近現(xiàn)代史300年人類的“物理學(xué)的憂傷”

“這是一篇信息量極大的文章，我不知道有多少人能真正讀完。但希望大家能靜下心來(lái)，暫且拋開生活的油鹽醬醋茶，好好去感受一下——這些似乎離我們的生活太遠(yuǎn)的智慧和知識(shí)?！?/p>

盛宴已過(guò)，天才再無(wú)用武之地？

人類歷史上，有一群頂尖天才存在。

正是因?yàn)橛辛怂麄兊拇嬖?，人類才擁有壯麗文明和科學(xué)神話。

回首人類近現(xiàn)代史300年，這是科學(xué)“群星閃耀”的年代，他們的的名字是：哥白尼、伽利略、牛頓、費(fèi)馬、歐拉、高斯，黎曼，伽羅瓦、麥克斯韋、希爾伯特、愛(ài)因斯坦、玻爾、狄拉克、哥德?tīng)?、圖靈、費(fèi)曼、拉馬努金、楊振寧、外爾、威藤、霍金…………

他們并非個(gè)個(gè)家喻戶曉，有的甚至命運(yùn)多舛，但無(wú)論歲月如何風(fēng)云變幻，最后我們必須承認(rèn)，正是這些人構(gòu)成了人類文明不斷向前的基石。

是的，他們本來(lái)和我們一樣，只是宇宙中一粒塵埃，但他們的思考力，卻能洞穿整個(gè)宇宙。

但如果有一天，天才再無(wú)用武之地了呢？

最近，物理學(xué)家楊振寧先生說(shuō)高能物理“盛宴已過(guò)”，第二次在公開場(chǎng)合反對(duì)中國(guó)建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)，再次引發(fā)強(qiáng)烈爭(zhēng)議。表面上楊振寧反對(duì)中國(guó)建設(shè)對(duì)撞機(jī)，但實(shí)際上是對(duì)“基礎(chǔ)粒子研究”失去信心，這可是物理學(xué)最前沿的領(lǐng)域，也是物理學(xué)終極理論的希望之所，也就是說(shuō)，一個(gè)頂尖物理學(xué)家對(duì)當(dāng)代最前沿的物理學(xué)研究方向不再信任，這就是“物理學(xué)的憂傷”。

這決不是某一個(gè)人的觀點(diǎn)，而是很多物理學(xué)家的共識(shí)：理論物理學(xué)已經(jīng)開始走入空想主義，“科學(xué)圣杯”距人類愈發(fā)遙遠(yuǎn)，依靠大型對(duì)撞機(jī)對(duì)基礎(chǔ)粒子的研究從而推動(dòng)物理學(xué)向前躍進(jìn)，已經(jīng)走入了死胡同。

近60年來(lái)，再無(wú)獲得共識(shí)的偉大的物理學(xué)理論問(wèn)世；

近60年來(lái)，也再無(wú)偉大的物理學(xué)家被奉為“燈塔”；

近60年來(lái)，也再無(wú)激動(dòng)人心的新人理論得到驗(yàn)證；

很多時(shí)候，我們甚至懷疑，真的有一個(gè)超級(jí)文明將我們的物理學(xué)鎖死了！

回首人類物理簡(jiǎn)史，看看“盛宴已過(guò)”到底是危言聳聽(tīng)，還是智者箴言？

一、從創(chuàng)世說(shuō)起

一切回到宇宙本原，重新來(lái)思考物理學(xué)的一切。

宇宙是從什么時(shí)候開始的呢？現(xiàn)代科學(xué)普遍接受“宇宙大爆炸”理論，英文叫做Big Bang！

“哈勃紅移”和“宇宙微波背景輻射”這兩大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持了這一理論：宇宙就是源于一個(gè)大爆竹。

