我們會有萬有理論嗎？

凱蒂·西爾弗

物理學家想找到一個可以描述整個宇宙的理論，但在此之前，他們必須解決一些科學上最難解決的問題。

電影《萬有理論》講述了史蒂芬·霍金的故事。在這部電影中，雖然大部分時間都在講述史蒂芬·霍金與其前妻簡的故事，但也擠出了一點兒時間解釋了一下霍金在物理學上都做了些什么。

當然了，霍金絕不缺乏雄心壯志，他是眾多試圖提出一種萬有理論的物理學家中的一員。萬有理論是指能夠解釋我們所處宇宙中的一切事物的理論。阿爾伯特·愛因斯坦曾經試圖找到這樣一種理論，但是他失敗了，而霍金追隨著愛因斯坦的腳步繼續(xù)前進。

如果能夠找到萬有理論，那將是一項驚人的成就，可以使我們最終搞清宇宙中所有不可思議的、令人稱奇的事情。幾十年來，信心滿滿的物理學家一直都在說這一理論面世指日可待。那么，我們是不是真的即將把所有事物都弄明白了？

從表面上看來，萬有理似乎是一個難以完成的任務，它必須能解釋所有，從莎士比亞的著作到人類大腦的工作原理，再到自然界中存在的森林和村莊。英國劍橋大學的約翰·巴羅說：“這是一個關于天地萬物的問題?！北M管如此，巴羅還是認為找到萬有理論是“很有可能的”，因為“真正算得上自然規(guī)律的定理是相當少的，真正的自然規(guī)律通常既簡單又對稱，而且宇宙中只有四種基本力”。

從某種程度上說，我們必須拋開我們所處的這個世界的復雜性?！斑@些規(guī)則帶來的結果——我們所看到的發(fā)生在我們身邊的事情——遠比其本身要復雜，甚至可以說是無限復雜的。”巴羅說，“在幕后統(tǒng)治著所有這些的規(guī)則，卻可能很簡單?！?/p>

牛頓在花園中散步，看見一個蘋果從樹上掉下來

1687年對一些科學家來似乎已經找到萬有理論了。那一年，英國物理學家艾薩克·牛頓出版了一本書，向人們解釋了物體是如何運動的，并且描述了萬有引力是如何發(fā)揮作用的。這本書就是《自然哲學中的數(shù)學原理》，它向我們展示的是一個美麗而有序的世界。

據(jù)說故事是這樣的：在牛頓23歲那年的一天，他正在花園中散步，看見一個蘋果從樹上掉下來。當時，這位物理學家已經朦朦朧朧地意識到地球能夠借助重力的作用把物體拉下來。牛頓將這一想法做了進一步的提煉和升華，認為引力“并不只是在距離地球一定的范圍內才有，這一力量必定還存在于遠遠超過我們通常認為的距離范圍”。根據(jù)牛頓晚年的助手康迪特的記錄，牛頓當時說過這樣一句話：“為什么引力不會遠達月球呢？”

受此啟發(fā)，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，不僅很好地解釋了蘋果為什么會掉到地上，也很好地解釋了行星為什么圍繞著太陽公轉。這兩個看似風馬牛不相及的問題，最終被證明遵循著同一個自然定律。

在《自然哲學中的數(shù)學原理》中，牛頓還提出了物體運動所遵循的三大定律。這些定律與萬有引力定律結合在一起，就能夠很好地解釋當你拋出一個球，這個球是如何運動的，同時還能夠解釋為什么月球圍繞著地球運行。

“當時的人們認為，牛頓已經將所有應該解決的問題全都解決了?！卑土_說，“牛頓取得的成就是空前的?！眴栴}是，牛頓自己很清楚，他的工作是存在漏洞的。

例如，萬有引力不能解釋小天體是如何把自身團聚在一起的，因為它的引力強度不足以做到這一點。此外，雖然牛頓可以描述正在發(fā)生的事情，但他無法解釋這一切是如何發(fā)生的。牛頓的理論是不完整的。

