人類真的能找到萬物理論嗎？

物理學家們希望找到一個單一的萬物理論來描述整個宇宙，但首先他們需要解決科學界最棘手的一些問題。

Katie Silver （BBC Earth）

最近的電影「萬物理論」講述了霍金的故事，被日漸惡化的疾病困在輪椅上的他仍然成為世界知名的物理學家。雖然故事主要描述了他與前妻簡的關係，不過還是抽出了點時間稍微解釋了一下他的工作。

他雄心勃勃，像很多物理學家一樣，追隨愛因斯坦未竟的事業，嘗試整合出一套「萬物理論」，用一個統一的理論來解釋宇宙中的一切。

如果能找到一個統一的理論來解釋我們宇宙中的一切怪異又神奇的現象，將是卓著的成就。幾十年來，一直不乏信心滿滿的物理學家聲稱已經離目的不遠了，然而，我們真的已經離解釋一切一步之遙了嗎？

宇宙中包含億萬個星系

從表面上看，一個萬物理論是個難以完成的任務。它需要解釋從莎士比亞的巨著到人腦的構成以及包含自然界的每一條山谷河流，正如劍橋大學的約翰巴羅所說，那將是囊括宇宙的大問題。

然而，巴羅認為找到這樣一個理論是完全可以想像的。因為自然界的法則其實沒有幾個，它們簡潔，對稱，而自然界所有的力只有四種。

「我們周圍的事物無限複雜，其實都是基本規律的作用結果，規律本身是簡單的。」巴羅說。

艾薩克牛頓，發展了光線，運動和引力的理論

1687年，對當時的科學界來說，萬物理論已經被發現了。

當時牛頓發表了著名的《自然哲學的數學原理》。其中他解釋了物體的運動原理以及重力法則。牛頓所展現的世界是個美麗且秩序井然的地方。

傳說在他23歲時，牛頓在花園裡散步時看到樹上的蘋果落下來。此時，他意識到應該是腳下的地球產生的力把它拉下來的。之後牛頓把這一理論進一步推演。

牛頓晚年的助手約翰康杜特曾說過，通過蘋果掉落的現象，牛頓想到，重力「不會只對地球表面的物體產生作用，它必然能延伸到比我們所想像的遠得多的地方。」根據康杜特的記錄，牛頓之後思考的是，「為什麼不能延伸到月亮的高度？」

太陽系（非正確比例）

在此啟發下，牛頓研究出引力理論。不光能運用於蘋果，同樣也可以運用於行星的運轉。所有看上去完全不同的物體，遵循同樣的法則。

這本書里也展現了物體運動的三大定律。與引力理論一起，這些法則解釋了從一個小球的運動軌跡到為什麼月亮繞著地球運轉。

巴羅說，「人們當時認為他已經解釋了一切，他的成就是無可比擬的。」

問題是，牛頓自己知道他的理論是有漏洞的。

水星具有古怪的公轉軌跡

比如，引力不能解釋為什麼小物體會自動黏在一起，僅僅憑它們所擁有的引力是不夠的。而且，雖然牛頓可以描述現象，卻不能解釋其背後的原理。他的理論是不完整的。

更大的問題是，雖然牛頓的理論可以解釋宇宙中大部分普通的現象，然而在一些情況下他的法則卻會被打破。雖然這些情況非常罕見，並且常常牽扯到極端的速度或超強的引力，可是它們卻實實在在的存在著。

其中之一便是水星的運行軌跡。水星是離太陽最近的行星。每個行星在公轉的同時也會自轉。通過牛頓的法則可以計算出它們是如何自轉的。然而水星的自轉卻是反常的，同樣奇怪的是它的公轉也是偏心的。

證據很明顯，牛頓的引力理論並非普適公理。

20世紀愛因斯坦帶來物理學界革命性的進展

兩個多世紀之後，愛因斯坦用他的廣義相對論解決了這個懸念。愛因斯坦的理論到2015年正好100周年，他從一個更深的角度理解了引力。

他的理論核心是時空的概念。時間和空間看似是完全不同的東西，實際上卻是緊密交織的。有長寬高三維的空間，而第四維我們稱之為時間。所有這四維交織成巨大的宇宙之毯。你要是在科幻電影里聽到「時空連續區」，就是指這東西。