當(dāng)然你可能會(huì)問(wèn)，那爆炸之前是什么呢，點(diǎn)燃爆炸的人又是誰(shuí)呢？這些問(wèn)題屬于哲學(xué)的范疇，不屬于科學(xué)的領(lǐng)域，如果一定要死嗑這個(gè)問(wèn)題，牛頓會(huì)用“上帝是第一推動(dòng)力”來(lái)忽悠你的。

創(chuàng)世的剎那，開始于10E^- 43 秒……（10的負(fù)43次方秒，也稱為普朗克時(shí)間，人類已知的最小時(shí)間存在。普朗克時(shí)間=普朗克長(zhǎng)度/光速。光速定義值：c=299792458m/s=299792.458km/s。）請(qǐng)注意了，這是一個(gè)定義值，而不是一個(gè)測(cè)量值。

創(chuàng)世時(shí)間表：

10E－43秒，十維宇宙分裂成一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙。六維宇宙崩潰，縮成10E－32公尺。四維宇宙（我們今天所在的宇宙）則迅速爆炸，此時(shí)的溫度高達(dá)10E32（10的32次方）度；

10E－35秒，大統(tǒng)一作用力崩解；

10E－9秒，電弱對(duì)稱崩解，此時(shí)的溫度是10E15度；

10E－3秒，夸克開始凝聚，中子與質(zhì)子出現(xiàn)，此時(shí)的溫度是10E14度；

3分鐘，質(zhì)子與中子開始凝聚成穩(wěn)定的原子核；

30萬(wàn)年，電子開始凝聚在原子核周圍，第一個(gè)原子出現(xiàn)；

30億年，第一個(gè)似星體(quasar)出現(xiàn);

50億年，第一個(gè)星系出現(xiàn)；

100～150億年，太陽(yáng)系誕生，又經(jīng)過(guò)數(shù)十億年，地球上出現(xiàn)了第一個(gè)生命。

不管你信不信，這是目前已經(jīng)成為眾多科學(xué)家普遍共識(shí)的創(chuàng)世時(shí)間表。

表中所述的那個(gè)數(shù)量級(jí)上的時(shí)間、長(zhǎng)度、溫度等等所有的數(shù)值，沒(méi)有任何一個(gè)是可以直接測(cè)量的，因?yàn)槟壳霸蹅內(nèi)祟惖募夹g(shù)和工具水平，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能企及到那個(gè)數(shù)量級(jí)。

但是，人類的天才們做到了——這個(gè)時(shí)間表里面的每一個(gè)數(shù)字的背后，都是一堆嚴(yán)密的公式和演算，都是無(wú)數(shù)的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家嘔心瀝血的結(jié)晶，這些結(jié)論是基于科學(xué)本身做出的演繹和推理，而不是憑空想像。

二、物理學(xué)的最前沿在哪里？

回顧宇宙極簡(jiǎn)史之后。

現(xiàn)在要問(wèn)的是，物理學(xué)最前沿的研究領(lǐng)地在哪里？

今天，尋找最古老的問(wèn)題的答案就是物理學(xué)最前沿的研究方向。

我們從創(chuàng)世時(shí)間表的第一個(gè)事件談起：十維宇宙分裂。

維度和多維宇宙：

一只在直線上行走的毛毛蟲只能前后移動(dòng)，所以，我們把直線或曲線叫做：一維空間；

一只阿米巴扁平蟲可以在球面上前后左右移動(dòng)，所以，我們把平面或曲面叫做：二維空間；

一只鳥在我們的空間可以上下前后左右移動(dòng)，所以，我們的空間叫做是：三維空間；

加上時(shí)間一維，我們的世界是四維的，合稱時(shí)空。

依此類推……

如果，有人告訴你，多維空間（四維以上）的人，看著我們的保險(xiǎn)柜或房子時(shí)根本就是內(nèi)外一目了然，就像我們看二維平面上的圓圈一樣？因?yàn)槲覀儞碛械谌S的“上帝視角”。

阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界，我們?nèi)绾巫C明我們所能感知的所謂“真實(shí)”，豈不是也受限于我們自己的認(rèn)知條件？

人類的大腦和眼睛，只是為了應(yīng)付三維空間和四維時(shí)空的各種情況演化出來(lái)的，因此它們不具備辨識(shí)和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認(rèn)為：宇宙真正的時(shí)空，其實(shí)是一個(gè)十維的空間，其中四維是愛(ài)因斯坦的時(shí)空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個(gè)和它’垂直’的還有一個(gè)很小很小的六維流形。在這個(gè)十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說(shuō)法，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動(dòng)這些弦造成不同的音高與音色，于是產(chǎn)生不同的基本粒子，進(jìn)而發(fā)展出所有的物質(zhì)與作用力。

最新的“M理論”，由當(dāng)代物理巨匠威藤提出，結(jié)合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論，藉由單一個(gè)理論來(lái)解釋所有物質(zhì)與能源的本質(zhì)與交互關(guān)系。

“超弦理論”和“M理論”都野心勃勃想統(tǒng)一廣義相對(duì)論與量子力學(xué)，完成愛(ài)因斯坦的夙愿，構(gòu)建終極“大統(tǒng)一理論”，這就是理論物理學(xué)最前沿的研究方向。

三、如何構(gòu)建“大統(tǒng)一理論”？

構(gòu)建“大統(tǒng)一理論”著手點(diǎn)是統(tǒng)一四種自然力，必須從最基礎(chǔ)的粒子作用開始研究，由于微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力（強(qiáng)核力）、弱相互作用力（弱核力）。理論上宇宙間所有現(xiàn)象，包括十維空間都可以用這四種作用力來(lái)解釋。

只有四種自然力：

兩千年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們宇宙的所有現(xiàn)象，都可以簡(jiǎn)化成四個(gè)作用力：

1、電磁力（electromagneticforce)：包括電力、磁力和光本身，合稱為電磁力。電荷（磁級(jí)）正負(fù)相同為排斥力，相反為吸引力。由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比。長(zhǎng)程力，在四種力中第2強(qiáng)。

2、強(qiáng)核力 (strong nuclearforce)：是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞（束縛質(zhì)子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子傳遞）。在有效距離內(nèi)，距離越大，力約大。短程力，在四種力中最強(qiáng)，也是恒星燃燒能量的自然力，氫彈的爆炸正是運(yùn)用強(qiáng)核力的原理。

3、弱核力 (weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物質(zhì)的衰變形態(tài)，是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，較弱，短程力，作用在夸克級(jí)的粒子。是四種力中第3強(qiáng)的。

4、重力 (gravitational force，或稱引力）：由引力子傳遞，與質(zhì)量成正比，距離成反比。長(zhǎng)程力，在四種力中最弱。

為何要統(tǒng)一自然力？

一旦人類將所有的作用力整合成一個(gè)作用力，這時(shí)會(huì)有什么突破？

人類能夠改變時(shí)空的結(jié)構(gòu)，了解宇宙萬(wàn)物的來(lái)龍去脈，讓物質(zhì)變得井然有序。任意地組合與改變粒子，制造出前所未有的物質(zhì)形態(tài)。我們甚至能左右空間的維度數(shù)，成為宇宙的主宰。

回看一下人類掌握“力”的歷史：

人類誕生的歷史超過(guò)數(shù)千萬(wàn)年，在99.99%時(shí)間里，人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量，大概只有八分之一馬力；

十萬(wàn)年前，隨著手持工具的發(fā)明，人類的能量輸出倍增，達(dá)到一又四分之一馬力；

牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力和運(yùn)動(dòng)定律，讓力學(xué)被簡(jiǎn)化成條理分明的方程組?，F(xiàn)代機(jī)械原理催生出蒸汽機(jī)，人類掌握的能量達(dá)到數(shù)十到數(shù)百馬力；

