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万有理论会成真吗

2015-10-30

物理学家想找到一个可以描述整个宇宙的理论,但在此之前,他们必须解决一些科学上最难解决的问题。

电影《万有理论》讲述了史蒂芬·霍金的故事。在这部电影中,虽然大部分时间都在讲述史蒂芬·霍金与其前妻简的故事,但也挤出了一点儿时间解释了一下霍金在物理学上都做了些什么。

当然了,霍金绝不缺乏雄心壮志,他是众多试图提出一种万有理论的物理学家中的一员。万有理论是指能够解释我们所处宇宙中的一切事物的理论。阿尔伯特·爱因斯坦曾经试图找到这样一种理论,但是他失败了,而霍金追随着爱因斯坦的脚步继续前进。

如果能够找到万有理论,那将是一项惊人的成就,可以使我们最终搞清宇宙中所有不可思议的、令人称奇的事情。几十年来,信心满满的物理学家一直都在说这一理论面世指日可待。那么,我们是不是真的即将把所有事物都弄明白了?

从表面上看来,万有理似乎是一个难以完成的任务,它必须能解释所有,从莎士比亚的著作到人类大脑的工作原理,再到自然界中存在的森林和村庄。英国剑桥大学的约翰·巴罗说:“这是一个关于天地万物的问题。”尽管如此,巴罗还是认为找到万有理论是“很有可能的”,因为“真正算得上自然规律的定理是相当少的,真正的自然规律通常既简单又对称,而且宇宙中只有四种基本力”。

从某种程度上说,我们必须抛开我们所处的这个世界的复杂性。“这些规则带来的结果——我们所看到的发生在我们身边的事情——远比其本身要复杂,甚至可以说是无限复杂的。”巴罗说,“在幕后统治着所有这些的规则,却可能很简单。”

牛顿在花园中散步,看见一个苹果从树上掉下来

1687年对一些科学家来似乎已经找到万有理论了。那一年,英国物理学家艾萨克·牛顿出版了一本书,向人们解释了物体是如何运动的,并且描述了万有引力是如何发挥作用的。这本书就是《自然哲学中的数学原理》,它向我们展示的是一个美丽而有序的世界。

据说故事是这样的:在牛顿23岁那年的一天,他正在花园中散步,看见一个苹果从树上掉下来。当时,这位物理学家已经朦朦胧胧地意识到地球能够借助重力的作用把物体拉下来。牛顿将这一想法做了进一步的提炼和升华,认为引力“并不只是在距离地球一定的范围内才有,这一力量必定还存在于远远超过我们通常认为的距离范围”。根据牛顿晚年的助手康迪特的记录,牛顿当时说过这样一句话:“为什么引力不会远达月球呢?”

受此启发,牛顿发现了万有引力定律,不仅很好地解释了苹果为什么会掉到地上,也很好地解释了行星为什么围绕着太阳公转。这两个看似风马牛不相及的问题,最终被证明遵循着同一个自然定律。

在《自然哲学中的数学原理》中,牛顿还提出了物体运动所遵循的三大定律。这些定律与万有引力定律结合在一起,就能够很好地解释当你抛出一个球,这个球是如何运动的,同时还能够解释为什么月球围绕着地球运行。

“当时的人们认为,牛顿已经将所有应该解决的问题全都解决了。”巴罗说,“牛顿取得的成就是空前的。”问题是,牛顿自己很清楚,他的工作是存在漏洞的。

例如,万有引力不能解释小天体是如何把自身团聚在一起的,因为它的引力强度不足以做到这一点。此外,虽然牛顿可以描述正在发生的事情,但他无法解释这一切是如何发生的。牛顿的理论是不完整的。

还有一个更大的问题。虽然牛顿定律解释了宇宙中的许多现象,但在某些案例中,物体的运动打破了他的定律。这种案例十分罕见,通常会涉及极限速度或者强大的引力,但它们的确存在。

其中之一就是水星的轨道,它是距离太阳最近的行星。由于大多数行星在围绕太阳自转的同时还进行着公转,牛顿定律应该可以用来推算它们的自转方式。然而,牛顿定律在水星身上不灵了。同样奇怪的还有,水星的轨道是偏离中心的。牛顿的万有引力定律并不适用于全宇宙,因此不是一个完全意义上的定律。

