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万物之理揭示宇宙在最基本层面上的内在运行之理

在几百年前也就是科学还不怎么进步的年月,人们经常会对一些常见的事儿感到困惑,古人没法理解,闪电、星星、疾病、磁力、甚至没法理解我们自己,这个世界仿佛充满了各种神秘的事,强大的力量和怪异的动物,它们都超出了人类的理解范围,在最近这些年呢,这种困惑被一种强大的信心所替代了,我们自以为了解了周围的世界,这对于人类的历史来说还是相当信心的,基本上不会在日常生活中遇到非常神秘的事,几乎没见过让你觉得完全没法解释的事,闪电也好,星星也好,疾病也好,磁力也罢,你知道这些背后是自然规律,这些事物本身十分复杂,令人敬畏,但它们都会受到物理定律的约束,事实上迷茫而找不到解释的体验是非常珍贵的,我们宁愿花钱去再感受一次,也正因为如此,魔术表演才显得特别有意思。

除了理解,我们还能掌控身边的事物,我们可以定期让重达400吨的飞机飞越大洋,可以控制芯片中几十亿晶体管的量子力学效应。仔细想一想,我们真的生活在一个布满奇迹的时代,我们这么善于解释现实世界中的大趋势和小细节,这是否意味着我们已经知道了一切呢?我们的理论解释得了万事万物吗?你应该已经想到了答案,当然是——不。

我们人类还有太多的事没有答案,我们对宇宙中到处都是的东西也就是暗物质,以及超强的能量也就是暗能量,几乎是一无所知,我们的控制力只存在于宇宙中的一个小小的角落,被浩瀚而无知的大海环绕着,我们要面对这个事实,我们理解周围世界却对宇宙一无所知,我们连发现终极理论也就是“万物之理”还有多远,有没有这样的理论存在呢?它是不是可以解释宇宙中所有的谜团呢?要讨论这个问题,我们就得聊聊——“万物之理”。

“万物之理”概念

简而言之,“万物之理”就是对时空以及宇宙中所有物质、所有能量和所有的力,最深入最简洁的数学描述,这个定义中包含了物质,因为这个理论必须能够描述构成宇宙一切的事物,这个定义中还包含了力,因为我们不希望这个理论仅仅描述惰性的物质团块,我们想要知道物质是如何相互作用的,以及万物之理它能做到什么,在这里还包含了空间和时间,因为我们知道这两个概念都在某种程度上具有延展性,并且影响着宇宙中的物质和力,同时它们也受物质和力的影响,最重要的是我们需要这个理论,非常简洁非常的深入,因为我们希望它对宇宙进行最本质的合理的描述,它应该是不可以再简化的,梗概性的,换句话说,它应该是用尽量少的变量以及尽量少的没有经过解释的常数,而且它应该能在最小的尺度上描述整个宇宙,我们想要找到构成万事万物的最小的粒子,我们还想知道让它们组合在一起的最根本的机制是什么。我们生活在一个像“洋葱”一样的宇宙当中,这样说是因为它是由很多不同的层次构成的,比如说原子拥有由质子和中子组成的原子核以及围绕着原子核旋转的电子,你可以看到很多地方都画着这样一张图,就是中间一个圆圈,周围很多小圆球围着它转,这个就是最广为人知的一个科学模型,很多地方都用这个图来代表科学,提出这个模型是一个非常了不起的成就,我们这样说不仅仅是因为这个模型本身很出名,还因为它意味着人类不再将原子当做物质的基本单位,人类由此明白了一个更深的道理,物质可能是由更小的粒子构成的。

在这些比原子还小的部件里,有一些实际上是由更小的部分构成的,比如说质子和中子是由夸克构成的,在这种尺度下微粒的运动方式也和我们所料想的完全不一样,事实和我们的想象差的非常的多,电子质子和中子不是聚集在一起相互环绕,拥有坚硬表面的小圆球,它们是由波定义受不确定性支配的模糊不清的量子粒子,但是这些观点只在某种程度上成立,比如原子像弹球,这个有助于理解气体原子怎样在一个容器里横冲直撞,比如说原子是被电子环绕的紧密粒子团,这个有助于你理解元素周期表里的元素,新的量子粒子观点,则可以非常好的解释各种自然现象,关键是在我们所生活的宇宙里,很多理论确实可以在完全忽略小尺度的情况下发挥作用,换句话说,你可以精确的预测某一样小东西所有的小粒子的集体行为,即便你不知道每个小部件在干什么,你甚至不需要知道这些小部件是不是真的存在。

