统一之路，困难重重

（? Sandbox Studio）

一个万有理论可以统一自然界中的四种基本力，但是物理学家真的能如愿以偿吗？为什么要追求统一？

撰文：Matthew | 编译：萌大统领

在过去的几个世纪中，物理学家将看起来是截然不同的事物联系起来发现它们只不过同一种现象的不同表现，这使我们在理解和预言这个物理世界上获得了巨大的成功。

在物理学史上，有一个统一出类拔萃，成为物理学家追求的典范。那就是麦克斯韦在19世纪实现的电与磁的统一。麦克斯韦新的方程允许电磁相互转化，在这个过程中，电场与磁场交互产生，从而形成一种在空间移动的波。计算发现，波速和光速是一样的。也就是说在空间穿行的电磁波就是光！这是统一所带来最令人惊奇的结果。

物理学家把统一进一步的推进，在某个能量尺度下弱核力和电磁力统一了起来，即电弱相互作用。电弱统一的成功使物理学家信心满满，自然而然的就联想到下一步应该把所有四种基本力（引力、电磁力、弱核力和强核力）合并到一个框架中：万有理论。

这四种基本力也是有等级的，它们之间强度悬殊，从强到弱（即从强核力到引力）形成等级。举个例子，通过简单的计算就能得出两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级。虽然物理学家正努力地构建万有理论，但这无疑是物理史上最具有挑战的一件事。

丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的弦理论家Cynthia Keeler表示：“在某个程度上，我们并不需要期待有万有理论的存在。因为从历史来看，我们已经尝试过许多的统一。但最后没有一个是终极的。”

尽管艰难，但正是因为每次统一都能带来一些意想不到的预言，物理学家总能孜孜不倦地为揭开宇宙最基本的原理而努力。而在这个过程中，物理学家有许多新的发现；而如果不是对万有理论的追寻，也不会有这些新发现。

【我们希望的统一】

至今，还没有人能够构建一个完整的万有理论。

困难之处在于，四种力无法在同一个尺度下运作。特别是引力，目前还没有有效的理论来描述引力在量子尺度下的行为。

爱因斯在发表广义相对论最后的形式之前，其实就已经在思考新的统一理论了。他在1915年，写信给希尔伯特说道：“我常常苦思冥想，在引力与电磁力之间搭建一座桥梁。” 电磁力和引力的统一是为了描述电场和磁场能够产生引力，而引力也能够产生电磁波或光。但是把引力和电磁场的结合，称为统一场论，要复杂的多。这部分原因是当时（以及现在）并没有很好的量子引力理论，也因为没有把强核力和弱核力纳入考量。

另一方面，为了解释粒子的行为，物理学家把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学结合起来，最后形成的统一理论叫量子场论。虽然量子场论在粒子物理学中建功立业，但是在描述引力方面却毫无作用。这大部分是因为任何有能量（或质量）的东西制造了引力吸引——包括引力自身。简单来说，两个粒子间的引力作用具有一定的能量，这些能量能产生一个附加的引力作用与其本身能量相互作用，循环反复的作用下，每一次的附加作用都使得能量越高。

“我们能够从量子引力中学到的第一件事就是量子场论或许是并不是终极答案，”芝加哥洛约拉大学物理学家Robert McNees表示，“量子引力非常难，因为我们必须提出一些新的东西。”

【理论的演化】

万有理论最有力的候选者是弦理论。简单来说，世间万物最基本的结构并不是粒子，而是由一维的弦组成的。

弦理论是1970年代为了尝试解释强相互作用而被提出来的，因为强相互作用粒子（夸克）的确很像弦。我们知道电磁力随着距离增大而衰减，而夸克之间的力则在夸克分开时趋于常数，然后不论距离分开多远都保持那个常数。然而，当夸克靠近时，它们之间的力会减弱。这一点很重要。只有当夸克相距足够远时，才能满足弦的图景。但是第一个弦论被证明是不需要的，直到物理学家意识到把它和另一个叫做卡鲁扎-克莱因理论结合时就有可能解释量子引力。

弦理论在二维中描述量子引力，而不是四维。它绕过了所有量子场论途径所带来的问题，但同时引进新的复杂性，即额外的六个维度，这些卷曲的额外空间维的尺度太小了因此无法被探测到。

但不幸的是，弦理论还无法复制标准模型的成功。

通往万有引力的另一个途径是圈量子引力（LQG）。LQG的核心特点是空间本身是离散的。想象一个通常用来形容引力的例子：一张拉的很紧的床单，在其中心放置一个保龄球。我们知道床单本身是量子化的，它由分子组成，而分子又是由原子组成的，再一进步我们发现原子是由原子核（夸克和胶子）和电子构成的。

空间本身也是这样的！或许它表现的像织物，但或许它是由有限的、量子化的实体构成的。或许它是由“圈”编织而成的，这也是它名字的来源。将这些圈编织在一起就得到了一个自旋网络（彭罗斯所发明的），它代表了引力场的一个量子态。在这个图景里，不仅仅是物质是量子化的，空间自身也是量子化的。

圈量子引力的问题在于它无法描述在大尺度下的引力行为，比如在太阳系的尺度。广义相对论在太阳系内得到了非常精确的检验，一个成功的万有理论也必须能够复制广义相对论的所有预言。

时空是有最小单位的，正如物质是由粒子构成的一样，并不是圈量子引力独有的。还有其它的理论也描述了时空的量子结构：扭结理论、因果集理论以及量子引力图论等等。把时空想象成是颗粒的或许也能解释为什么我们的宇宙只有四维而不是其它的数字。

但目前为止，还没有任何一个理论能够作为万有理论，这其中也是因为这些理论极难被实验验证。

今天，许多一开始作为万有理论被提出的理论都已经迈前一步。举个例子，弦理论可以用来研究和理解炙热的粒子汤——夸克-胶子等离子体，同时也用来研究像超导这些非常冷的物质中的电子复杂行为等等。

寻找一个万有引力并不会对我们的工作产生任何影响，即使我们的工作是科学相关的。这很正常：化学家和电工并不需要掌握量子电动力学（QED），尽管QED是这些工作的基础理论。但是，对万有理论的追寻能够让我们在最基本的层面上理解宇宙是如何运作的。

即使有一天我们成功的找到了一个万有理论，他也可能不是终极的理论。如果我们能够从过去在寻求统一的道路中学习到些什么，那就是每一次把不同理论结合在一起的时候我们都会学到新的东西。这也正是统一能够给我们带来最大的惊喜。

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