万有理论「Theory of Everything」

       在庆祝SCIENCE创刊125周年之际,该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题,发表在2005年7月1日出版的专辑上。在今后1/4个世纪的时间里,人们将致力于研究解决这些问题。他们按照重要性对问题进行了排序,其中排在第五名位置的问题是:

物理定律能否统一?

       此问题散发出的无限魅力,恐怕只有数学中的「公理化集合论」或者计算机科学中的「可计算性理论」才能与之比美。

爱因斯坦最后的问题

       那一年,2005年,被称作世界物理年,而如此命名完全是为了纪念一位天才——爱因斯坦。从05年再往前推100年,当时只有26岁的爱因斯坦,一口气发表了三篇划时代意义的论文:分子运动论、狭义相对论和光量子假说,彻底颠覆了当时人们的世界观,影响了百年来的物理发展。1905年因此被称为物理学界的「奇迹年」。

       就是这位天才的物理学家,在他生命的最后三十年间,一直试图构建一个更宏大的理论,这种理论将囊括人类对自然运转的所有认知,即一切物理定律的统一理论——万有理论「Theory of Everything」

一路坎坷

       可能人类从拥有心智的那天起,就开始发问:到底是什么支配着自然的运行?神学家、哲学家、科学家甚至是艺术家给出了各式各样答案,有的是因为他们坚信,有的仅仅是因为这个答案更「美」。今天我只关心科学家所做的工作。

宿命论

       17世纪最响当当的物理学家,艾萨克·牛顿在他发表的《自然哲学的数学原理》中,阐述了万有引力和三大运动定律,将「经典力学」推向了巅峰。无论是我们身边的皮球飞镖,还是头顶的日月星辰,其运行规律于经典力学似乎都能合理解释。

甚至拉普拉斯在1814年还提出了他那著名的论断:

假若一位足够聪明的智者知道所有粒子在某个时间的位置与速度,则他可以应用自然定律计算出任意粒子在任意时间的位置。
这样的成果使人们庆祝物理学完善的同时,甚至还让一部分人陷入了宿命论的苦恼。

相对论

       的确,在速度合适、尺度合适的情况下,经典力学做的很出色。一直到20世纪,爱因斯坦提出「相对论」,才修正了经典力学中的错误时空观,即便如此,人们对物体运动的确定性仍然深信不疑。

统一电磁学的麦克斯韦方程组

       在此之前,麦克斯韦于1965年给出了完备的电磁理论,将电与磁统一在了「麦克斯韦方程组」下。

       也许是追随麦克斯韦的脚步,也许只是对简单优雅定律的追求的执念,爱因斯坦在提出广义相对论之后,便踏上了构建「统一场论」的征程,目标是将电磁学中的电磁力和广义相对论中的引力整合为单一场论。这就是爱因斯坦为之倾倒,为之耗尽一生的理论,然而他失败了。

       令人唏嘘的是,这场追梦之旅从一开始就注定会失败(即便成功,也不完备),因为自然中存在着四种基本作用力(引力、电磁力、弱力、强力),而爱因斯坦受限于当时认知,只考虑了电磁力和引力。

四种基本作用力

       接着「量子力学」的出现,把人们从美梦中彻底唤醒,不确定性原理表明,我们永远不能既对粒子的位置精确测量,又对其速度精确测量,厚此则薄彼。此时,人们对于自然的了解好像一下子什么都弄不懂了。

       强力与弱力的发现打断了对于统一场论的探索。这两种作用力的性质跟引力、电磁力大不相同。于是人们从量子力学出发,重新摸索万有理论,并将思路换为,先尝试整合这三种力:电磁力、弱力、强力。实在是因为引力与当前的量子框架太格格不入了。

       令人振奋的成果终于在1967年出现,物理学家谢尔登·格拉肖、史蒂文·温伯格、阿卜杜勒·萨拉姆率先将电磁力与弱力统一为电弱力。

       接着,哈沃德·乔吉和谢尔登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大统一理论。试图将电弱力与强力统一起来,遗憾的是SU(5)模型的正确性已经被相关实验否决。虽然这个最简单的大统一理论被实验排除,但他的整体概念,特别是当与超对称连结在一起时,仍旧受到理论物理学界的追捧。