图解:夸克,宇宙中最小单位

举例说明:

经济学研究可以描述集体的行为,但是经济学家其实不需要具体分析每个个体的心理,很多购物者和商人的行为决定了物价的宏观变化,这个可以用几个方程来描述,可以研究和描述一个群体的经济行为,而不需要了解任何个体的选择还有动机,在物理学里就有很多这样的例子,比如即使我们还没有发现物质的最基本单元,而且我们也仍然不知道引力是怎样在量子理论体系下起作用的,我们依然能够准确地预测游泳运动员从跳板跳进游泳池时会发生什么事。

牛顿力学——可以预测游泳运动员的抛物线运动。

流体力学——可以告诉我们水的泼溅的情况。

生物学——可以解释游泳运动员跳进水里会发生什么事。

事实上,宇宙中的理论也是一层套着一层的,在了解DNA之前就已经有了“进化论”,在知道希格斯玻色子粒子之前就已经把人类送上了月球,这一点非常重要,因为终极理论这样一个让所有物理学家都魂牵梦绕的东西,其实它会描述自然最基本的核心,这一终极理论不会去描述高层次的现象,而会描述宇宙基本构件儿以及它本身的构成机制,这个就让“万物之理”的概念变得有些微妙了,因为我们可能永远也不会100%确定我们已经有了这样的理论,在我们看来十分基础的理论,也许背后还有着宇宙洋葱的另外一层,我们要怎样辨别其中的区别呢?更糟糕的是如果宇宙有无穷多层,那该怎么办呢?终极理论会不会根本就不存在呢?既然我们已经定义了万物之理,下面就来说说人类在理解自然的过程中所取得的最深层次进展。

图解:希格斯玻色子粒子

在理解自然的过程中,所取得的最深层次进展

我们可以问的一个问题是,宇宙中是不是存在最小的距离呢?

在日常生活里我们习惯于把距离看作可以无限分割的东西,在0和0.001之间你可以找到无穷多个距离,但如果事实并不是这样的,如果在某个临界点,更短的距离会失去作用和意义呢?如果现实世界就像屏幕的像素点一样,那么又会怎么样呢?

一旦描述了这一尺度上的物体,还有物体之间的相互作用,我们就可以认为这个理论就是最根本的,因为不会再有比它更小的东西了,但是如果不存在这样一个最小的距离,如果事物可以无限小或者是可以在无限小的距离下移动,那我们就永远无法确定下一层还有没有其他的理论,解决这些问题的另一种思路,也就是思考以下这几个问题:

第一个:我们要描述的对象也就是这些小粒子,它们是不是真的是最基础的呢?目前已经发现了电子、夸克还有其他粒子,它们是不是宇宙中的最小粒子呢?还有没有更小的粒子存在呢?

第二个:这些粒子它们是怎样相互作用的,它们是不是有很多不同的作用方式,比如说作用力只有一种作用方式还是几种作用方式,只不过它们表现为不同的作用力呢?宇宙中有没有一种最基本的描述能概括所有的力呢?

上面的几个问题,读者们可以思考一下,下面就是开始烧脑的解答内容:

第1个问题:最小的距离——宇宙是不是有最小的一个距离或者说最小的分辨率?

量子力学告诉我们,我们不能绝对精确的知道一个粒子的位置,那个是因为量子力学所研究的对象是有随机性的,但是除此之外,量子力学还告诉我们一个粒子的精确位置是不确定的,突破了某个界限,在更小的尺度上位置信息就不存在了,这个是一条线索,宇宙中可能有一个最小的有意义的距离,我们或许可以把这种量子距离理解为像素,但是如果现实世界是像素化的,那这些像素有多小呢?

答案——不知道。

物理学家们东翻西找把几个关于宇宙基本信息的基本常数给结合起来进行了一个粗略的估测,这些常数中有量子力学中的普朗克常数H,这个是一个非常重要的数字,因为它关乎能量的基本量子化,可以把它理解为能量的像素化,为了得到一个能够定义距离的数字物理学家用普朗克常数乘以另外两个常数,这两个常数分别是宇宙的最大速度也就是光速C,还有引力的强度G,将这些常数以特定的方式组合在一起,我们就能得到一个代表单位距离的数字,这个数字非常小,只有10 ^-35,也就是零点后面跟着35个0,我们称这个数字为“普朗克长度”。它意味着什么呢?