麥克斯韋爾方程式，啟迪了愛(ài)迪生等發(fā)明家，人類進(jìn)入電力時(shí)代，能量級(jí)數(shù)獲得飛躍，極大地改變了人們的生活。

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論為人類打開了核能利用的時(shí)代，人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

四、那些“統(tǒng)一自然力”的天才們

黎曼、硬剛“歐幾里德”和“牛頓”的巨人

1854年6月10日，數(shù)學(xué)天才黎曼在德國(guó)哥廷根大學(xué)發(fā)表了《關(guān)於幾何基礎(chǔ)的假設(shè)》，撼動(dòng)了兩千年來(lái)從未被動(dòng)搖過(guò)的歐幾里德幾何學(xué)。

黎曼認(rèn)為歐幾里德數(shù)學(xué)根基只是常識(shí)與直覺(jué)的流沙，而不是扎實(shí)的邏輯推演結(jié)果。

比如，歐式幾何說(shuō)三角形三個(gè)內(nèi)角之和等于180度，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，在數(shù)學(xué)史上卻從來(lái)沒(méi)有被嚴(yán)密證明過(guò)！而且，假如身處彎曲表面的世界，這個(gè)公式就不成立了。

黎曼作出了牛頓兩百年來(lái)首次劃時(shí)代重大突破，徹底推翻了牛頓的超距作用原則，他認(rèn)為：作用力源自于幾何學(xué)，作用力只是由于幾何結(jié)構(gòu)扭曲所造成的必然現(xiàn)象。（在牛頓早已成神的年代，說(shuō)出這樣的結(jié)論需要何種氣魄。）

總結(jié)一下黎曼的偉大之處：

1、他以多維空間理論簡(jiǎn)化了所有自然作用力；認(rèn)為電力與磁力和重力一樣，只是高維空間彎曲產(chǎn)生的結(jié)果。

2、他提出了蟲洞（warmholes）的概念，黎曼切口是多重連結(jié)空間的一個(gè)最簡(jiǎn)單范例。

3、他以“場(chǎng)”來(lái)描述重力，以“度量張量”（Riemann metric tensor）描述空間里每一個(gè)點(diǎn)的重力場(chǎng)。

黎曼英年早逝，并未找出電力與磁力的場(chǎng)方程式，也沒(méi)有計(jì)算出空間要褶皺到什么程度才足以描述不同的作用力，這幾項(xiàng)重要發(fā)展留給了麥克斯韋爾和愛(ài)因斯坦。

麥克斯韋：電和磁的合并者

麥克斯韋，一個(gè)被忽視了堪與牛頓齊名的大科學(xué)家。

1873年麥克斯韋出版了電磁學(xué)專著《電磁學(xué)通論》。系統(tǒng)總結(jié)了19世紀(jì)中葉前后，庫(kù)侖、安培、奧斯特、法拉第的研究成果，建立了完整的電磁理論。

將電力和磁力統(tǒng)一了起來(lái)，這讓后來(lái)的愛(ài)因斯坦都感受到了壓力。

費(fèi)曼說(shuō)到：“從人類歷史的一種長(zhǎng)久觀點(diǎn)看---例如從至今以后一萬(wàn)年間的觀點(diǎn)來(lái)看，19世紀(jì)中最重要的事件將被判定為麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的電動(dòng)力學(xué)定律，同時(shí)期的美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)將褪色而成為只有地區(qū)性的意義了。”

有了電磁學(xué)，才有了現(xiàn)代光學(xué)、電工學(xué)、電子學(xué)，就不可能有電氣化和通信技術(shù)。

麥克斯韋一輩子太低調(diào)，我們幫他總結(jié)一下“光輝成就”：

1、建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論；

2、建立光的電磁理論，預(yù)言電磁波的存在；

3、為愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論鋪路。

愛(ài)因斯坦：御光者

1、狹義相對(duì)論，光速恒定? E＝mc2

愛(ài)因斯坦小時(shí)候就喜歡自問(wèn)自答：“如果你追上一束光線，它看起來(lái)是什么樣子？你會(huì)不會(huì)看到一束靜止的光波，凍結(jié)在時(shí)間中？”這個(gè)問(wèn)題，讓他在后50年里，帶領(lǐng)人類走進(jìn)了時(shí)空神秘之旅。