還有一個更大的問題。雖然牛頓定律解釋了宇宙中的許多現(xiàn)象，但在某些案例中，物體的運動打破了他的定律。這種案例十分罕見，通常會涉及極限速度或者強大的引力，但它們的確存在。

其中之一就是水星的軌道，它是距離太陽最近的行星。由于大多數(shù)行星在圍繞太陽自轉的同時還進行著公轉，牛頓定律應該可以用來推算它們的自轉方式。然而，牛頓定律在水星身上不靈了。同樣奇怪的還有，水星的軌道是偏離中心的。牛頓的萬有引力定律并不適用于全宇宙，因此不是一個完全意義上的定律。

真正很重的物體比如行星，或是運行速度真正稱得上很快的物體，可以扭曲時空

牛頓時代結束后，又過了兩個多世紀，愛因斯坦帶著他的廣義相對論來拯救現(xiàn)代物理學了。愛因斯坦的廣義相對論向人們展示了其對萬有引力更深層次的理解。

廣義相對論的核心觀點是，雖然時間和空間看上去風馬牛不相及，但實際上，它們是交織在一起的。空間有三個維度：長、寬、高，而宇宙中還有第4個維度，我們稱之為時間。這4個維度以一種巨大的宇宙面的形式被聯(lián)系在一起。如果你曾經在科幻電影中聽到有人提及“時空連續(xù)統(tǒng)”，那么他們說的就是它了。

愛因斯坦提出的偉大觀點就是，像行星一樣，真正稱得上很重的物體，或是運行速度真正稱得上很快的物體，可以扭曲時空。這有點兒像蹦床：如果你在上面放一個重物，蹦床的平面就會變形并發(fā)生彎曲凹陷，于是其周圍的所有物體都會向著這個重物處滾落。根據(jù)愛因斯坦的說法，這就是萬有引力將物體牽拉在一起的原因。

這絕對稱得上是一個極其荒誕的想法。但是物理學家已經證實，這是真的。舉一個例子來說吧，它能夠解釋水星的軌道為什么如此怪異。根據(jù)廣義相對論，太陽的巨大質量扭曲了它周圍的時間和空間。作為距離太陽最近的行星，水星遭遇的這種時空扭曲要遠遠大于太陽系中的其他行星。廣義相對論的方程式可以解釋這種扭曲的時空是如何影響水星軌道的，并且能夠精確地預測出水星的位置。

然而，盡管廣義相對論對水星軌道問題的解釋十分成功，但也并非萬有理論。正如牛頓的理論不適用于真正稱得上是巨大的物體一樣，愛因斯坦的理論也不適用于真正稱得上微小的事物。一旦你將目光轉向微觀世界，比如原子，就會發(fā)現(xiàn)物質的舉動真是十分怪異。

科學家已經找到了可以將物質分得越來越小的方法

直到19世紀末期，人們一直認為原子就是物質結構的最小單位?！霸印币辉~源自希臘語，意為“不可分割”。正如其所定義的那樣，人們當時認為原子是不能夠再分成更小粒子的粒子了。但是在19世紀70年代，科學家發(fā)現(xiàn)了質量只有原子1/2000的粒子。

通過在真空管中計量該粒子射線重量的方式，科學家發(fā)現(xiàn)這是一種不同尋常的射線，它是由帶負電的粒子形成的。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)亞原子粒子：電子。在接下來的半個世紀里，科學家發(fā)現(xiàn)，原子有一個核心，而電子圍繞該核心飛速旋轉。這一核心由中子和質子兩種類型的亞原子粒子構成，占據(jù)了原子質量的絕大部分，中子不帶電荷，而質子帶正電荷。

但是事情并未結束。自那時開始，科學家就找到了將物質分得越來越小的方法，并不斷地重新定義著基本粒子的概念。到了20世紀60年代，科學家已經發(fā)現(xiàn)了幾十種基本粒子，并且列出了一份被戲稱為“粒子動物園”的長長的清單。

愛因斯坦從未真正相信過量子理論

就我們今天的理解而言，在組成原子的三種粒子中，電子是唯一的基本粒子。中子和質子都可以被進一步分成更小的微型粒子，即夸克。

與支配大物體，如一棵樹或者一顆行星運行的定律相比，支配這些亞原子粒子運行的是一套迥然不同的定律，而這些新定律——基本不具備預測性——擾亂了整個物理學界。

在量子物理學中，粒子是不能被準確定位的，它們的行蹤模糊不定。我們能說的只是，每一個粒子出現(xiàn)在具體哪個位置有一定的可能性。這意味著，整個世界從根本上來說就是一個不確定的世界。

你也許覺得這高深莫測并脫離實際，有這種感覺的人不只你一個。物理學家理查德·費曼是一位量子理論方面的專家，他曾經說過：“我可以非常有把握地說，沒人真正理解量子力學?！?/p>

愛因斯坦也被量子力學的模糊不清所困擾?！氨M管愛因斯坦在別人的慫恿下嘗試理解量子力學，但他從未真正相信過量子理論。”巴羅說。

所以一切還是照舊，廣義相對論和量子力學在它們各自的領域被人們一而再再而三地證明是無比精確的。量子物理學已經正確解釋了原子的結構和行為，還包括為什么有些原子有放射性，同時還為現(xiàn)代電子學打下了基礎。沒有量子物理學，你就不可能讀到這篇文章。而與此同時，廣義相對論則被用于預測黑洞的存在。

但問題是，量子理論與廣義相對論不能相互兼容，因此兩者不可能都是對的。廣義相對論告訴我們，物體的行為是能夠被準確預測的，而量子力學則告訴我們，你能知道的只是物體將要如何變化的可能性。

這意味著，到現(xiàn)在為止，還有一些事情是物理學家無法描述的。黑洞就是一個具體的例子。它是如此巨大，廣義相對論對它是適用的，但同時它又很小，量子力學對它同樣適用。

當然了，除非你接近一個黑洞，否則這種不兼容性并不會影響你的日常生活。但是，在20世紀的大部分時間里，物理學家都被這種不兼容性所困擾。也正是這種不兼容性，驅使人們去尋找萬有理論。

愛因斯坦花費了他生命中的大部分時間，試圖找到這樣一種理論。他從來就不是量子力學不可測性的擁躉，他想創(chuàng)立一個理論，將萬有引力和物理學的其他部分結合在一起，而量子具有的詭異性，只是該理論中的次級結果。

他面臨的主要挑戰(zhàn)是將萬有引力與電磁力協(xié)調到一起。早在19世紀，物理學家已經得出結論，帶電粒子可以相互吸引或者相互排斥，這也是有些金屬能夠被磁鐵吸引的原因。這意味著在物質之間有兩種力可以發(fā)揮作用：一方面，它們之間可以通過萬有引力相互吸引，另一方面，也可以通過它們的電磁場相互吸引或排斥。

愛因斯坦想用統(tǒng)一場論把這兩種力結合在一起。為了做到這一點，他把他的時空維度擴展到了5個。愛因斯坦加上的這個第五維度很小，而且是卷曲的，我們無法看到它。但是這一做法根本沒用，愛因斯坦在這個問題上花費了30年，徒勞無功。到愛因斯坦1955年逝世時，他的統(tǒng)一場論仍未被證實。在隨后的10年中，在爭奪萬有理論寶座的賽場上，統(tǒng)一場論最強勁的對手出現(xiàn)了，它就是弦理論。

人類在20世紀發(fā)現(xiàn)的所有粒子，實際上都是同一種弦

弦理論背后的理念簡單得出奇。這個世界的基本組成部分，比如電子，實際上根本就不是粒子，而是小“環(huán)”或者說是小“弦”。這些弦是如此之小，所以看上去僅僅是一個點。就如同吉他上的弦，這些弦環(huán)也是有張力的。這就意味著它們也會以不同的頻率振動，頻率的大小視它們的大小而定。