真正很重的物体比如行星,或是运行速度真正称得上很快的物体,可以扭曲时空

牛顿时代结束后,又过了两个多世纪,爱因斯坦带着他的广义相对论来拯救现代物理学了。爱因斯坦的广义相对论向人们展示了其对万有引力更深层次的理解。

广义相对论的核心观点是,虽然时间和空间看上去风马牛不相及,但实际上,它们是交织在一起的。空间有三个维度:长、宽、高,而宇宙中还有第4个维度,我们称之为时间。这4个维度以一种巨大的宇宙面的形式被联系在一起。如果你曾经在科幻电影中听到有人提及“时空连续统”,那么他们说的就是它了。

爱因斯坦提出的伟大观点就是,像行星一样,真正称得上很重的物体,或是运行速度真正称得上很快的物体,可以扭曲时空。这有点儿像蹦床:如果你在上面放一个重物,蹦床的平面就会变形并发生弯曲凹陷,于是其周围的所有物体都会向着这个重物处滚落。根据爱因斯坦的说法,这就是万有引力将物体牵拉在一起的原因。

这绝对称得上是一个极其荒诞的想法。但是物理学家已经证实,这是真的。举一个例子来说吧,它能够解释水星的轨道为什么如此怪异。根据广义相对论,太阳的巨大质量扭曲了它周围的时间和空间。作为距离太阳最近的行星,水星遭遇的这种时空扭曲要远远大于太阳系中的其他行星。广义相对论的方程式可以解释这种扭曲的时空是如何影响水星轨道的,并且能够精确地预测出水星的位置。



然而,尽管广义相对论对水星轨道问题的解释十分成功,但也并非万有理论。正如牛顿的理论不适用于真正称得上是巨大的物体一样,爱因斯坦的理论也不适用于真正称得上微小的事物。一旦你将目光转向微观世界,比如原子,就会发现物质的举动真是十分怪异。

科学家已经找到了可以将物质分得越来越小的方法

直到19世纪末期,人们一直认为原子就是物质结构的最小单位。“原子”一词源自希腊语,意为“不可分割”。正如其所定义的那样,人们当时认为原子是不能够再分成更小粒子的粒子了。但是在19世纪70年代,科学家发现了质量只有原子1/2000的粒子。

通过在真空管中计量该粒子射线重量的方式,科学家发现这是一种不同寻常的射线,它是由带负电的粒子形成的。这是人类第一次发现亚原子粒子:电子。在接下来的半个世纪里,科学家发现,原子有一个核心,而电子围绕该核心飞速旋转。这一核心由中子和质子两种类型的亚原子粒子构成,占据了原子质量的绝大部分,中子不带电荷,而质子带正电荷。

但是事情并未结束。自那时开始,科学家就找到了将物质分得越来越小的方法,并不断地重新定义着基本粒子的概念。到了20世纪60年代,科学家已经发现了几十种基本粒子,并且列出了一份被戏称为“粒子动物园”的长长的清单。

爱因斯坦从未真正相信过量子理论

就我们今天的理解而言,在组成原子的三种粒子中,电子是唯一的基本粒子。中子和质子都可以被进一步分成更小的微型粒子,即夸克。

与支配大物体,如一棵树或者一颗行星运行的定律相比,支配这些亚原子粒子运行的是一套迥然不同的定律,而这些新定律——基本不具备预测性——扰乱了整个物理学界。

在量子物理学中,粒子是不能被准确定位的,它们的行踪模糊不定。我们能说的只是,每一个粒子出现在具体哪个位置有一定的可能性。这意味着,整个世界从根本上来说就是一个不确定的世界。

你也许觉得这高深莫测并脱离实际,有这种感觉的人不只你一个。物理学家理查德·费曼是一位量子理论方面的专家,他曾经说过:“我可以非常有把握地说,没人真正理解量子力学。”

爱因斯坦也被量子力学的模糊不清所困扰。“尽管爱因斯坦在别人的怂恿下尝试理解量子力学,但他从未真正相信过量子理论。”巴罗说。

所以一切还是照旧,广义相对论和量子力学在它们各自的领域被人们一而再再而三地证明是无比精确的。量子物理学已经正确解释了原子的结构和行为,还包括为什么有些原子有放射性,同时还为现代电子学打下了基础。没有量子物理学,你就不可能读到这篇文章。而与此同时,广义相对论则被用于预测黑洞的存在。

但问题是,量子理论与广义相对论不能相互兼容,因此两者不可能都是对的。广义相对论告诉我们,物体的行为是能够被准确预测的,而量子力学则告诉我们,你能知道的只是物体将要如何变化的可能性。