       时间到了2012年,希格斯玻色子的发现再次点燃了人们的激情,这一发现使得粒子物理标准模型更加完善,从而在超对称大统一理论之路上又向前一步,虽然可能仅仅只是序幕。

       直到如今,被实验证实的大统一理论仍然没有出现。更不要说将大统一理论(量子力学)与广义相对论结合起来的万有理论了。

42的梗

       1923年,爱因斯坦在给他最早的探索伙伴赫尔曼•外尔的一封信中就强调指出:“这项美妙绝伦的研究应该坚持下去。尽管无情的自然也许正对我们这样的努力暗自好笑——因为它给了我们了解它的渴望,却很可能没有给我们了解它的智慧。

先行者

       虽然实验物理蹒跚不前,可理论研究显然走在前面,甚至呈现出一片繁荣,它们目标一致,也就是调和广义相对论和量子力学之间水火不容的关系,将前者对万有引力的解释与后者对其他自然力的解释统一起来。简言之,各种理论从各自的角度向万有理论这座巅峰发起了冲锋。

       当前主流尝试理论有:弦理论、圈量子引力论。

弦理论:

       弦理论描绘了这样的世界:无数完全相同的细微线条,也就是「弦」,它们的振动,如同奏出的一部巨型交响乐,催生了宇宙万象。弦理论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的弦(大概在10^-34米量级,包括有端点的「开弦」和圈状的「闭弦」)。

       弦理论认为,空间有三个展开维,即长、宽、高,以及六个卷缩维,蜷缩在普朗克长度的空间上。弦则缠绕或依附在这样的空间维度上,在各个方向上振动,根据卷缩维的维度不同,弦的长度不同,形状不同,产生各种各样的缠绕能和振动能,从而形成各种性质的点状粒子与力,粒子拼合成不同的物质,在力的作用下,最后构成恢弘的宇宙。(为什么是九个空间维度呢?不为别的,如果在计算中使用的维度少于九个,就会导致不兼容的结果。)

       先想象一下,远距离观察一根细长的水管,你会觉得它只是一条一维的线,离近一点,你发现它是二维的,有宽度,再离近一点,哟,是三维的,中空的管。同理,六个卷缩维纠缠在一起,离远了看,就像是一维的点,若放大了看,可能是这个样子的。

       以上只是弦理论的直观描述,要真正搞懂弦理论需要艰深的数学推演。还有一件不得不提的事情是,在1995年以前,弦理论家族中一共有五种已知的自洽弦理论,每种理论都有着共同的理论基础,但进行细部分析的时候,巨大的不同性就显现出来了。M理论试图透过检验五种弦理论的特定理论特征与对偶性来统一所有的弦理论,并使得所有五种弦理论都是M理论的特例之一。M理论当中指出,描述完整的物理世界一共需要十一个维度,其维度超过弦理论所需要的十维(九个空间维度,一个时间维度)。

       绝大部分理论家都对这一理论寄予厚望,期待它能够解决困扰基础物理学几十年的疑问。在全世界各大研究中心,大约有1000多位物理学家为了最终实现量子力学和广义相对论的统一、为了对世界作出一致和谐的描述而在孜孜不倦地探索着这一理论。

圈量子引力论:

       面对强大的弦论者群体,他们这群人看上去是那么微不足道。连那些高端学术会议也常常忘记邀请他们参加。作为圈论者,在弦论者更倾向于量子论的时候,他们却以爱因斯坦的真正继承人自居,强烈主张回归广义相对论的基础观点。

       爱因斯坦认为引力实际上是不存在的,它只是时空扭曲产生的效应。这对我们的脑细胞来说,已经是一个挑战了:

空间不再像我们想象的那样是一个平坦、静止、为各种物体提供运动舞台的平面,而是一个会根据所容纳的物质而发生扭曲并改变几何形状的东西。
我们好不容易想通了这一点,现在,圈论者们又叫我们把这幅画面给颠倒过来。

       既然我们可以把引力看作时空变形产生的效应,那为什么不可以把时空看作引力场的表现呢?视角一反转过来,时空就不再是相对论的主要概念了。但圈论者如果想使大家相信对广义相对论的这种重新诠释走得通,那么他们就必须首先说明场是什么东西——既然在他们看来连时空都不存在。在他们的设想当中:

场可以被想象为一种出自正电荷并终于其他负电荷的线条。这些线条是真实的、物理的,就向散落在磁石周围的铁屑形成的线条一样,充斥着整个空间。他们绷得越紧,就说明电力或磁力越强。
如果没有电荷,这些线条就会自我封闭,形成闭合的场线。就是说,形成「圈」。圈论者坚信,万有引力场也可以用同样的方式表现。就像针织面料,物体之间的联系也都环环相扣。在圈论者看来,这些联系并非被施加于空间中,而是先于空间而存在的!