16歲時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)世界上似乎并沒(méi)有能夠追上光速的東西。26歲時(shí)，他用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)證明了這一發(fā)現(xiàn)。在瑞士專利局擔(dān)任低階職員的他，用麥克斯韋爾的場(chǎng)方程式推導(dǎo)出狹義相對(duì)論（special relativity）。

用一句話概括狹義相對(duì)論，那就是：光速在任何恒動(dòng)架構(gòu)里恒為常數(shù)。這個(gè)定理表面上看并不顯眼，但確是人類心靈的最偉大成就之一！

愛(ài)因斯坦進(jìn)一步導(dǎo)出了下一個(gè)重大的結(jié)論：質(zhì)量是從能量來(lái)的。

這個(gè)結(jié)論，一舉推翻了十九世紀(jì)的兩大物理發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量守恒和能量守恒。自此以后，質(zhì)量與能量被視為單一單位：質(zhì)-能（matter-energy）。

26歲的愛(ài)因斯坦同時(shí)給出了質(zhì)能變動(dòng)的方程式，那就是著名的 E＝mc2。

讓我們?cè)賮?lái)追尋一下狹義相對(duì)論的推導(dǎo)過(guò)程：

光速恒定?時(shí)間變慢?質(zhì)量不恒定?“質(zhì)量-能量”相互轉(zhuǎn)換? E＝mc2

狹義相對(duì)論，統(tǒng)一了“時(shí)-空”，也統(tǒng)一了“質(zhì)-能”。

統(tǒng)一了“時(shí)-空”以及“質(zhì)-能”之后的愛(ài)因斯坦，進(jìn)一步思考“時(shí)空”與“質(zhì)能”之間的關(guān)系，也就是狹義相對(duì)論所忽略的加速度，還有重力。

這關(guān)乎了他的下一個(gè)巨大成就：廣義相對(duì)論。

2、廣義相對(duì)論，空間是彎曲的?力學(xué)＝幾何學(xué)

愛(ài)因斯坦由一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題開始：“如果一個(gè)人處于自由落體狀態(tài)，他就不會(huì)感覺(jué)到自己的體重？”愛(ài)因斯坦透過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題掌握了重力基本特性：在加速度架構(gòu)下的自然律和重力場(chǎng)的定律是一樣的。這就是所謂等效原理（equivalence principle）。

透過(guò)等效原理，愛(ài)因斯坦重新思考關(guān)于光速的問(wèn)題：光速會(huì)受重力影響，重力場(chǎng)會(huì)扭曲光線的行進(jìn)路線。

但是，根據(jù)費(fèi)瑪最短時(shí)間原理，光線會(huì)采取兩點(diǎn)之間最短時(shí)間路徑，愛(ài)因斯坦再次得出一個(gè)令人震懾的結(jié)論：如果我們可以觀測(cè)到光線以曲線前進(jìn)，那就意味著空間本身是彎曲的?。ü庖郧€前進(jìn)這一預(yù)測(cè)，已經(jīng)被后人的無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)反復(fù)證明。）

愛(ài)因斯坦進(jìn)一步得出結(jié)論：質(zhì)能的存在造成周圍時(shí)空的彎曲。

數(shù)學(xué)家黎曼早在1854年就提出了作用力與空間彎曲的關(guān)系，并提出了重力場(chǎng)論。愛(ài)因斯坦利用黎曼的研究成果，用數(shù)學(xué)形式表達(dá)了他自己的物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，這就是廣義相對(duì)論（general relativity）。

讓我們?cè)賮?lái)追尋一下廣義相對(duì)論的推導(dