宇宙如何構成，物理學家為大統一都做了哪些努力！萬有引力、相對論、量子力學誰是最後贏家？跟我一起探秘吧

寫在前面的話：本文旨在用通俗易懂幽默風趣的語言來引領大家快速串導現代物理學研究的發展簡史，可以理解為一篇科普散文。相關表述可能有不嚴謹之處，還望大家多多包涵指正！

首先來張發軔阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·波爾兩人大辯論的1927年布魯塞爾第五屆索爾維物理大會的與會者全明星合影（全世界最聰明的人基本到齊了，目前仍未發現可超越跡象）。

近些年來，中微子一直是世界科學研究熱點，屬於得獎專業戶類型。遠的不說，3年前瑞典皇家科學院宣布日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟-麥克唐納因發現中微子震蕩獲2015年諾貝爾物理獎。

好吧，啥子是中微子？

說起來，中微子跟愛因斯坦的統一場還有些瓜葛。

好吧，啥子是統一場？

大家都知道愛因斯坦很偉大，他發現了相對論。其實，愛因斯坦研究相對論只用了十年，而研究統一場，他用了四十年！1922年他獲諾貝爾獎時已開始研究統一場。作為世界物理學新教皇，統一場立即成為世界關注的焦點，世界報刊集體斷言愛因斯坦將一勞永逸徹底解決宇宙所有問題，論文出版後一搶而空。愛因斯坦本人對公眾的狂熱非常吃驚。他雖然覺得統一場很出色，但畢竟這是物理學，又不是島國AV或流行歌曲，賣這麼多是要鬧哪樣？

統一場徹底迷住愛因斯坦，變成他與物理學界間巨型的黑洞，任何信息都無法穿透。每次物理大會都為愛因斯坦保留上座，但每次他都缺席。新聞界損失更大，他們平空失去了愛因斯坦這個取之不盡用之不竭的超級新聞庫，只好自製噱頭嘩眾取寵。連《紐約時報》這麼嚴肅的報紙，居然有天也印了一整版數學家都看不懂的數學符號，然後鄭重其事地宣布：「愛因斯坦研究的統一場將涵蓋行星旋轉、光線飛駛、地球引力、鑽石光澤、鐳元素的不穩定性、輕的氫和重的鉛、通過線圈的電流、物質、能量、時間、空間。」其實《紐約時報》不算髮高燒，統一場還真可能有這個本事。

相對論已成過去，未來，屬於統一場。

統一場研究成功，即可當場推翻量子論。相對論在研究原子核內的微粒子世界時完敗給量子論，愛因斯坦始終沒服這口氣。他認為統一場可以徹底解決原子核裡面的問題，從而一勞永逸地KO堅決要跟上帝打麻將的玻爾他們幾爺子。

Well，說了半天，到底啥子是統一場嘛？

嚴正聲明，說到底我不過是一業餘愛因斯坦愛好者，因此，說錯了不負任何責任哦。

物理學上的「場」指的不是足球場或殺豬場。它指的是有「力」在其中相互作用的一塊兒空間。這個「場」不是物質，看不見，卻也有重量和大小。愛因斯坦想統一的，就是通過這個「場」作用於物體的萬有引力和電磁力，即要說明這2種力源於同一種力。

好吧，老師，這個有啥用呢？

用處大發了，這樣就可以統一宇宙！就是說，我們就能知道宇宙到底是什麼和宇宙如何起源。

夠不夠震撼？

看官須知，按咱們現在的知識，構成宇宙的最基本要素是空間和物質，時間只是物質運動的先後次序。如果說宇宙有個中心點在運動，那宇宙必須跟著這個中心點運動，否則空間、時間和物質就無法統一，那宇宙就不存在了。舉太陽係為例：太陽自轉，太陽周圍的空間就隨太陽轉動，9大行星說是圍太陽公轉，其實轉一個角度看，它們只是靜靜地鑲在太陽周圍的空間上，我們覺得它們在公轉，是因為那個空間在圍著太陽轉。You know了吧？其實太陽和9大行星是靜止地鑲在這個空間上，運動的是太陽系，而這正好符合能量守恆定律。牛頓理論恰恰在這裡與能量守恆定律矛盾，因此他無法解釋星體為何自轉。牛頓只好說星體自轉是因為上帝蹬了它們一腳。可現在絕大多數物理學家已經不信上帝了，所以牛頓無法拿上帝的腳說服他們。

統一場研究的關鍵就是愛因斯坦要把已知的兩個最基本的力：牛頓的萬有引力與麥克斯韋的電磁力統一到一個數學框架（模型）中去。

列位看官，在物理學研究歷史中，追求統一是主流的，而且每次成功都帶動了物理學的飛躍：牛頓用萬有引力統一了地球上的萬物；麥克斯韋則統一了電和磁；而愛因斯坦用質能互換公式E=MC2統一了質量和能量。因此，愛因斯坦研究統一場，按物理研究傳統的十分合理的。

但是可是然而，直到愛因斯坦去世，統一場研究都沒成功。

這個沒成功還真不是愛因斯坦的責任，責任在於宇宙本身，因為宇宙中並非只有引力和電磁力，其實還有另外兩種基本的「強力」和「弱力」。強力連接原子核，弱力生成放射性。愛因斯坦並沒考慮到這兩種力，所以沒成功也就不足為怪了。

好吧，那啥子又是強力和弱力呢？

強力得從原子核說起。原子核之外的自然力只有引力和電磁力，可1912年盧瑟福發現原子核也由微粒子構成，於是問題就來了：原子核裡面的微粒子都帶正電，按電磁理論它們應當互相排斥，怎麼能緊密結合成原子核呢？一直到1928年，大家把後腦勺都撓爛了，24歲的蘇聯物理天才伽莫夫這才提出，其實原子核裡頭還有另外一種力，比電磁力強得多，能把核內微粒子都團結起來。因為它比電磁力強，所以叫「強力」。

好吧，那麼，啥子又是弱力？

弱力就得從中微子說起嘍。

1931年春羅馬國際核物理會議，奧地利物理學家泡利提出β在衰變過程中放射出電子之外還有一種新粒子，其靜止質量為零，電中性，但並非光子。正是它帶走了一部分能量，所以衰變後才出現了能量虧損。泡利稱這種粒子為「中子」，並斷言它在原子核裡面。當時義大利物理的中興霸主費米就跳出來支持他。1933年10月布魯塞爾第7屆索爾維物理大會專題討論原子核，參加會議的物理名宿有居里夫人和盧瑟福等，年輕一代包括泡利、伊雷娜·居里、約里奧·居里、查德威克、玻特、費米和伽莫夫等物理未來巨星。會上泡利再次提出「中子」假說，會後兩月費米寫論文論證泡利的「中子」，不過此時查德威克已發現了現在的「中子」，為示區別，費米就給泡利的「中子」這個詞加了一個義大利語後綴 ino（微小的），變成「neutrino」。

此即中微子。

雖然費米成功論證中微子，但物理界卻始終測不到它，因此中微子當時被稱為「宇宙隱身人」。中微子運動接近光速，幾乎無法被任何物質吸收，因此幾乎無法觀測，其觀測難度有多大呢？如果我們能做出地球那麼大的探測器，向它發射 1,000 億個中微子，也大約只能撞上1個。20多年後（1956）美國物理學家柯萬（Cowan）和萊因斯（Reines）等通過實驗觀測到中微子，憑此就獲得1995年諾貝爾物理學獎。

費米不止證明了泡利的發現，他還開創了原子核的量子研究，他認為質子和中子並非兩種不同的粒子，而只是兩種不同的量子態，因為電子的「軌道」只是電子的不同能量態，所謂「變軌」只是不同能量態之間的「電子躍遷」，所以，質子和中子也只是通過能量態的躍遷而相互轉化。

到底啥子意思嘛？

意思就是，原子核裡面根本沒有啥子電子和中微子！只有弱力作用於原子核，弱力讓一個中子從原先的能量態發生「躍遷」變成質子，而躍遷前後質能都會有損失，所以電子從高能態躍遷到低能態時會射出光子，中子在質子躍遷過程中會射出一個電子和一個中微子，這樣才能保持能量守恆。

就是說，費米證明了，能量依然守恆，能量守恆保衛戰就此宣告勝利。

好了，現在咱們有了牛頓的引力、麥克斯韋的電磁力、伽莫夫的強力和費米的弱力，宇宙4大基本力聚齊。愛因斯坦的統一場要統一的，就是它們。

1967年美國物理學家溫伯格等通過量子論統一了電磁力和弱力。後來又有科學家提出「大統一理論」成功統一電磁力、弱力與強力。但要統一引力就沒這麼容易啦，因為引力實在太弱了，微粒子的質量幾乎等於零，所以引力的強度只有強力的100萬億億億億分之一，咱們連100後面的零都數不清。總之就是無限小。當年愛丁頓觀測日全食，太陽這麼大的星球，其引力造成的星光彎曲也微乎其微，必須得用日全食照片來確認，就是這個道理。