圈量子引力论中的自旋网络

(在自旋网络里,每一个“节点”代表一个空间颗粒,节点与节点之间的连结线段称为“链接”,代表隔离空间颗粒的基本表面。)

       这样一来,空间就真地变成了一个类似锁甲的结构,变成了一个圈圈相套的网络,其中每个交叉点都代表着一个基本的空间单位。所以空间并不是连续的,而是由一个个细微的点构成的。就像是一幅点彩画。这些"空间原子"有多大呢?10^-33厘米!而一个基本面的大小则是10^-66厘米,一个基本体积是10^-99厘米。时间同样被粒子化,每一个“时间颗粒”大约是10^-44秒。

       这便是圈量子引力论展现的奇异世界,但要观测到如此小尺度的空间颗粒几乎是不可能的,期待在将来,可以给我们满意的答案。  

 

       除了以上两种热门理论外,还存在很多其他的理论,这里做简单介绍:

因果动力三角论:

       因果动力三角论乍看起来与圈量子引力论很相似。不过,圈量子引力论只把空间分成细小的“颗粒”,而因果动力三角论假设时空分成叫做正五胞体的四维构造块。

       正五胞体可以粘在一起生成大型的宇宙,结果就形成了三维空间和一维时间,这正是真实宇宙的样子。但其尚不能解释物质的存在。

非交换几何学:

       出自法国数学家阿兰•孔内自上世纪80年代开始的研究工作。其构想,就是重新从长久以来被人们忽略的对量子力学所进行的一种代数学诠释出发,将其演绎为一种新的时空几何——非交换几何。

       这一复杂艰深而且无法通过形象感知的世界观,通过自发地导出广义相对论和所知的粒子,展现着它的实力,渐渐成为弦论和圈轮的有力竞争者。

量子爱因斯坦引力论:

       统一引力和量子力学的问题之一就是引力在极小尺度下的表现。两个物体靠得越近,它们之间的引力越强,但引力也对物体自身起作用,这样,在极微小的距离上就形成了一个反馈回环。根据传统理论,引力应该变得不合理的强,这意味着传统理论某个地方出了问题。

       德国美因茨大学的马丁·路透提供了一个产生“定点”的方法:小于某个距离处引力将停止增强。这或许有助于解决此难题,从而形成一个关于引力的量子理论。

量子重力图论:

       大多理论都假设空间和时间预先存在,然后再试图去构建宇宙的其余部分。量子重力图论则与之相左,它是由加拿大安大略省滑铁卢市的普里美特理论物理研究所的弗蒂尼·马可波罗及其同事们独创的。

       当宇宙在大爆炸中形成时,马可波罗认为当时并没有我们所了解的空间。而是存在一种空间“节点”的抽象网格,其中的每个节点都互相连通。很快,网格塌缩,一些节点断裂开来,形成了我们如今看到的大尺度宇宙。

内禀相对论:

       由麻省理工学院的欧拉夫·德莱耶所发展的内禀相对论着手去解释广义相对论如何在量子世界中出现。宇宙中的每个粒子都有种属性叫“自旋”,不严谨的情况下可认为它是由粒子旋转产生的。

       德莱耶的模型假设存在一个独立于物质的随机部署的自旋系统。当系统抵达一个临界温度时,自旋会排列形成一种有序的模式。任何实际存在于自旋系统中的人都无法看到它们。他们所见到的只是自旋的效应,这也是德莱耶所展示的内容,其中包括时空和物质。他还设法从此模型中导出了牛顿引力,不过,广义相对论仍然未整合进来。

标度相对论:

       标度相对论的主要思想:时空结构在不同的标度下,显示出不同的“粗糙程度”。即为:时空是分形的。例如,我们从地球大气层外部观测海岸线,是比较平滑的。但是,如果我们的观测高度不断降低,海岸线就会变得越来越曲折。我们的观测高度和视角就相当于标度,海岸线就相当于时空。

