寻找世界最初的“一” 解放周一07－新知 新思－解放日报

寻找世界最初的“一”

——科学前沿系列之五

2014年5月5日   解放周一07：解放周一07－新知 新思     作者：彭德倩

---

　　看身边，花草虫鱼飞禽走兽；放眼望，蓝天白云日月星辰，宇宙万物从何而来？遵循着什么样的规律生生不息？ 2500多年前，中外哲学家不约而同探寻着万物之理。

    中国的老子曾说，万物之本源是道，道者理也。道生一，一生二，二生三，三生万物。

    古希腊的德谟克里特认为，万物均由不可分割的原子构成。他的同胞，毕达哥拉斯则提出，“万物皆数”。

    这些古代的先哲们或许没有想到，千百年后，探寻能解释万物之理的“统一场论”，已成为理论物理学界的前沿领域。

    我们正感知着的存在和运动，有何规律？基本单位是什么？物理学家们艰难跋涉，寻找世界的“道”，和那个最初的“一”。

■ 本报记者  彭德倩

物理学中的不断“统一”

    阐明自然界各种相互作用的性质和规律，本就是物理学基础研究的一个极其重要的方面。是否存在一个基本规律、基本方程，能完整解释整个世界？仍是未解之谜。但对物质世界的统一和谐的坚定哲学信念，以及竭力探求事物内在本性的顽强欲望，推动着一代又一代科学家，追逐“统一场论”的路上前赴后继。爱因斯坦将后半生的精力献给了这一事业。在他的深刻思想的影响下，“统一场论”已成为当前物理学界的重要研究方向。

    事实上，近代物理学正是在不断“统一”中发展。

    伽利略让比萨斜塔上两个轻重不同的球同时落地，宣告实验物理学诞生。开普勒仔细分析了第谷多年观测行星运动所积累的大量数据，得出行星运动三定律。他们的后辈牛顿，根据前两者的研究结果，总结出牛顿运动方程，有人说：“牛顿将天上与人间和谐地统一起来了。 ”至此，奠定了经典物理学的基础。

    安培、法拉第等人发现“电动生磁，磁动生电”，将电学与磁学统一为电磁学。麦克斯韦集电磁学之大成后创新，证明光是电磁波，将电磁学与光学统一。至此，形成经典物理学的重要组成部分。

    19世纪末，以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为支柱的经典物理学登峰造极。英国物理学家开尔文说：“大厦已建成，剩下的只是一些修饰工作。但在物理学晴朗的天空中有两朵乌云：一是迈克尔孙光速实验结果与以太说抵触，二是经典黑体辐射理论的紫外发散与实验不符。 ”

解释世界，“一山不容二虎”

    这两朵乌云，引来的是物理学领域中意义重大的两次 “大统一”。

    1900年，普朗克将辐射量子化，消除了紫外发散，得到与实验符合的黑体辐射理论，奠定量子论基础。 1913年玻提出电子量子化轨道理论，解释了氢原子光谱。海森堡与薛定谔分别提出量子力学基本方程，不仅能解释所有原子的光谱，并统一描述各种微观粒子之低速（远低于光速）运动规律，是为微观物理学第一次大统一。

    在那之后，人们发现分子，所有分子皆由元素周期表上几十种原子构成。20世纪发现原子由原子核和绕核运动的电子构成，原子核由质子和中子构成，而质子和中子均由夸克所构成。电子夸克及光子等称为基本粒子。物理学家发现基本粒子之间存在四种作用力：万有引力、电磁力、弱力、强力，分别对应于引力场 （引力子）、电磁场（光子）、弱力场（W、Z粒子）、强力场（胶子）。 1928年狄拉克和费因曼等人创立量子场论，后经过许多人共同努力发展出标准模型，将电磁力弱力强力以及所有基本粒子纳入统一理论框架，是为微观物理学之大统一。