強力和弱力都是微粒子之間的力，只有用量子論才能研究，但愛因斯坦研究統一場很重要的原因就是想推翻量子論！所以這研究無法成功。但不怕賊偷就怕賊惦記著，什麼事兒經得住這麼多科學天才成年累月沒日沒夜地惦記著啊？所以，後來終於被惦記出了希望。

希望來自哪裡？

居然來自：拋棄量子論！

我們今天知道，世上萬物，包括人的身體，都由原子和分子組成。可20世紀之前的人，包括牛頓這麼牛的人，都不這麼認為。

最早關心這個問題的是古希臘哲學家。這些偉大的先賢連近視眼鏡都沒有，卻想找到組成世界的最微小原素是什麼。這些人中最有名的是德謨克利特。他出身富裕，為科學走遍埃及、巴比倫等地，耗盡家財，剛回家鄉立刻被法庭指控「揮霍財產」，如罪名成立，他將被逐出城邦，死後也不能回鄉下葬。誰願意做異鄉鬼啊？於是德謨克利特在法庭上宣讀遊歷著作《宇宙大系統》為自己辯護，法官和陪審員一聽大驚失色：搞到這麼多科學新知，怎麼是「揮霍財產」？純粹賺翻了啊！於是判給他5倍的旅行費用。就在《宇宙大系統》中德謨克利特宣布，構成萬物的最基本元素是「不可分割的」（atom），此即後世的「原子」（Atom）。從此到牛頓為止，物理學家都認為「原子」構成宇宙，可後來不斷發現比原子更小的粒子（原子核、電子等），只好稱它們「基本粒子」（elementary particle）。基本粒子出現意味「原子」死亡，因為它們證明「原子」並非「不可分割」（atom）。

人類發現的第一個微粒子是1897年J. J.湯姆遜發現的電子（electron），當時無人相信，著名物理學家都認為湯姆遜在胡說。可電子雖然已經很「基本」，卻仍非「不可分割」，因為電子帶一個單位的負電荷，而原子應是電中性的，否則滿天的電子同性相斥，根本合不到一起，就不會有原子了，那就根本不會有什麼世界萬物啦。因此，原子應該由電子和另一種帶正電的基本粒子組成。1911年湯姆遜學生盧瑟福發現原子核，「原子」這才畫出了美麗的新圖畫——帶負電的電子圍著帶正電的原子核旋轉，剛好構成一個電中性的穩定的原子。

就這樣，原子不再是組成萬物的「基本粒子」。但後來科學家發現居然「基本粒子」也是由更小的微粒子組成，例如輕子和夸克的質量還不到質子和中子的萬分之一，現有的最精確電子顯微鏡都不能直接觀測到它們。所以現在物理學已經不說「基本粒子」了，因為實在不知道哪些粒子更「基本」。

愛因斯坦發起的統一場革命正發生對這些微粒子的研究中。科學家發現，粒子越小，能量就越高，如果把微粒子控制在極其微小的空間內，其引力就大大增強。也就是說，在更小的微粒子之間，引力又回來了！這意味著，在更小的微粒子空間中，引力有可能與其他3種基本力統一！那麼，最小的空間單位是什麼呢？就是普朗克長度（10的-33次方厘米）。宇宙的這4種基本力，最後就統一在普朗克空間！

我們都覺得科學理論超級枯燥，其實科學理論比最牛的美國科幻大片兒都精彩。我們覺得枯燥，是因為我們不懂，而絕大多數科學家也懶得給我們這些文科男女解釋。對整天在理論天空中展翅翱翔的「王」們來說，要把中微子和統一場說得我們都能聽懂，無異於焚琴煮鶴，還不如直接殺了他們痛快些。所以這個殺人的工作只能由我這樣的文科生來干！

這場物理革命不僅非常精彩，結果亦超級驚人：在普朗克長度下，相對論與量子論這兩大理論雙雙失效，一種全新的理論統一了相對論與量子論。

啥子理論？

超弦理論。

OK，啥子是超弦？

我們一直認為「基本粒子」就是一個沒有任何內部結構的微小的點，直到1970年日本物理學家南部陽一郎（2008年諾貝爾獎）提出超弦理論。

南部陽一郞在普朗克空間把基本粒子放到最大，才發現每個基本粒子裡面都有一根兒細細的弦在振動。這根兒弦只有長度沒有寬度。小提琴弦可以奏出無數優美的音符，而這根弦振動之後奏出的是數百種基本粒子和4種基本的力。這根弦細得可憐，即使用最精細的儀器測，它也顯得像個點，是1毫米的100億的100億的1,000億分之一（10的-34次方米），因此被稱為「超弦」（superstring）。看官須知，原子半徑約為1毫米的1,000萬分之一（10的-10次方米），而原子核直徑大約是原子的10萬分之一（10的-15次方米）。跟超弦比，原子核就算龐然大物了。這根超弦振動的速度比飛都快。小提琴琴弦的振動人眼已經看不清楚，但其實不過一秒鐘幾百次（10的2次方）而已，超弦一秒鐘振動100萬億乘100萬億乘100萬億（10的42次方）次，超弦兩端的運動速度是人所能想像的終極速度：光速！