這些振動決定了每一個弦看上去是什么種類的粒子。一個弦以某種方式振動，你看到的就是一個電子；當這個弦以另外一種方式振動時，你看到的就不再是電子，而是其他粒子了?！叭祟愒?0世紀發(fā)現(xiàn)的所有粒子，實際上都是同一種弦，只不過它們振動的方式不同罷了”。

也許人們無法一眼就看出為什么弦理論是個好主意，但是它似乎搞清了在自然界中起作用的所有的力：萬有引力和電磁力，還要加上人們在20世紀才發(fā)現(xiàn)的兩種力——弱核力和強核力。

人們第一次為廣義相對論和量子力學找到了共同點

強核力和弱核力只在微小的原子核內起作用，這也是人們花費了如此長的時間才注意到它們的原因。強核力將原子核結合在一起。弱核力通常無所事事，但如果弱核力變得足夠強大了，就會造成原子核的分裂。這就是有些原子有放射性的原因。

任何萬有理論都必須能夠解釋這四種力。幸運的是，兩種核力和電磁力已經被量子力學解決了。每一種力都是由一種專門的粒子來實現(xiàn)的，但沒有一種粒子可以實現(xiàn)萬有引力。有些科學家認為存在這種粒子，他們將其稱為引力子。引力子必須沒有質量，以一種特定的方式旋轉，并且可以以光速傳播。不幸的是，至今尚未找到過它。

這正是弦理論的由來。弦理論中描述的弦看上去正如一個引力子：弦以一種適當?shù)姆绞叫D，沒有質量，并且以光速傳播。弦理論第一次為廣義相對論和量子力學找到了共同點。因此，在20世紀80年代中期，物理學家對弦理論都極感興趣。巴羅說：“1985年，我們意識到弦理論解決了近50年來人們一直致力解決的一大堆問題。”

但是，弦理論本身也有一大堆的問題。首先，“我們還未真正弄明白弦理論的全部細節(jié)，沒有一種很好的方式可以去描述它?！庇＝虼髮W的菲利普·坎德拉斯說。同時，根據(jù)弦理論的預測，將得到一些十分荒誕的結果。愛因斯坦的統(tǒng)一場論僅僅依賴一個隱藏著的第五維度，最早的弦理論則需要多達26個維度，而且這些維度必須是真實存在的，才能使宇宙與弦理論在數(shù)學上取得一致。即便是弦理論的最新版本——超弦理論，也需要10個

維度才可以做到這一點，這與我們在地球上能夠看到的三維相去甚遠。

“對此我們只能調和著來說，在我們的世界中，我們只能看到向外擴展的三個維度。”巴羅說，“其他的維度其實就在那里，只是對我們來說它們都小得非同尋常，以至于我們無法察覺到?！?/p>

圈量子引力告訴我們，時空實際上是分成很多小塊的

由于弦理論存在著種種問題，許多科學家并不信服弦理論。一些科學家已經轉而研究另一種理論：圈量子引力理論。圈量子引力論并不試圖將粒子物理學整合在一起，以打造一種包羅萬象的理論，而是試圖為萬有引力找到一種量子解釋。圈量子引力理論比弦理論的局限性更大，但也并非一無是處。

圈量子引力理論認為時空實際上是分成小塊的。當你將畫面拉遠，它似乎是一個平滑的表面，但當你將畫面拉近的時候，它就變成了一堆由線或圈連接的點。這些細線編織在一起，就為萬有引力提供了一種解釋。

然而，這一理論同弦理論一樣面臨著一堆問題，比如，沒有過硬的實驗證據(jù)。

盡管有著各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的

為什么這些理論一路走來總是磕磕絆絆呢？有一種可能是，我們知道的根本就不夠多。“認為我們已經發(fā)現(xiàn)一切的想法，的確很誘人?！卑土_說，“但是，我們能否在2015年為所有已經觀測到的現(xiàn)象找到一個萬有理論，還很難說?！?/p>