答案——还不太清楚。

但是它可能给出了对宇宙像素的粗略的估计,把这些数字组合在一起其实没有什么道理,但是它们每一个都代表了量子层面的物理学要素,所以结合在一起的时候,它们也许能提供关于宇宙基本尺度的线索,那我们能不能证实这件事呢?

答案是——还不行。

我们用于探索微小距离的工具已经从探测可见光波长的光学显微镜发展到了电子显微镜,这个电子显微镜可以大概在10 ^-10方米尺度上探测物质,此外,高能离子对撞机可以在大概10 ^-20次方米的尺度上观察质子的内部结构,遗憾的是这意味着我们距离检验普朗克长度的真相,还有15个数量级那么远,也就是说我们很可能仍然没法搞懂很多细节,那差了15个数量级会略过多少细节呢!你可以想象一下,如果你拥有的最小的尺子,或者你眼睛能看到最小的东西,有10 ^15长,相当于太阳系宽度的100倍,那你必然对小于这个尺度的事情一无所知,也就是说现在我们能观测到的宇宙最小的尺度,如果是太阳系那么大的话,那太阳系里所有的东西我们都是探测不到的,因为它对我们来说太小了,在15个数量级的尺度上,你就会错过很多很多的东西,我们还有希望在普朗克长度上探索事物的真相吗?

目前世界最前沿的技术进步已经在一两百年的时间里从光学显微镜下的10^-7次方米的世界,来到了量子对撞机里的10^-24毫米的世界,我们很难预测未来的科学家能让我们看到什么东西,但是如果我们根据量子对撞机的使用方法来进行推断,那么想要在普朗克长度上看到东西,加速器的能量就要比我们今天用的这个高出10^15次方倍,遗憾的是要满足这个要求,无论是它的个头还是它的开销,也都要增加10^15次方倍,这么多个10^15次方实在是让人难以承受。我们没有宇宙像素化的确凿证据,但是量子力学和我们至今已经探测到的宇宙常数强烈暗示着宇宙有最小距离的存在,当然这个距离肯定是非常的小。

图解:普朗克长度

第二个问题:最小的粒子——我们所发现的电子、夸克以及其他基本粒子真的是宇宙中的最基本粒子吗?

电子、夸克和它们所有的表亲看起来很有可能是某种东西的涌现现象,或许它们只是更小、更基本的粒子或者粒子群的集群结果,之所以这样认为,是因为我们至今发现的所有粒子都能在一张很像元素周期表的表里面找到自己的位置,如果你不知道,大概把它理解成一张关于夸克和轻子的元素周期表就可以了,这种整齐的排列和其中的模式告诉我们,这一切背后很可能还有别的东西在发挥作用。科学家从元素周期表中找到了线索,发现所有的元素都是电子、质子还有中子的不同组合,这张表让物理学家怀疑这些粒子很可能是由一些更小的粒子构成的,其中可能涉及某种尚未确定的定律或者法则,无论如何线索反正就摆在那里。

想要知道电子和夸克中间都有些什么东西,得让各种东西不断的相互碰撞才行,如果一个粒子是由更小的粒子构成的复合粒子,那么这些更小的粒子就必须通过某种具有结合能的约束方式被它们彼此拴到一起,比如说一个氢原子实际上是一个质子和一个电子通过电磁力结合形成的,而质子是由三个夸克通过强核力结合形成的,如果用低于小粒子之间结合能的能量去撞击一个复合粒子,那么这个复合粒子会表现的很像一个实心的粒子。

举例说明:

一个小朋友拿着一个乒乓球扔到一面镜子上,你会看到那个乒乓球会弹开,而镜子毫发无损,在小朋友眼里,镜子就是一个整体,但是呢,如果这个小朋友拿着一块石头,他很使劲地把这块石头扔向镜子,这块石头所携带的能量比将镜子所有零件维持在一起的能量要高,那么就会把镜子击碎,这个时候你就会看出镜子有更小的零件构成。

要想知道电子和夸克是不是由更小的粒子组成的有两种方法:

第一种:就是让电子和夸克它们拥有越来越高的能量互相去撞击,如果撞击能量比让电子和夸克维持在一起的能量还要高,那么它们就会被拆散这个时候我们就能知道它们是由更小的部分构成的了,但是我们实际上并不知道电子和夸克是不是由更小的零件构成的,就算它们真的有更小的零件,我们也不知道需要多大的能量才能把它们给击散,到目前为止,强子对撞机没有足够的能量找到比电子、夸克或者是它们表亲更小的粒子。