量子論之父普朗克曾感嘆說：「我對原子研究的最後結論是——世界上根本沒有物質。物質是由快速振動的量子組成的。」古埃及和古希臘都談到宇宙有7個原理，最基本的是「振動原理」。古希臘哲學家說：「沒有任何東西是靜止的，一切都在振動。」直到20世紀我們都把這些話當哲學聽，超弦理論橫空出世，我們才發現，原來，這是物理！

超弦理論橫空出世，意味著數百種基本粒子全部統一到超弦上去了，這數百種基本粒子居然只不過是這根兒超弦的不同振動形式，而4種基本力都來自超弦空間。超弦讓基本粒子變成一個緊密的微小時空，宇宙中所有的巨大物理事件，包括宇宙大爆炸、黑洞與恆星死亡，都誕生於這個超級微小的時空之中！

夠不夠震撼？

然而，這還只是震撼的開始。

話說牛頓理論大行其道之時，咱們只知道3維空間，就是長、寬、高，後來愛因斯坦一棒子敲在咱們腦門兒上，同志們恍然大明白：還得加上時間。因此，咱們現在熟知的是4維時空。

超弦時空多少維？

最初的超弦時空有26維！否則它就要崩潰。愛因斯坦提出4維時空那年很多歐洲人都笑掉了大牙，所以歐洲牙科，尤其德國牙科，非常著名。現在居然有人提出26維！幸好這個理論很快就得到修正，否則歐洲就沒牙科了，因為所有的牙都笑掉了，大家都使牙床吃牛排。

超弦理論很快修正到10維。但它仍然顯得十分荒謬，所以直到1984年大部分物理學家都認為它是個笑話。但今天他們已經不笑了，因為科學證實咱們確實生活在10維空間，只是其中有6維緊緊蜷縮在一起，我們覺察不到。就像我們離很遠看一根兒水管，看見的是一根兒線，只有1維，但走近你會發現它還有個2維的橫截面，而這個橫截面的2個維度是蜷縮起來的，從遠處看不見。

1995年，美國物理學家威頓宣布超弦的10維實際上是11維時空。

11維時空，是我們現在對時空的最新認識。

超弦確實不好理解，因為人類生活在3維空間中，因此我們無法在2維的紙面上畫出11維。嚴格講，連物理學家都無法在頭腦中想像出11維時空，但他們卻巧妙地用數學工具來解決這個問題。例如邊長為2厘米的正方形是2維，其面積是4平方厘米（2厘米乘X2厘米），而邊長為2厘米的立方體就是3維的，其體積是8立方厘米（2厘米X2厘米X2厘米）。因此，4維空間中的超立方體（4維），其「體積」應為16立方厘米（2厘米X2厘米X2厘米X2厘米）。以此類推，就可以算出11維時空。10維超弦空間中隱藏的維度彎曲得很小，所以咱們看不見。就像地毯，我們走在上面，只能看見2維——長和寬，但如果把地毯放到放大鏡看，才發現還有組成地毯的絨線彎曲起來的那一維。這一維，我們走在地毯上的人感覺不到，但藏在地毯縫裡的跳蚤卻能感覺到。正因為多了這一維，跳蚤才能躲進去，讓我們這些只能看見「長」和「寬」這兩個「維度」的人看不見它們。超弦理論認為空間到處隱藏著這樣捲曲起來的維度，其長度非常短，跟超弦差不多。

二千多年前有個人叫朱泙漫，他變賣全部家產去跟著名的大師支離益學習屠龍術，辛辛苦苦3年學到手，提刀四顧，才發現世上並沒有什麼龍可屠。記下這個故事的人是莊子，屠龍術因此被當作好高騖遠的典型嘲笑了二千多年。

其實，相對論、量子論、超弦理論，包括中微子，個個都是屠龍術！

在日常生活和工作中如魚得水的人，一定能得到遠遠超過朱泙漫的褒獎和推崇，但是，他們永遠都不會成為屠龍武士。

而歷史，並不會記得如魚得水。

歷史只屬於屠龍武士！

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