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人类真的能找到万物理论吗?

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物理学家们希望找到一个单一的万物理论来描述整个宇宙,但首先他们需要解决科学界最棘手的一些问题。

Katie Silver (BBC Earth)

最近的电影“万物理论”讲述了霍金的故事,被日渐恶化的疾病困在轮椅上的他仍然成为世界知名的物理学家。虽然故事主要描述了他与前妻简的关系,不过还是抽出了点时间稍微解释了一下他的工作。

他雄心勃勃,像很多物理学家一样,追随爱因斯坦未竟的事业,尝试整合出一套“万物理论”,用一个统一的理论来解释宇宙中的一切。

如果能找到一个统一的理论来解释我们宇宙中的一切怪异又神奇的现象,将是卓著的成就。几十年来,一直不乏信心满满的物理学家声称已经离目的不远了,然而,我们真的已经离解释一切一步之遥了吗?
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宇宙中包含亿万个星系

从表面上看,一个万物理论是个难以完成的任务。它需要解释从莎士比亚的巨著到人脑的构成以及包含自然界的每一条山谷河流,正如剑桥大学的约翰巴罗所说,那将是囊括宇宙的大问题。

然而,巴罗认为找到这样一个理论是完全可以想象的。因为自然界的法则其实没有几个,它们简洁,对称,而自然界所有的力只有四种。

“我们周围的事物无限复杂,其实都是基本规律的作用结果,规律本身是简单的。”巴罗说。
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艾萨克牛顿,发展了光线,运动和引力的理论

1687年,对当时的科学界来说,万物理论已经被发现了。

当时牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》。其中他解释了物体的运动原理以及重力法则。牛顿所展现的世界是个美丽且秩序井然的地方。

传说在他23岁时,牛顿在花园里散步时看到树上的苹果落下来。此时,他意识到应该是脚下的地球产生的力把它拉下来的。之后牛顿把这一理论进一步推演。

牛顿晚年的助手约翰康杜特曾说过,通过苹果掉落的现象,牛顿想到,重力“不会只对地球表面的物体产生作用,它必然能延伸到比我们所想象的远得多的地方。”根据康杜特的记录,牛顿之后思考的是,“为什么不能延伸到月亮的高度?”
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太阳系(非正确比例)

在此启发下,牛顿研究出引力理论。不光能运用于苹果,同样也可以运用于行星的运转。所有看上去完全不同的物体,遵循同样的法则。

这本书里也展现了物体运动的三大定律。与引力理论一起,这些法则解释了从一个小球的运动轨迹到为什么月亮绕着地球运转。

巴罗说,“人们当时认为他已经解释了一切,他的成就是无可比拟的。”

问题是,牛顿自己知道他的理论是有漏洞的。
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水星具有古怪的公转轨迹

比如,引力不能解释为什么小物体会自动黏在一起,仅仅凭它们所拥有的引力是不够的。而且,虽然牛顿可以描述现象,却不能解释其背后的原理。他的理论是不完整的。

更大的问题是,虽然牛顿的理论可以解释宇宙中大部分普通的现象,然而在一些情况下他的法则却会被打破。虽然这些情况非常罕见,并且常常牵扯到极端的速度或超强的引力,可是它们却实实在在的存在着。

其中之一便是水星的运行轨迹。水星是离太阳最近的行星。每个行星在公转的同时也会自转。通过牛顿的法则可以计算出它们是如何自转的。然而水星的自转却是反常的,同样奇怪的是它的公转也是偏心的。

证据很明显,牛顿的引力理论并非普适公理。
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20世纪爱因斯坦带来物理学界革命性的进展

两个多世纪之后,爱因斯坦用他的广义相对论解决了这个悬念。爱因斯坦的理论到2015年正好100周年,他从一个更深的角度理解了引力。

他的理论核心是时空的概念。时间和空间看似是完全不同的东西,实际上却是紧密交织的。有长宽高三维的空间,而第四维我们称之为时间。所有这四维交织成巨大的宇宙之毯。你要是在科幻电影里听到“时空连续区”,就是指这东西。

爱因斯坦的宏大设想是,巨大如行星的物体,或是快速移动的物体,可以扭曲时空。想象一张紧绷的蹦床,如果你在上面放一个沉重的物体,它会发生弯曲和凹陷,而任何其他物体都会滚向这个重物。按照爱因斯坦的说法,这就是物体互相吸引的原理。

这是个非常奇异的设想,然而物理学家们却被深深地说服了。比如这个理论就能很好的解释水星的奇怪的轨道。
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太阳的巨大质量影响了水星的运动

根据广义相对论,太阳的巨大质量扭曲了它周围的时空。

作为离太阳最近的行星,水星比其它行星经受了大得多的扭曲,广义相对论的公式描述了弯曲的时空对水星轨道的影响,并且可以精确的测算出它的位置。

然而尽管拥有这些成功,广义相对论却还算不上是万物通用的理论。如同牛顿的理论无法解释巨大的物体,爱因斯坦的理论对微小的物体也束手无策。

当研究微小如原子的物体时,它们古怪的行为便难以解释了。
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原子有个内核被周围的电子云围绕