这意味着,到现在为止,还有一些事情是物理学家无法描述的。黑洞就是一个具体的例子。它是如此巨大,广义相对论对它是适用的,但同时它又很小,量子力学对它同样适用。

当然了,除非你接近一个黑洞,否则这种不兼容性并不会影响你的日常生活。但是,在20世纪的大部分时间里,物理学家都被这种不兼容性所困扰。也正是这种不兼容性,驱使人们去寻找万有理论。

爱因斯坦花费了他生命中的大部分时间,试图找到这样一种理论。他从来就不是量子力学不可测性的拥趸,他想创立一个理论,将万有引力和物理学的其他部分结合在一起,而量子具有的诡异性,只是该理论中的次级结果。

他面临的主要挑战是将万有引力与电磁力协调到一起。早在19世纪,物理学家已经得出结论,带电粒子可以相互吸引或者相互排斥,这也是有些金属能够被磁铁吸引的原因。这意味着在物质之间有两种力可以发挥作用:一方面,它们之间可以通过万有引力相互吸引,另一方面,也可以通过它们的电磁场相互吸引或排斥。

爱因斯坦想用统一场论把这两种力结合在一起。为了做到这一点,他把他的时空维度扩展到了5个。爱因斯坦加上的这个第五维度很小,而且是卷曲的,我们无法看到它。但是这一做法根本没用,爱因斯坦在这个问题上花费了30年,徒劳无功。到爱因斯坦1955年逝世时,他的统一场论仍未被证实。在随后的10年中,在争夺万有理论宝座的赛场上,统一场论最强劲的对手出现了,它就是弦理论。

人类在20世纪发现的所有粒子,实际上都是同一种弦

弦理论背后的理念简单得出奇。这个世界的基本组成部分,比如电子,实际上根本就不是粒子,而是小“环”或者说是小“弦”。这些弦是如此之小,所以看上去仅仅是一个点。就如同吉他上的弦,这些弦环也是有张力的。这就意味着它们也会以不同的频率振动,频率的大小视它们的大小而定。

这些振动决定了每一个弦看上去是什么种类的粒子。一个弦以某种方式振动,你看到的就是一个电子;当这个弦以另外一种方式振动时,你看到的就不再是电子,而是其他粒子了。“人类在20世纪发现的所有粒子,实际上都是同一种弦,只不过它们振动的方式不同罢了”。

也许人们无法一眼就看出为什么弦理论是个好主意,但是它似乎搞清了在自然界中起作用的所有的力:万有引力和电磁力,还要加上人们在20世纪才发现的两种力——弱核力和强核力。

人们第一次为广义相对论和量子力学找到了共同点

强核力和弱核力只在微小的原子核内起作用,这也是人们花费了如此长的时间才注意到它们的原因。强核力将原子核结合在一起。弱核力通常无所事事,但如果弱核力变得足够强大了,就会造成原子核的分裂。这就是有些原子有放射性的原因。

任何万有理论都必须能够解释这四种力。幸运的是,两种核力和电磁力已经被量子力学解决了。每一种力都是由一种专门的粒子来实现的,但没有一种粒子可以实现万有引力。有些科学家认为存在这种粒子,他们将其称为引力子。引力子必须没有质量,以一种特定的方式旋转,并且可以以光速传播。不幸的是,至今尚未找到过它。

这正是弦理论的由来。弦理论中描述的弦看上去正如一个引力子:弦以一种适当的方式旋转,没有质量,并且以光速传播。弦理论第一次为广义相对论和量子力学找到了共同点。因此,在20世纪80年代中期,物理学家对弦理论都极感兴趣。巴罗说:“1985年,我们意识到弦理论解决了近50年来人们一直致力解决的一大堆问题。”

但是,弦理论本身也有一大堆的问题。首先,“我们还未真正弄明白弦理论的全部细节,没有一种很好的方式可以去描述它。”英国牛津大学的菲利普·坎德拉斯说。同时,根据弦理论的预测,将得到一些十分荒诞的结果。爱因斯坦的统一场论仅仅依赖一个隐藏着的第五维度,最早的弦理论则需要多达26个维度,而且这些维度必须是真实存在的,才能使宇宙与弦理论在数学上取得一致。即便是弦理论的最新版本——超弦理论,也需要10个

维度才可以做到这一点,这与我们在地球上能够看到的三维相去甚远。

“对此我们只能调和着来说,在我们的世界中,我们只能看到向外扩展的三个维度。”巴罗说,“其他的维度其实就在那里,只是对我们来说它们都小得非同寻常,以至于我们无法察觉到。”