愛因斯坦的宏大設想是，巨大如行星的物體，或是快速移動的物體，可以扭曲時空。想像一張緊繃的蹦床，如果你在上面放一個沉重的物體，它會發生彎曲和凹陷，而任何其他物體都會滾向這個重物。按照愛因斯坦的說法，這就是物體互相吸引的原理。

這是個非常奇異的設想，然而物理學家們卻被深深地說服了。比如這個理論就能很好的解釋水星的奇怪的軌道。

太陽的巨大質量影響了水星的運動

根據廣義相對論，太陽的巨大質量扭曲了它周圍的時空。

作為離太陽最近的行星，水星比其它行星經受了大得多的扭曲，廣義相對論的公式描述了彎曲的時空對水星軌道的影響，並且可以精確的測算出它的位置。

然而儘管擁有這些成功，廣義相對論卻還算不上是萬物通用的理論。如同牛頓的理論無法解釋巨大的物體，愛因斯坦的理論對微小的物體也束手無策。

當研究微小如原子的物體時，它們古怪的行為便難以解釋了。

原子有個內核被周圍的電子云圍繞

直到19世紀晚期，原子一直被認為是組成物體的最小粒子。原子atom一詞從古希臘的atomos演化而來，意思是「不可分割的」。顧名思義，它應該沒法再分了。

然而在1870年，科學家發現了比原子小2000倍的粒子。

通過對真空管內的光線稱重，他們發現了一種極輕帶有負電荷的粒子。這是人們第一次發現亞原子微粒：電子。

在之後的半個世紀中科學家又發現了原子核，被周圍的電子云所包圍。這個中心核是原子中最重的部分，由兩種粒子組成，不帶電荷的中子和帶有正電荷的質子。

這還不是故事的終點，之後，科學家繼續向下分解，不斷的重新定義「基本粒子」的概念。1960年時，已經有幾十種基本粒子被發現，列出一個長長的粒子名單，被稱為「粒子動物園」。