    1905年，爱因斯坦创立狭义相对论，解释了迈克尔孙实验，否定了以太和牛顿的绝对时空。狭义相对论基于光速不变原理及协变原理，将时间和空间联合为时空连续统一，是为时间空间之统一；由此导出质能相当原理，是为质量能量之统一。1915年他创立广义相对论，将万有引力归结为时空弯曲，是为物理学与几何学之统一。广义相对论基于两个基本原理：等效原理及协变原理，具有坚实的理论基础。经过数百次实验检验，从未发现一例违反。完成了宏观理论的大统一。

    微观世界中，量子论“称雄”，它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等，但遗憾的是尚未把引力纳入其标准模型。宏观世界中，广义相对论关于引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应等预言，已通过了所有观测和实验的验证。

    科学家们发现问题来了！描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论在根本上有冲突，后者的平滑时空与微观下时空剧烈的量子涨落相矛盾，这意味两者不可能完整地描述世界。一山难容二虎。如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，建立一个完备并且自洽的量子引力理论，从而到达真正的“万物之理”？研究者们踏上新的征程。

万物本源，追问仍在继续

    探索统一场论者分为两大派：以弦论为首的多数派从量子论出发，以圈论为首的少数派从广义相对论出发。弦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”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦论者坚持多维空间，在现实生活的三维之外，多余空间卷曲收缩为微小的拓扑结构隐藏起来了，各种不同的拓扑结构共有一万亿亿……亿亿 （共62个亿）之多。这么多拓扑结构各具有不同的理论及其预测，这也为这一方向下的研究带来了更多变数。

    还记得吗？知名美剧《生活大爆炸》里，当科学宅男莱纳德被问及物理学有啥新发现时，曾这样 “吐槽”：“自从1930年以后就停滞不前了，除了弦理论。并且你还是无法证明弦理论。最多可以说：‘嘿，瞧，我的观点在内在逻辑上是一致的！ ’”

    从广义相对论出发的圈论全称是圈量子引力论。1986年由阿许特卡创立，成为弦论的主要竞争者。圈论者主张万物皆圈，弦与圈皆为一维实体，区别在于弦可开可闭，圈必须是闭合的。圈论者主张空间是不连续的，只有一系列离散点，最小长度为普朗克长度 （约一千亿亿亿亿分之一米）。对这一理论的研究，在宇宙演化及黑洞理论等方面有所贡献，并已涉足基本粒子，得出一些定性结果，但至今仍无定量微观理论。而物理学是实证科学，理论必须经过实验证明才能成立。

    科学家们沿着以弦论及圈论为代表的两大学术方向，历经四十多年坚持努力，前者尚难以推导出基本方程，后者虽有宏观方程，但在解释微观世界时仍有缺憾。僵持之下，一些学者开始寻找新的路径。

    去年10月第4期 《现代物理杂志（JournalofModern Physics）》上发表的论文《随机量子空间理论——同一场论新版本》，引发学界关注。作者美籍华裔物理学家沈致远历时八年，创立“随机量子空间理论”，同样以广义相对论为立足点，与圈论不同的是，他在基本原理中引入“几率”这一变量，将连续的高斯几率分布加在相隔为普朗克长度各个离散点上，既保持空间连性续，又顾及普朗克长度。换句话说，空间包含无数千变万化互相隔离的闭合轨道，在一条轨道中基本粒子内部运动是完全确定的，基本粒子在何时跃迁到哪一条轨道是不确定的，由相应的几率决定。这一全新理论视野中，所有物理场统一为一个真空场，所有基本粒子统一为真空场不同的激发态。值得关注的是，根据这一基本理论，目前已推算出9个基本粒子质量，其中6个已知粒子与实验值符合，3个是尚未发现粒子，作为预测正待实验验证；同时还算出了二十多个物理参量，均与实验值符合；并提出25项预测，以供实验检验。“欢迎更多同好参加进来，群策群力，”在沈教授看来，新理论目前只是统一场论的一家之言，还有许多理论课题待解……

    这场关于万物本源的追问，千百年前，始于先贤的哲学思辨，至今已成科学家们争相追逐的终极命题。对它的探索，步步荆棘，却仍将继续。