圈量子引力告诉我们,时空实际上是分成很多小块的

由于弦理论存在着种种问题,许多科学家并不信服弦理论。一些科学家已经转而研究另一种理论:圈量子引力理论。圈量子引力论并不试图将粒子物理学整合在一起,以打造一种包罗万象的理论,而是试图为万有引力找到一种量子解释。圈量子引力理论比弦理论的局限性更大,但也并非一无是处。

圈量子引力理论认为时空实际上是分成小块的。当你将画面拉远,它似乎是一个平滑的表面,但当你将画面拉近的时候,它就变成了一堆由线或圈连接的点。这些细线编织在一起,就为万有引力提供了一种解释。

然而,这一理论同弦理论一样面临着一堆问题,比如,没有过硬的实验证据。

尽管有着各种问题,弦理论看上去仍是很有希望的

为什么这些理论一路走来总是磕磕绊绊呢?有一种可能是,我们知道的根本就不够多。“认为我们已经发现一切的想法,的确很诱人。”巴罗说,“但是,我们能否在2015年为所有已经观测到的现象找到一个万有理论,还很难说。”

还有一个更直接的问题。这些理论真的很难进行测试,其中一个最主要的原因是,数学是一门很麻烦的学科。多年来坎德拉斯一直在努力寻找一种测试弦理论的方法,但到目前为止仍未成功。

“阻碍弦理论发展的主要障碍是我们拥有的数学知识不足以推动物理学的研究进展。”巴罗说,“我们现在还处在初期阶段,还有很多很多东西等着我们去探索。”

尽管有着各种问题,弦理论看上去仍是很有希望的。“多年来,人们一直试图将万有引力和其他物理现象统一起来。”坎德拉斯说,“我们已经有了可以解释电磁力和其他力的理论,却找不到一种理论解释万有引力。有了弦理论,我们就可以把它们糅合在一起了。”

而真正的问题,简单地说就是我们可能无法甄别出万有理论。

M理论其实并没能提供一个万有理论

当弦理论在20世纪80年代开始流行时,就有5个不同的版本。“人们开始担心,”巴罗说,“如果真的存在一个万有理论,它怎么可能有5个版本呢?”在接下来的10年中,物理学家发现,这些理论是可以互相转换的,它们只是看待同一事物的不同方式。

最终的结果是M理论的出现。M理论是在1995年提出的,是弦理论的一个更深层次的版本,包容了所有的早期版本。这看起来很好,至少我们又回到了一个理论,而且M理论只需要11个维度,比26个维度好多了。

但是,M理论提供给人们的并不是一个万有理论,而是数以万亿计的、数不清的万有理论。精确地说,M理论给了我们10500个理论,而且这些理论在逻辑上都是一致的,也都具备描述一个宇宙的能力。

这看起来也许比无用的理论还要糟糕,但许多物理学家现在认为,它指向的是一个更深层次的真理。

M理论有一个最简单的论断,那就是我们的宇宙是多个宇宙中的一个,而M理论的每一个版本可对应解释其中的一个宇宙。这个巨大的宇宙是由多个宇宙集合成的多重宇宙。一开始,多重宇宙就像“一个由多个泡泡组成的巨大泡沫,所有宇宙只是在形状和大小上略有不同。”巴罗说。而后,每个泡泡各自扩展成了自己的宇宙。

“我们就在这些泡泡中的一个里。”巴罗说。随着泡泡们的扩展,在其内部可能会出现新的泡泡,每一个新的泡泡都是一个新的宇宙。“这就使得宇宙地理学变得相当复杂了”。

存在着数以万亿计的其他宇宙,每一个都是独一无二的

在每一个气泡形的宇宙内,适用同样的物理法则。这就是在我们的宇宙里一切行为表现似乎都相同的原因。但在其他宇宙内,规则就完全不同了。“在我们的宇宙中存在的物理法则,就好比是地方法则。”巴罗说,“这些物理法则统治着我们的宇宙,但并不适用于所有宇宙。”

这会使我们得出一个奇怪的结论。如果弦理论真的是将广义相对论和量子力学结合在一起的最佳方式,那么它既是万有理论,同时又不是万有理论。一方面,弦理论使我们能够对自己的宇宙有一个完美的描述,但它似乎又会不可避免地导致我们得出这样的结论:在我们的宇宙之外还有数以万亿计的其他宇宙,而且每一个都是独一无二的。

“也许它对我们想法的最大改变,就是使我们不再期望存在什么独特的万有理论。”巴罗说,“可能的理论如此之多,它们几乎填满了我们思维中的每一个可能性。”

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