亞原子世界裡充滿了奇怪的粒子

我們今天的理解，原子內部有三種成分，電子是其中唯一的基本粒子。中子和質子還可以被分為更小的粒子成為夸克。

這些亞原子粒子遵循的是一套與大物體如行星或者一棵樹所遵循的完全不同的法則。這些新法則遠遠的難以預測，把既有的一套理論徹底顛覆。

在量子力學中，粒子沒有確定的位置：它們處於哪裡是模糊的。我們所能說的只有每個粒子在每個位置出現的可能性。由此看來，世界從本源上來說是個完全不確定的地方。

這聽上去實在太玄妙和極端，只能說不止你一個這麼想。量子物理專家理查德費曼曾說過，「我想我可以確定的說沒人能真正理解量子力學。」

愛因斯坦也無法忍受量子力學的模糊和不確定性。「儘管是學科的啟蒙者之一，愛因斯坦從來也沒有真正相信過量子力學。」巴羅說。

廣義相對論適用於大物體如恆星

廣義相對論和量子力學，一個管大一個管小，雖然不同，可有一點，它們在各自的領域都有驚人的精準性。

量子力學解釋了原子的結構和行為，包括為什麼一些原子有放射性。它也是現代電子學的基礎，沒有它你還看不了這篇文章。

而廣義相對論可以推演出黑洞的存在，它們是恆星向自身中心塌縮的產物。它們的引力場是如此強悍以至於連光線都無法逃脫。

根據廣義相對論，黑洞應該存在

問題是，這兩個理論並不相容，所以它們不可能同時都正確。廣義相對論下物體的行為可以被精確的預測，而量子力學下你只能知道物體行為的可能性。

這就意味著有些事情物理學家是無法描述的。黑洞就是這樣一個特別的問題。它們極其巨大可以適用廣義相對論，可它們同時又極其微小所以也可以適用量子力學。

不過除非你呆在黑洞附近，這種不相容與你並不相干。可是物理學家們卻在上個世紀為此傷透腦筋。正是這種不相容，驅使人們追求一個集大成能夠解釋萬物的理論。

愛因斯坦希望搞清楚宇宙的運行規則

愛因斯坦一生大部分精力都在尋找這樣一個理論。他不喜歡量子力學的隨機性，希望發現一個能囊括引力與其它物理學的統一理論，而把量子力學的奇怪現象都歸於一個次要結論中。

他的主要挑戰是把引力理論和電磁學結合起來。在19世紀，物理學家發現了帶電粒子會互相吸引或排斥，這也是為什麼一些金屬會帶有磁性。這說明了物體之間至少有兩種力，引力使它們互相吸引而電磁力使它們互相吸引或排斥。

愛因斯坦希望把這兩種力結合成為「統一場論」。為此，他把他的時空概念延伸到五維。除了三維空間和一維時間，他加入了第五維，他設想這第五維非常小以至於我們注意不到它。

但是這個設想失敗了，他辛苦鑽研三十年最後無功而返。直到1955年去世，他仍然沒有發展出統一場理論。但在之後的十年中，萬物理論的競爭者中，一個強勁的對手橫空出世，那就是弦理論。

也許萬物不是由粒子，而是由弦組成的

弦理論背後的設想非常簡單，組成世界的基本單位，比如電子，根本就不是粒子，而是微小的線圈或者「弦」。只不過它們都太微小，以至於被當作粒子。

就像吉他上的琴弦一樣，這些線圈都在一定的張力下，依據各自不同的尺寸會產生不同頻率的震動。這些震蕩會決定它們表現出什麼「粒子」的特性。某種震蕩下它表現得像個電子，另一種震蕩下它可能表現為另一種粒子。二十世紀發現的所有粒子從本質上都是同種弦，區別只是不同的震蕩方式。

這個理論貌似很不起眼。但是它卻能解釋自然界所有的力：引力，電磁力，以及二十世紀發現的另外兩個力：強核力和弱核力。

也許弦理論就是我們找尋的答案

強核力和弱核力只有在原子核的微小範圍內才能產生作用，所有人們一直沒有注意到它們。強核力把原子核中的所有粒子緊緊吸引在一起。弱核力通常不發揮作用，當形成一定的強度就能打破原子核的組成，這就是為什麼有些原子有放射性。