第二种:通过计算得出基本粒子周期表的一些规律,并且找出能填到表里的新粒子,如果找到电子和夸克更多的表亲,就有可能推断出这张表里模式的某种含义,摸出更深层次结构的更多的线索,就像当年对元素周期表干的事是一样的,这样就可能会告诉我们是不是有更小的零件潜藏在现有的粒子当中。

图解:基本粒子周期表

构建万物之理的最后一块零件是对宇宙中基本作用力的描述

目前我们已经知道,粒子会以几种不同的方式相互作用,但是这里一共有多少种力呢?它们会不会是同一种现象的不同部分呢?

找到宇宙中作用力的最基本描述无关强弱,关键是要找出我们所知的哪些力是最基本的力,举个例子吧,如果让一个远古时期的人告诉你这个世界上都有哪些力,他可能会写出一张长长的表单来,这个表单中可能包括让你从马背上摔下来的力,让银河系里的恒星运动的力,折断树枝的力,如汽车碾到你脚的力,让鱼在水里游的力等等,但是时间长了,我们逐渐明白其中很多力都是相互关联的,这个表格里的内容其实可以概括为几种力:

让树枝还有汽车相互接触的时候发挥的作用力也是同一种力,那个就是相互靠近的原子互相排斥的力。让人从马背上摔下来的力和让天上的恒星运动的力其实都是——引力。

电磁一体的观点在19世纪才出现,“詹姆斯·麦克斯韦”他发现了电流能够产生磁场,而移动的磁体可以产生电流,因此他写下了当时所有已知的电子方程式,包括安培定律,法拉第定律,高斯定律等等,后来他发现这些定律是完全对称的,电和磁完全可以作为一个概念以另外一种方式重新来描述它们,电和磁不是两种不同的东西,弱核力和电磁力这两种看上去截然不同的力,相似的数据描述可以把它们概括为同一种力,这种力叫——弱电力。

光子背后还有一种更深层次的力,这种力能生成W玻色子、Z玻色子,这两种粒子传递的就是——强核力。

现在目前现实的状态就是已经把原始人列的那张长长的关于力的表缩得很短了,这个表上一共有三种力:

第1种——弱电力,传递这个力的粒子是光子、W玻色子、Z玻色子。

第2种——强核力,传递这个力的粒子叫做“胶子”。

第3种——引力,传递这个力的粒子叫做“引力子”。

能把“力”的数目减少到什么程度呢,有没有可能所有这些力本质上都是同一种力呢?

目前这个问题的答案是三个字:不知道。

万物之理,以最简洁最基本的方式描述宇宙中的万事万物,这就意味着只要宇宙有最小距离存在,万物之理就能在这个最小尺度上成立,它必须把宇宙中最小的体积也纳入它的管辖范围,它还必须以一种最统一的方式描述所有零件之间所有可能产生的相互作用,也就是——“力”。

到目前为止我们已经有了一些关于宇宙中最小距离的线索和想法,根据目前已知的12种基本粒子表格,包含了12种物质粒子,这些粒子目前还没法被进一步分解,我们也总结了这些粒子相互作用的三种可能,也就是刚才说的弱电力、强核力还有引力。以目前的趋势判断对于宇宙中的物质、力和空间,最终有可能得到只描述一种粒子和一种力的万物之理。它也许会指出宇宙中的最小像素或者证明这个像素是不存在的,有了这个理论,就能够拨开宇宙中万物的每一层,用一种力、一种粒子来解释一切,至今掌握的所有理论只涵盖了宇宙中的5%,到目前为止还是不知道怎样去理解宇宙中其余的95%。

广义相对论与量子力学

关于万物理论还有一个比较前沿的问题,那就是怎样把引力与量子力学结合在一起,这个是追求万物之理的一大障碍,对于宇宙有两种理论,确切的说是理论框架,它们两个就是“量子力学”和“广义相对论”。

  • 量子力学

宇宙中的每一样东西甚至包括力在内都是量子粒子,量子粒子是实体的微小扰动,因为它具有波动特性,所以具有内在的不确定性,这些扰动在宇宙中的某个层面四处运动,它们在相互作用的时候会交换波状的粒子,目前已经有了强核力和弱电力的量子理论,但是却没有引力的量子理论。

  • 广义相对论

这一个经典的理论,意味着它的提出是早于量子力学的,它不假设宇宙是量子化的,也不假设物质和信息是量子化的,但是广义相对论非常擅长把引力模型化,也就是去计算引力,在广义相对论里,引力都不是一种力,而是空间本身的弯曲,当某个物体具有质量的时候,它就扭曲了周围的时空,使得附近所有的东西都朝着一个物体弯曲。

通过上述有了能解释多数基本作用力的伟大粒子理论(量子力学)以及专门用来解释引力的理论(广义相对论),但是现在的问题是这两个理论它们不相容,如果能以某种方式把两个理论融合到一起,这样的话就能得到一个通用的理论框架,可以由此构建一种万物之理。而遗憾的是这个还没有实现,这个并不是因为科学家不够努力,当物理学家试图将量子力学和广义相对论融合到一起的时候,出现了两个大问题:

第1个问题:

量子力学似乎只在平坦没有弯曲的空间中才有效,如果试着让量子力学对弯曲空间中的引力发挥作用就会发生奇怪的事,起初为了让量子力学有意义,物理学家必须应用一种数学技巧,这个技巧叫“重整化”,这个技巧让量子力学能够处理一些无限的问题,比如说点粒子电子的无限电荷密度问题,还有电子辐射无限多的低能光子的问题,通过“重整化”物理学家相当于是把这些无限的问题都排除掉,假装一切都是有限的,但是遗憾的是当科学家想要把“重整化”技巧应用到弯曲空间的量子引力论的时候,它就不起作用了,当然这里面有很深的数学问题这里就不一一细讲了,简而言之就是在这样的环境里,无论想除掉多少后面都会不停的有无限多的问题出现,也就是说目前的量子引力论就是把量子力学和引力结合到一起的理论,这个理论总会给出包含无限性的预测,这意味着它们没法被检验,对此的理解就是引力有某种反馈效应,空间弯曲的越厉害,引力就越强,它吸引的质量也越多,引力的反馈效应它当然是非线性的,而在前面所说的弱电力和强核力的量子描述中不存在这种情况,因为它们所处的空间都是平直的。

问题总结:

当整合广义相对论和量子力学的时候,遇到的第1个问题其实就是数学问题,它造成的直接结果就是现有的理论没法去做计算。

第2个问题:

整合广义相对论和量子力学,它不单单是数学的问题了,而是哲学问题了,这两个理论对引力的见解有很大的差异,如果要把引力纳入到量子力学里,那么就需要找到传递它的粒子子,但是从来没有人见过这种粒子,严格的说直到最近才掌握了探测这类粒子的技术,而且目前还没有探测到它们。

基于以上这两个原因,这两个描述宇宙运行的理论就很难融合到一起,甚至不知道它们是不是有能融合到一起的可能性,现在不知道引力子会是什么样子的,而量子引力的融合理论总会做出有无限倾向的,没有意义的预测来,或许还没有找到真正适合融合这两种理论的数学工具,也许融合的方法有问题,也有可能两种原因都有,知道怎样计算量子力学中的力,但是不知道怎样用它去计算空间的弯曲情况。

怎样才能知道广义相对论和量子力学融合在一起了?

假设一下,科学家成功造出了太阳系那么大的粒子加速器,并且由此得到了普朗克长度,也就是最小的有意义的距离上的基本物质元素,一旦掌握了这一个物质的元素,就能够解释这些物质的基本量如何相互作用,并且共同形成更大尺度上的自然现象,假如这件事情真的做到了,这是不是意味着我们大功告成了呢?你可能听说过“奥卡姆剃刀原理”,他说如果两个理论都能解释一件事,那么比较简单的那一个更有可能是正确的。

物理学家的运气一向很好,他们总是能发现不同现象背后的相同本质,并且成功地简化理论,这个也是物理学家感到自豪的原因,我们可以追问是否有最简洁的理论,就如同我们可以追问是不是有最小的粒子,我们有可能证明宇宙中有最小距离或者最小粒子,但是我们能证明万物有最简洁的理论吗?我们怎样才能知道这件事情已经大功告成了呢?我们可能认为自己已经成功了,却又发现外星物理学家拥有一个更简洁的理论,我们首先就得考虑怎样衡量一个理论的简洁程度,那什么样的理论才是简洁的理论呢?是不是说它用的公式越短越好呢?

