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(lái)越小和越來(lái)越大的世界。在《最小有多??？最大有多大？》一文中，我們從最小的普朗克尺度不斷地穿越到可觀測(cè)宇宙的大小。

當(dāng)我們從肉眼可見(jiàn)的世界一直進(jìn)入到亞原子世界時(shí)就會(huì)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(lái)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(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

在《現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石》中，我們已經(jīng)介紹過(guò)這兩個(gè)理論。但是，這兩個(gè)理論之間的界限在哪里？我們可以模擬宇宙的開(kāi)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(huì)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(duì)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(chǎng)論描述。物理學(xué)家認(rèn)為，在很高的能量下，這四種力會(huì)被統(tǒng)一到一個(gè)單一的框架中，這樣的一個(gè)理論被稱為萬(wàn)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(gè)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(jiǎng)。這個(gè)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(lái)。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(cè)的質(zhì)子衰變至今仍未被觀測(cè)到。

○四種基本力的統(tǒng)一。| 圖片來(lái)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(lái)時(shí)，卻遇到了困難。如果我們?cè)噲D以最顯而易見(jiàn)的方式來(lái)調(diào)和引力和其他力，就會(huì)得到無(wú)窮大。但我們知道，真實(shí)的東西不可能有無(wú)窮大的值。因此，當(dāng)無(wú)窮大出現(xiàn)時(shí)，就意味著理論出現(xiàn)了問(wèn)題。

對(duì)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(duì)論就給出無(wú)窮大的解。同時(shí)，當(dāng)我們假設(shè)量子場(chǎng)論適用于任意小的尺度時(shí)，也會(huì)得到無(wú)窮大的結(jié)果。

其中一些問(wèn)題可能在于支配廣義相對(duì)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(duì)論告訴我們，空間和時(shí)間不是絕對(duì)的：它們本身也是動(dòng)態(tài)的。相反，在量子場(chǎng)論中，空間和時(shí)間是定義場(chǎng)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(duì)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(duì)論中，觀察者對(duì)理論沒(méi)有影響。

最后，廣義相對(duì)論需要一個(gè)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(méi)有什么是真正光滑的：即使是真空，也必須存在量子漲落。看起來(lái)這些理論的基本元素是不相容的。

為了解決所有這些問(wèn)題，并讓廣義相對(duì)論和量子理論和平共處，物理學(xué)家在過(guò)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(dòng)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(gè)目標(biāo)。

在過(guò)去，我們認(rèn)為這個(gè)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(dòng)的弦。這些弦在量子力學(xué)和相對(duì)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(cè)到的粒子。

盡管弦理論看起來(lái)極其優(yōu)美，但它要求許多復(fù)雜的概念。它依賴于超對(duì)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(méi)有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它是對(duì)的。

盡管如此，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)豐富的潛在結(jié)構(gòu)。弦理論具有重要而吸引人的對(duì)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(lái)。而弦本身只是神秘時(shí)空膜的簡(jiǎn)單例子。目前，大多數(shù)的研究都集中在ADS/CFT對(duì)應(yīng)上，但它還沒(méi)有被完全理解。