作為萬物理論就必須解釋所有這四種力。幸運的是，量子力學可以解釋兩個核力和電磁力，每種力都由一種粒子傳遞。然而卻沒有一種粒子可以用來傳遞引力。

有些物理學家認為有這樣一種粒子，他們稱之為「引力子」。引力子必須沒有質量，以粒子方式自旋，並以光速運動，可惜還從未被人找到過。

這時弦理論來了，它描述一種弦與人們設想的引力子完全一致，以粒子方式自旋，沒有質量，並以光速運動。這是廣義相對論與量子力學第一次找到共同的基礎。

所以上世紀80年代中期開始，物理學家對弦理論激動不已。巴羅說，「1985年我們發現用弦理論可以解答歷經過去50年懸而未決的問題。」

弦理論有重要的問題

對初學者來說，全面理解弦理論是不可能的。牛津大學的菲利普坎德拉斯說，「弦理論非常難以描述。」

它的預測模型極為怪異。愛因斯坦為了解決統一場理論引入了一個隱藏的維度，而早期的弦理論則引入了26個維度，必須要這樣才能使其數學運算的結果與已知世界相一致。

在更加先進的版本，稱為「超弦理論」中，已經精簡到10個維度。然而這與我們看到的3維空間還是相差甚遠。

巴羅說，「除了我們可以感知的三個維度之外，其餘的維度都太小沒有展開。只有這樣解釋，才不至於與我們的常識衝突。」

圈量子引力認為時空是分裂的碎片

因為這些以及類似的問題，很多物理學家無法被弦理論說服。其中一些提出另一個理論：圈量子引力理論。

這並不是為了統合粒子物理理論的嘗試，而是為了構建引力的量子化理論。它比弦理論的範疇小，同時也更靈活。

圈量子引力設想時空是由不連續的小碎塊構成。宏觀的看它像是一個連續的整體，而微觀的看它是無數的點，由線或線圈相連。這些交織在一起的細小纖維，為引力提供了一個解釋。

這個設想和弦理論一樣燒腦，也面臨同樣的問題：沒有實驗證據。

此後我們向哪裡發展

為什麼這些理論發展起來都困難重重？可能原因很簡單，我們知道的還不夠多。如果存在什麼重要的現象而我們從未見過，那我們的拼圖就始終是缺損的。巴羅說，「人們很容易認為已經掌握了一切信息，然而事實上至今為止我們也還缺乏很多知識。」

還有更加迫切的問題。這些理論很難進行檢驗，因為其牽涉到的數學太詭異。坎德拉斯已經投入多年尋找測試弦理論的方法，而毫無進展。

「阻止弦理論取得進展的一大障礙是，沒有足夠強大的數學工具來支持物理的研究。」巴羅說，「它還處於非常早期的階段，還有很大的發展空間。」

儘管存在很多問題，弦理論仍然很有前途，坎德拉斯說，「人們從多年前就開始嘗試把引力與其它物理現象結合起來，我們可以很好的解釋電磁力和其它的力，可是卻不能解釋引力。希望弦理論可以把它們融合起來。」

真正的問題是，一個解釋萬物的理論可能根本無法被識別出來。

弦理論把自己繞進迷宮

當弦理論在八十年代被廣泛接受時，其實當時有五個版本。巴羅說，「人們當時就開始有疑慮，如果存在解釋萬物的理論，為什麼會有五個之多?」

在接下去的十年間，物理學家發現了這些版本可以相互轉換，它們是同一件事物的不同角度的解讀。

最終的出路是M理論，在1995年提出。這是弦理論的一個深層次的版本，結合了早期的所有版本。看上去非常好，至少我們回到一個單一的理論。M理論同時也只需要11個維度，至少比26個強。

然而M理論並非只給出一個萬物理論，而是億萬個。總共M理論可以給出10的500次方個理論，全部都邏輯上一致並且每一個都可以用來描述一個宇宙。

這樣看來好像還不如沒有，可物理學家們卻認為這指向一個更深的事實。

弦理論設想有多重宇宙

最簡單的結論是，我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個。每個宇宙都與M理論中眾多版本中的一個相符。這就是多元宇宙。

在時間之初，多元宇宙就像「一大團充滿氣泡的泡沫，每個氣泡都有稍許形狀尺寸的不同。」巴羅形容說。而之後每個氣泡擴展成各自的宇宙。

「我們只在其中的一個氣泡當中，當氣泡擴張的時候，可以有其它氣泡在其內部產生，每一個又形成一個新的宇宙，使宇宙的"地形』變得十分複雜。」巴羅說。

每個宇宙有一套各自的物理法則

在每個宇宙的內部，運行一套統一的物理法則。這就是為什麼我們的宇宙中所有的東西有一致的行為模式。

但是在其他的宇宙中，物理規則會是不同的。「我們宇宙中的法則就相當於"地方法』，它們統治我們的宇宙但不是所有的宇宙。」巴羅說。

沿著這個方向我們得出一個奇怪的結論，如果弦理論真的是結合廣義相對論和量子力學的最好方法，那麼它既是又不是萬物理論。

另一方面，弦理論可能很好的描述了我們自己的宇宙，但它也不可避免的推導出除了我們之外必然存在萬億個其它宇宙，每一個都是獨一無二的。

「一個重大的想法上的轉變是，我們不再期望找到一個單獨的萬物理論，」巴羅說，「有多少種想法就會有多少種理論。」

我們生活的宇宙是其中一個奇怪的世界
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