一个重要的评谈标准就是数字的个数,假设你想出了一个万物之理,你的公式中有一个数字,先别管这个数字到底是多少,反正它挺重要的,比如说它是最基本粒子微子的质量,而且必须知道这个数字的具体值才能应用这个理论,那么你自然就会想到拿刚刚说的建成的这个太阳系一样大的对撞机来测量出这个微子的质量,然后再把这个值代到你的理论里,那这样的话你的理论就完成了,你认为自己已经找到了最简洁的理论,可是这个时候呢,另外一个人带着另外一个万物之理出现了,他的理论和你的理论有一点儿不同,他这个理论推导出了微子质量的准确值,这个值一定是精确的一个数字,否则这个理论就不成立,它不需要测量这个值,因为这个值是它的方程给算出来的,这样一来,它的理论就比你的理论少了一个人为的变量,你的方程可能看起来比其他人的更简洁,但是它的方程却呈现了更多关于宇宙的信息,这是因为它的方程会告诉我们为什么微子的质量必须是那个值得,而你的理论只能手动去测量微子的质量值,但是却不知道为什么微子的质量是那个数值,那么这个人的理论涉及到的数字更少,意味着它更简洁、更基础,通过这么一个假设的例子,我就是希望说明这一点,想知道我们是否找到了万物之理,有一个方法是数一数这个理论设计多少个人为的数字,这样的数字越少,也就越接近宇宙洋葱的中心,也许这个中心没有任何数字,也许宇宙的精华是有一种了不起的数学,我们知道的所有数字,比如说引力常数,普朗克长度,都能从这个理论里推导出来,而不是测量出来的。

目前标准粒子模型里还有很多参数,这个标准粒子模型就是现在用的最广泛的粒子模型,这里面就包括用于描述夸克和轻子质量的12个参数,决定夸克之间相互转化的4个参数,还有决定弱电力和强核力强度的3个参数,还有就是用于希格斯理论的2个参数,加起来就有21个数字,这里面还不涉及引力、暗物质或者暗能量,而且这21个数字我们只能用,但是却不知道为什么它们是这样的数值。

事实上我们不知道怎样判断一个理论是不是万物之理,没人说得准,宇宙中的数字它是不是就是随机的,如果有一天我们最终发现了万物之理,这个公式里只有一个参数,这个数字的是4,那我们还要追问为什么这个数字必须是4呢!没有再去追问的必要了!

弦理论被认为具有数学之美,也具有理论之美

基本的数字也可能是在宇宙早期随机设定的,在其他的宇宙里它们可能有不同的数值,大多数这样的观点都背离了可证伪的科学假设,因为没法验证,它本身其实已经是哲学的范畴了,那么既然距离探测普朗克长度还有15个数量级,那么也许应该试试另外一种方法,这个方法是不穿过洋葱的每一层,一层一层的向下钻研,而是直接从中心出发,结果又是怎么样的呢?

这里从中心出发的意思就是不从10 ^24探测到10 ^-21不去找比夸克小一个层次的粒子,而是直接假设有一个最小的粒子,连夸克都比它还要大上10 ^15这么大的数量级,只要提出的万物之理最终能够解释看到的粒子还有力,那么从技术角度来说,这个理论就是探测不到的,这种直接假设中心的理论有很多,其中最有名的也就是“弦理论”了,在现代物理学里“弦理论”大概是最流行也是最有争议的理论了,它指出宇宙中的时空可能有十维十一维,甚至是更多,这些维度我们看不到,因为它们要么呈卷曲状,要么就非常小,其中充满了微小的“弦”,这些弦在震动,因为有多种震动方式,所以它们可以表现的很像我们已经发现了任何一种粒子,它们甚至可以解释还没有发现过的粒子,比如说——引粒子。

图解:目前最前沿的研究——可证伪的科学假设

更棒的是弦理论被认为具有数学之美,也具有理论之美,弦理论是一种真正的万物之理,因为它统一了所有的力,在最基本的层次上描述了现实的宇宙,不过弦理论还存在着几个问题,这些问题还挺严重的:

  • 第一:

尽管弦理论有希望描述整个宇宙,但是它现在还没能完全做到这一点,计算它的数学方法都还在完善当中,在把它看作一个完整的描述性理论,之前还有一些部分需要落实到位。

  • 第二:

弦理论只是一个描述性的理论,它没法做出任何我们能够检验的预测,那为了让人们搞清楚宇宙的最小单位到底是一个粒子还是震动的弦,每一种理论都必须做出可以供检测的预测,因为弦理论目前只在普朗克长度上研究物体,所以现在就没法对它进行检验,因为还探测不到这么高的精度,在这种情况下是不是相信弦理论,它是一个哲学、数学甚至是一个信仰的问题,而不是物理学问题。当然在未来的某一天,更发达的实验技术和更聪明的物理学家,很可能会在可检验的尺度上找到宇宙所具有的一种特性,而这种特性正好契合弦理论的预测,这样一来,弦理论也就通过了检验,当然这还没有成为现实。

  • 第三:

关于弦理论的最后一个难题是参数方面的,弦理论所预言的动力学是由时空维度的数量和形状决定的,可以通过很多种方法来选择维度的,这个维度是多大呢?是10^500,那这么多种可能性显然是太离谱了,弦理论的进一步公式化有望把这个数字缩小,但是它还有很长的路要走。

图解:弦理论模型

直到目前只能说弦理论在数学上它是最优美的,在可能性上我们又没有更好的选择,但是如果有人跟你说弦理论已经成为了终极理论,已经把这个宇宙解释的一点问题都没有了,你可千万别上当,花了这么多的时间来讲这个最终理论,最重要的是想给你破除一个误解,在回答与日常事务相关的问题的时候,这个万物理论其实并没有多大用处,即便万物之理可以揭示宇宙在最基本层面上的内在运行之理,它在实际方面很可能是没什么用的,前面所说宇宙就像一层一层的洋葱,每往上走一层都会有一种现象叫做“涌现”。

这个涌现是什么意思呢?举例说明:

我们看到手机屏幕的图像是由一个一个小的像素点组成的,假设它每一个像素点都是一盏小灯,而且拥有一个公式(能够精确的预测每一盏小灯在每一个时刻它会亮红、黄、蓝颜色里的每一种颜色),你用这个公式在微观上就能很准确的预测每一盏小灯的状态,但是无论你把这个状态预测的有多精准,你都不会知道现在这个手机在播什么节目,而你要知道在播什么节目呢,只要退的远一点看一眼就知道了,它是在西瓜视频节目还是在播天气预报,这个从底层往上层的现象就叫做“涌现”。

黄媂结语·寻找万物理论是专属于物理学家的一个执念

在真实的物理学里,当想描述一个弹球的运动的时候,可以根据牛顿力学把整个球作为一个受力物体来对待,那在这种情况下,你可以画出一道简单的抛物线,用一行数学公式就把情况给说清楚,当然你也可以用量子场论来描述这个弹球对组成弹球的10^25的粒子进行量子力学的模型化,追踪它们在彼此和环境相互作用的时候发生了什么,这在原理上讲得通,但在操作上不现实,理论上来说这样得出的答案也是对的,只不过从数学计算上完不成这个任务。

如果有关于最底层现实的正确理论,那么理论上就可以从中得到一切的知识,从银河系的形成到流体力学再到有机的化学,但实际上这个简直是天方夜谭,而且科学也不是这么研究的,没有人会指望一个冲浪者去理解弦理论,并且计算出一个波浪里有多少个粒子在运动中帮助他从冲浪板上站起来,在炒菜的时候你也不希望拿到用夸克和电子写成的菜谱。

如果早期的科学家必须从最基本的粒子开始研究,那我们就不可能取得任何的进展,所以其实你可以这么理解,寻找万物理论是专属于物理学家的一个执念,在这个寻找的过程里科学家一直在努力,他们想要获得的东西并不是这个理论能指导谁来做菜,而是揭示宇宙最深层也是最基本的真相,人类很擅长系统地描述周围的世界,从化学到经济学再到心理学,我们将很多科学的描述用于改善生活,治疗疾病,或者获得更快的网速,这些描述不够基本,只能描述涌现的现象,但是这并不影响它们的实用性和有效性,我们只是不能从这些理论里得到揭示宇宙真正运行机制的满足感。

我们想知道最深层次的真相,这并不是因为它能帮我们去做什么,而是因为我们必须知道为什么,今天谈到了很多寻找万物之理的障碍,但是这些障碍没法说服我们停止寻找,每当我们揭开又一层真相,每当我们向宇宙洋葱的中心又前进了一步,都会有新奇的结构出现在我们面前,让我们对自己的存在方式产生全然不同的理解,也许这就是人类和其他生物最大的区别吧。

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