加迫切的問(wèn)題。這些理論很難進(jìn)行檢驗(yàn)，因?yàn)槠錉可娴降臄?shù)學(xué)太詭異?？驳吕挂呀?jīng)投入多年尋找測(cè)試弦理論的方法，而毫無(wú)進(jìn)展。

“阻止弦理論取得進(jìn)展的一大障礙是，沒(méi)有足夠強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具來(lái)支持物理的研究?！卑土_說(shuō)，“它還處于非常早期的階段，還有很大的發(fā)展空間?！?/span>

盡管存在很多問(wèn)題，弦理論仍然很有前途，坎德拉斯說(shuō)，“人們從多年前就開始嘗試把引力與其它物理現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)，我們可以很好的解釋電磁力和其它的力，可是卻不能解釋引力。希望弦理論可以把它們?nèi)诤掀饋?lái)?！?/span>

真正的問(wèn)題是，一個(gè)解釋萬(wàn)物的理論可能根本無(wú)法被識(shí)別出來(lái)。

弦理論把自己繞進(jìn)迷宮

當(dāng)弦理論在八十年代被廣泛接受時(shí)，其實(shí)當(dāng)時(shí)有五個(gè)版本。巴羅說(shuō)，“人們當(dāng)時(shí)就開始有疑慮，如果存在解釋萬(wàn)物的理論，為什么會(huì)有五個(gè)之多?”

在接下去的十年間，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這些版本可以相互轉(zhuǎn)換，它們是同一件事物的不同角度的解讀。

最終的出路是M理論，在1995年提出。這是弦理論的一個(gè)深層次的版本，結(jié)合了早期的所有版本?？瓷先シ浅：茫辽傥覀兓氐揭粋€(gè)單一的理論。M理論同時(shí)也只需要11個(gè)維度，至少比26個(gè)強(qiáng)。

然而M理論并非只給出一個(gè)萬(wàn)物理論，而是億萬(wàn)個(gè)?？偣睲理論可以給出10的500次方個(gè)理論，全部都邏輯上一致并且每一個(gè)都可以用來(lái)描述一個(gè)宇宙。

這樣看來(lái)好像還不如沒(méi)有，可物理學(xué)家們卻認(rèn)為這指向一個(gè)更深的事實(shí)。

弦理論設(shè)想有多重宇宙

最簡(jiǎn)單的結(jié)論是，我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個(gè)。每個(gè)宇宙都與M理論中眾多版本中的一個(gè)相符。這就是多元宇宙。

在時(shí)間之初，多元宇宙就像“一大團(tuán)充滿氣泡的泡沫，每個(gè)氣泡都有稍許形狀尺寸的不同?！卑土_形容說(shuō)。而之后每個(gè)氣泡擴(kuò)展成各自的宇宙。

“我們只在其中的一個(gè)氣泡當(dāng)中，當(dāng)氣泡擴(kuò)張的時(shí)候，可以有其它氣泡在其內(nèi)部產(chǎn)生，每一個(gè)又形成一個(gè)新的宇宙，使宇宙的'地形’變得十分復(fù)雜?！卑土_說(shuō)。

每個(gè)宇宙有一套各自的物理法則

在每個(gè)宇宙的內(nèi)部，運(yùn)行一套統(tǒng)一的物理法則。這就是為什么我們的宇宙中所有的東西有一致的行為模式。

但是在其他的宇宙中，物理規(guī)則會(huì)是不同的?！拔覀冇钪嬷械姆▌t就相當(dāng)于'地方法’，它們統(tǒng)治我們的宇宙但不是所有的宇宙?！卑土_說(shuō)。

沿著這個(gè)方向我們得出一個(gè)奇怪的結(jié)論，如果弦理論真的是結(jié)合廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的最好方法，那么它既是又不是萬(wàn)物理論。

另一方面，弦理論可能很好的描述了我們自己的宇宙，但它也不可避免的推導(dǎo)出除了我們之外必然存在萬(wàn)億個(gè)其它宇宙，每一個(gè)都是獨(dú)一無(wú)二的。

“一個(gè)重大的想法上的轉(zhuǎn)變是，我們不再期望找到一個(gè)單獨(dú)的萬(wàn)物理論，”巴羅說(shuō)，“有多少種想法就會(huì)有多少種理論。”

我們生活的宇宙是其中一個(gè)奇怪的世界