直到19世纪晚期,原子一直被认为是组成物体的最小粒子。原子atom一词从古希腊的atomos演化而来,意思是“不可分割的”。顾名思义,它应该没法再分了。

然而在1870年,科学家发现了比原子小2000倍的粒子。

通过对真空管内的光线称重,他们发现了一种极轻带有负电荷的粒子。这是人们第一次发现亚原子微粒:电子。

在之后的半个世纪中科学家又发现了原子核,被周围的电子云所包围。这个中心核是原子中最重的部分,由两种粒子组成,不带电荷的中子和带有正电荷的质子。

这还不是故事的终点,之后,科学家继续向下分解,不断的重新定义“基本粒子”的概念。1960年时,已经有几十种基本粒子被发现,列出一个长长的粒子名单,被称为“粒子动物园”。
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亚原子世界里充满了奇怪的粒子

我们今天的理解,原子内部有三种成分,电子是其中唯一的基本粒子。中子和质子还可以被分为更小的粒子成为夸克。

这些亚原子粒子遵循的是一套与大物体如行星或者一棵树所遵循的完全不同的法则。这些新法则远远的难以预测,把既有的一套理论彻底颠覆。

在量子力学中,粒子没有确定的位置:它们处于哪里是模糊的。我们所能说的只有每个粒子在每个位置出现的可能性。由此看来,世界从本源上来说是个完全不确定的地方。

这听上去实在太玄妙和极端,只能说不止你一个这么想。量子物理专家理查德费曼曾说过,“我想我可以确定的说没人能真正理解量子力学。

爱因斯坦也无法忍受量子力学的模糊和不确定性。“尽管是学科的启蒙者之一,爱因斯坦从来也没有真正相信过量子力学。”巴罗说。
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广义相对论适用于大物体如恒星

广义相对论和量子力学,一个管大一个管小,虽然不同,可有一点,它们在各自的领域都有惊人的精准性。

量子力学解释了原子的结构和行为,包括为什么一些原子有放射性。它也是现代电子学的基础,没有它你还看不了这篇文章。

而广义相对论可以推演出黑洞的存在,它们是恒星向自身中心塌缩的产物。它们的引力场是如此强悍以至于连光线都无法逃脱。
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根据广义相对论,黑洞应该存在

问题是,这两个理论并不相容,所以它们不可能同时都正确。广义相对论下物体的行为可以被精确的预测,而量子力学下你只能知道物体行为的可能性。

这就意味着有些事情物理学家是无法描述的。黑洞就是这样一个特别的问题。它们极其巨大可以适用广义相对论,可它们同时又极其微小所以也可以适用量子力学。

不过除非你呆在黑洞附近,这种不相容与你并不相干。可是物理学家们却在上个世纪为此伤透脑筋。正是这种不相容,驱使人们追求一个集大成能够解释万物的理论。
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爱因斯坦希望搞清楚宇宙的运行规则

爱因斯坦一生大部分精力都在寻找这样一个理论。他不喜欢量子力学的随机性,希望发现一个能囊括引力与其它物理学的统一理论,而把量子力学的奇怪现象都归于一个次要结论中。

他的主要挑战是把引力理论和电磁学结合起来。在19世纪,物理学家发现了带电粒子会互相吸引或排斥,这也是为什么一些金属会带有磁性。这说明了物体之间至少有两种力,引力使它们互相吸引而电磁力使它们互相吸引或排斥。

爱因斯坦希望把这两种力结合成为“统一场论”。为此,他把他的时空概念延伸到五维。除了三维空间和一维时间,他加入了第五维,他设想这第五维非常小以至于我们注意不到它。

但是这个设想失败了,他辛苦钻研三十年最后无功而返。直到1955年去世,他仍然没有发展出统一场理论。但在之后的十年中,万物理论的竞争者中,一个强劲的对手横空出世,那就是弦理论。
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也许万物不是由粒子,而是由弦组成的

弦理论背后的设想非常简单,组成世界的基本单位,比如电子,根本就不是粒子,而是微小的线圈或者“弦”。只不过它们都太微小,以至于被当作粒子。

就像吉他上的琴弦一样,这些线圈都在一定的张力下,依据各自不同的尺寸会产生不同频率的震动。这些震荡会决定它们表现出什么“粒子”的特性。某种震荡下它表现得像个电子,另一种震荡下它可能表现为另一种粒子。二十世纪发现的所有粒子从本质上都是同种弦,区别只是不同的震荡方式。

这个理论貌似很不起眼。但是它却能解释自然界所有的力:引力,电磁力,以及二十世纪发现的另外两个力:强核力和弱核力。
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也许弦理论就是我们找寻的答案

强核力和弱核力只有在原子核的微小范围内才能产生作用,所有人们一直没有注意到它们。强核力把原子核中的所有粒子紧紧吸引在一起。弱核力通常不发挥作用,当形成一定的强度就能打破原子核的组成,这就是为什么有些原子有放射性。

作为万物理论就必须解释所有这四种力。幸运的是,量子力学可以解释两个核力和电磁力,每种力都由一种粒子传递。然而却没有一种粒子可以用来传递引力。

有些物理学家认为有这样一种粒子,他们称之为“引力子”。引力子必须没有质量,以粒子方式自旋,并以光速运动,可惜还从未被人找到过。

这时弦理论来了,它描述一种弦与人们设想的引力子完全一致,以粒子方式自旋,没有质量,并以光速运动。这是广义相对论与量子力学第一次找到共同的基础。

所以上世纪80年代中期开始,物理学家对弦理论激动不已。巴罗说,“1985年我们发现用弦理论可以解答历经过去50年悬而未决的问题。”
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弦理论有重要的问题

对初学者来说,全面理解弦理论是不可能的。牛津大学的菲利普坎德拉斯说,“弦理论非常难以描述。”

它的预测模型极为怪异。爱因斯坦为了解决统一场理论引入了一个隐藏的维度,而早期的弦理论则引入了26个维度,必须要这样才能使其数学运算的结果与已知世界相一致。

在更加先进的版本,称为“超弦理论”中,已经精简到10个维度。然而这与我们看到的3维空间还是相差甚远。

巴罗说,“除了我们可以感知的三个维度之外,其余的维度都太小没有展开。只有这样解释,才不至于与我们的常识冲突。”
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圈量子引力认为时空是分裂的碎片

因为这些以及类似的问题,很多物理学家无法被弦理论说服。其中一些提出另一个理论:圈量子引力理论。

这并不是为了统合粒子物理理论的尝试,而是为了构建引力的量子化理论。它比弦理论的范畴小,同时也更灵活。

圈量子引力设想时空是由不连续的小碎块构成。宏观的看它像是一个连续的整体,而微观的看它是无数的点,由线或线圈相连。这些交织在一起的细小纤维,为引力提供了一个解释。

这个设想和弦理论一样烧脑,也面临同样的问题:没有实验证据。
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此后我们向哪里发展

为什么这些理论发展起来都困难重重?可能原因很简单,我们知道的还不够多。如果存在什么重要的现象而我们从未见过,那我们的拼图就始终是缺损的。巴罗说,“人们很容易认为已经掌握了一切信息,然而事实上至今为止我们也还缺乏很多知识。”

还有更加迫切的问题。这些理论很难进行检验,因为其牵涉到的数学太诡异。坎德拉斯已经投入多年寻找测试弦理论的方法,而毫无进展。

“阻止弦理论取得进展的一大障碍是,没有足够强大的数学工具来支持物理的研究。”巴罗说,“它还处于非常早期的阶段,还有很大的发展空间。”

尽管存在很多问题,弦理论仍然很有前途,坎德拉斯说,“人们从多年前就开始尝试把引力与其它物理现象结合起来,我们可以很好的解释电磁力和其它的力,可是却不能解释引力。希望弦理论可以把它们融合起来。”

真正的问题是,一个解释万物的理论可能根本无法被识别出来。
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弦理论把自己绕进迷宫

当弦理论在八十年代被广泛接受时,其实当时有五个版本。巴罗说,“人们当时就开始有疑虑,如果存在解释万物的理论,为什么会有五个之多?”

在接下去的十年间,物理学家发现了这些版本可以相互转换,它们是同一件事物的不同角度的解读。

最终的出路是M理论,在1995年提出。这是弦理论的一个深层次的版本,结合了早期的所有版本。看上去非常好,至少我们回到一个单一的理论。M理论同时也只需要11个维度,至少比26个强。

然而M理论并非只给出一个万物理论,而是亿万个。总共M理论可以给出10的500次方个理论,全部都逻辑上一致并且每一个都可以用来描述一个宇宙。

这样看来好像还不如没有,可物理学家们却认为这指向一个更深的事实。
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弦理论设想有多重宇宙

最简单的结论是,我们的宇宙只是众多宇宙中的一个。每个宇宙都与M理论中众多版本中的一个相符。这就是多元宇宙。

在时间之初,多元宇宙就像“一大团充满气泡的泡沫,每个气泡都有稍许形状尺寸的不同。”巴罗形容说。而之后每个气泡扩展成各自的宇宙。

“我们只在其中的一个气泡当中,当气泡扩张的时候,可以有其它气泡在其内部产生,每一个又形成一个新的宇宙,使宇宙的‘地形’变得十分复杂。”巴罗说。
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每个宇宙有一套各自的物理法则

在每个宇宙的内部,运行一套统一的物理法则。这就是为什么我们的宇宙中所有的东西有一致的行为模式。

但是在其他的宇宙中,物理规则会是不同的。“我们宇宙中的法则就相当于‘地方法’,它们统治我们的宇宙但不是所有的宇宙。”巴罗说。

沿着这个方向我们得出一个奇怪的结论,如果弦理论真的是结合广义相对论和量子力学的最好方法,那么它既是又不是万物理论。

另一方面,弦理论可能很好的描述了我们自己的宇宙,但它也不可避免的推导出除了我们之外必然存在万亿个其它宇宙,每一个都是独一无二的。

“一个重大的想法上的转变是,我们不再期望找到一个单独的万物理论,”巴罗说,“有多少种想法就会有多少种理论。”
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我们生活的宇宙是其中一个奇怪的世界

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