物理學(xué)兩大基石的矛盾

隨著顯微鏡、加速器和望遠(yuǎn)鏡日益強(qiáng)大，我們能夠看到越來越小和越來越大的世界。在《最小有多?。孔畲笥卸啻?？》一文中，我們從最小的普朗克尺度不斷地穿越到可觀測宇宙的大小。

當(dāng)我們從肉眼可見的世界一直進(jìn)入到亞原子世界時就會發(fā)現(xiàn)，這些構(gòu)成物質(zhì)的微小粒子有著非常奇怪的行為，它們往往與我們的日常體驗(yàn)相悖。這些粒子的行為和相互作用需要用量子理論來描述。而在另一邊，星系和宇宙的演化，以及一些極端的天體（如黑洞），則需要應(yīng)用愛因斯坦的廣義相對論。

在《現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石》中，我們已經(jīng)介紹過這兩個理論。但是，這兩個理論之間的界限在哪里？我們可以模擬宇宙的開端或者黑洞的內(nèi)部嗎？就目前所知，在這樣極端的情況下，所有的物理定律都會失效。

宇宙中，已知的四種基本力分別是引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力。廣義相對論是目前描述引力的最好理論，而其他三種基本力則由量子場論描述。物理學(xué)家認(rèn)為，在很高的能量下，這四種力會被統(tǒng)一到一個單一的框架中，這樣的一個理論被稱為萬有理論。

格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（ Steven Weinberg）已經(jīng)成功地在高能下將電磁和弱相互作用統(tǒng)一到一個叫電弱理論的單一框架中。他們也因此獲得了1979年的諾貝爾物理學(xué)獎。這個理論所預(yù)言的傳遞弱核力的粒子（W和Z玻色子）在1983年被發(fā)現(xiàn)。

他們的成功讓一些理論物理學(xué)家使一些科學(xué)家相信，或許在更高的能量下，強(qiáng)核力、弱核力和電磁力都可以被統(tǒng)一起來。這種思想被稱為大統(tǒng)一理論。雖然在理論上具有足夠的吸引力，但在實(shí)驗(yàn)上，理論所預(yù)測的質(zhì)子衰變至今仍未被觀測到。

○四種基本力的統(tǒng)一。| 圖片來源：新原理研究所

但是，當(dāng)物理學(xué)家想要把引力也囊括進(jìn)來時，卻遇到了困難。如果我們試圖以最顯而易見的方式來調(diào)和引力和其他力，就會得到無窮大。但我們知道，真實(shí)的東西不可能有無窮大的值。因此，當(dāng)無窮大出現(xiàn)時，就意味著理論出現(xiàn)了問題。

對于空間中質(zhì)量非常大、但非常小的區(qū)域（比如黑洞內(nèi)部），廣義相對論就給出無窮大的解。同時，當(dāng)我們假設(shè)量子場論適用于任意小的尺度時，也會得到無窮大的結(jié)果。

其中一些問題可能在于支配廣義相對論的基本原理與支配量子力學(xué)的基本原理不匹配。廣義相對論告訴我們，空間和時間不是絕對的：它們本身也是動態(tài)的。相反，在量子場論中，空間和時間是定義場的固定背景：變量精確地依賴于它們所處的位置。

此外，我們對量子力學(xué)的詮釋與我們作為觀察者所扮演的角色是密不可分的。但在廣義相對論中，觀察者對理論沒有影響。

最后，廣義相對論需要一個被質(zhì)量彎曲的光滑的空間結(jié)構(gòu)。但量子力學(xué)的不確定性原理告訴我們，沒有什么是真正光滑的：即使是真空，也必須存在量子漲落?？雌饋磉@些理論的基本元素是不相容的。

為了解決所有這些問題，并讓廣義相對論和量子理論和平共處，物理學(xué)家在過去幾十年提出了許多的可能性，包括圈量子引力理論、因果集理論、因果動態(tài)三角剖分等。但在所有的嘗試中，只有弦理論最靠近這個目標(biāo)。

在過去，我們認(rèn)為這個世界是由粒子構(gòu)成的。但弦理論卻告訴我們，粒子并不是最基本的：在非常小的距離上，它們像是微小振動的弦。這些弦在量子力學(xué)和相對論都能很好的發(fā)揮作用。事實(shí)上，量子弦很容易產(chǎn)生我們觀測到的粒子。

盡管弦理論看起來極其優(yōu)美，但它要求許多復(fù)雜的概念。它依賴于超對稱，并需要假設(shè)存在額外維度。而最令人尷尬的是，目前還沒有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它是對的。

盡管如此，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個豐富的潛在結(jié)構(gòu)。弦理論具有重要而吸引人的對偶性，出乎意料地將數(shù)學(xué)和物理的不同領(lǐng)域聯(lián)系起來。而弦本身只是神秘時空膜的簡單例子。目前，大多數(shù)的研究都集中在ADS/CFT對應(yīng)上，但它還沒有被完全理解。