       这种理论将相对论与量子力学都看作是近似理论,广义相对论中认为时空是处处平滑且有弹性的。标度相对论可以合理且漂亮的与相对论和量子力学兼容,可以推导出两种理论的部分方程,所以有望统一这两种理论。但是,因为这种理论的独特思想,“时空的结构与标度息息相关",会动摇很多物理理论和数学工具的根基。比如,数学中的微分几何就是建立于将空间无限分割的思想,但标度相对论把这种分割的有效性给否定了。因此,遭到大多数科学家的反对。

E8

       2007 年,物理学家(也是冲浪运动员)加勒特·里希发表了一个万有理论E8的论文,E8是一个复杂的、拥有248个点的八维数学模式。里希认为,物理学中已知的多种基本粒子和作用力可被容纳在E8模式的点中,它们之间的多种相互作用也自然而然地出现了。

       一些物理学家对此文提出了强烈批评,而另一些人则表示谨慎的欢迎。直到 2008 年末,里希得到一项继续E8研究的资助。  

 

       可能这些理论只有一个是正确的,也可能它们都是某个更基本的万有理论的近似描述,还有可能每一个都错的离谱,但无论如何,他们的所作所为都值得赞赏,正是他们的不懈努力,把人类的认知不断地向前推进!

朝闻道,夕死可矣

       在追寻万有理论的道路上,我们为物理学家取得的每一次突破而欢喜,为他们每一个谨慎大胆的想法而迷倒。每当我陶醉在物理学家构造的奇异世界时,整个人就像被魇住一样,哑然无言,真的太美了,太美了。

极简主义

       有些人很疑惑,为什么一定要寻找一个统一理论呢?难道不可以将世界描述成两条或多条理论共同支配吗?我想说,当然可以这么认为,而且说不定真正的世界就是多理论支配的,但物理学家可不会停下脚步,他们是学者更是艺术家,他们坚信世界应该由一种简单优雅的定律去描述,那样才,复杂繁乱的理论简直会让他们犯起“学术洁癖”来。理论物理的发展,正是一路追寻对称美而发展的,正是一路填补对称性破缺而发展的。

       万有理论——对于爱因斯坦最后问题的解答,也许很久才能见到,也许永远也见不到,也许根本就不存在。除非明确的证明它不存在,否则人们将义无反顾!

 

 

附录:

SCIENCE公布的125个最具挑战性的科学问题中,被认为最重要的前25个问题:

1宇宙由什么构成?

2意识的生物学基础是什么?

3为什么人类基因会如此之少?

4遗传变异与人类健康的相关程度如何?

5物理定律能否统一?

6人类寿命到底可以延长多久?

7是什么控制着器官再生?

8皮肤细胞如何成为神经细胞?

9单个体细胞怎样成为整株植物?

10地球内部如何运行?

11地球人类在宇宙中是否独一无二?

12地球生命在何处产生、如何产生?

13什么决定了物种的多样性?

14什么基因的改变造就了独特的人类?

15记忆如何存储和恢复?

16人类合作行为如何发展?

17怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?

18化学自组织的发展程度如何?

19什么是传统计算的极限?

20我们能否有选择地切断某些免疫反应?

21量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

22能否研制出有效的HIV疫苗?

23温室效应会使地球温度达到多高?

24什么时间用什么能源可以替代石油?

25地球到底能负担多少人口?

 

参考链接:

  1. 我们不知道答案的125个科学难题——《科学》杂志http://blog.sina.com.cn/s/blog_54484bd60101ahe5.html
  2. 不顾一切地寻找万物之理http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e3139250102v8h4.html
  3. 万有理论https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%87%E6%9C%89%E7%90%86%E8%AE%BA
  4. 怎么用很简单的语言解释弦理论?http://www.zhihu.com/question/20063527
  5. M-理论https://zh.wikipedia.org/wiki/M%E7%90%86%E8%AE%BA
  6. 了解上帝的心智:七种万有理论http://www.scipark.net/archives/18460
  7. 标度相对论http://baike.baidu.com/view/7891649.htm
  8. 爱因斯坦留下的难题 迎难而上的四种理论《新发现》2006年8月(总第11期)
  9. 希格斯粒子之理论浅析 杨金民 《物理》43卷(2014年)1期