還有一個更直接的問題。這些理論真的很難進行測試，其中一個最主要的原因是，數(shù)學是一門很麻煩的學科。多年來坎德拉斯一直在努力尋找一種測試弦理論的方法，但到目前為止仍未成功。

“阻礙弦理論發(fā)展的主要障礙是我們擁有的數(shù)學知識不足以推動物理學的研究進展?！卑土_說，“我們現(xiàn)在還處在初期階段，還有很多很多東西等著我們去探索?！?/p>

盡管有著各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的。“多年來，人們一直試圖將萬有引力和其他物理現(xiàn)象統(tǒng)一起來?！笨驳吕拐f，“我們已經有了可以解釋電磁力和其他力的理論，卻找不到一種理論解釋萬有引力。有了弦理論，我們就可以把它們糅合在一起了?！?/p>

而真正的問題，簡單地說就是我們可能無法甄別出萬有理論。

M理論其實并沒能提供一個萬有理論

當弦理論在20世紀80年代開始流行時，就有5個不同的版本?！叭藗冮_始擔心，”巴羅說，“如果真的存在一個萬有理論，它怎么可能有5個版本呢？”在接下來的10年中，物理學家發(fā)現(xiàn)，這些理論是可以互相轉換的，它們只是看待同一事物的不同方式。

最終的結果是M理論的出現(xiàn)。M理論是在1995年提出的，是弦理論的一個更深層次的版本，包容了所有的早期版本。這看起來很好，至少我們又回到了一個理論，而且M理論只需要11個維度，比26個維度好多了。

但是，M理論提供給人們的并不是一個萬有理論，而是數(shù)以萬億計的、數(shù)不清的萬有理論。精確地說，M理論給了我們10500個理論，而且這些理論在邏輯上都是一致的，也都具備描述一個宇宙的能力。

這看起來也許比無用的理論還要糟糕，但許多物理學家現(xiàn)在認為，它指向的是一個更深層次的真理。

M理論有一個最簡單的論斷，那就是我們的宇宙是多個宇宙中的一個，而M理論的每一個版本可對應解釋其中的一個宇宙。這個巨大的宇宙是由多個宇宙集合成的多重宇宙。一開始，多重宇宙就像“一個由多個泡泡組成的巨大泡沫，所有宇宙只是在形狀和大小上略有不同?！卑土_說。而后，每個泡泡各自擴展成了自己的宇宙。

“我們就在這些泡泡中的一個里?！卑土_說。隨著泡泡們的擴展，在其內部可能會出現(xiàn)新的泡泡，每一個新的泡泡都是一個新的宇宙?！斑@就使得宇宙地理學變得相當復雜了”。

存在著數(shù)以萬億計的其他宇宙，每一個都是獨一無二的

在每一個氣泡形的宇宙內，適用同樣的物理法則。這就是在我們的宇宙里一切行為表現(xiàn)似乎都相同的原因。但在其他宇宙內，規(guī)則就完全不同了。“在我們的宇宙中存在的物理法則，就好比是地方法則?！卑土_說，“這些物理法則統(tǒng)治著我們的宇宙，但并不適用于所有宇宙。”

這會使我們得出一個奇怪的結論。如果弦理論真的是將廣義相對論和量子力學結合在一起的最佳方式，那么它既是萬有理論，同時又不是萬有理論。一方面，弦理論使我們能夠對自己的宇宙有一個完美的描述，但它似乎又會不可避免地導致我們得出這樣的結論：在我們的宇宙之外還有數(shù)以萬億計的其他宇宙，而且每一個都是獨一無二的。

“也許它對我們想法的最大改變，就是使我們不再期望存在什么獨特的萬有理論?！卑土_說，“可能的理論如此之多，它們幾乎填滿了我們思維中的每一個可能性。”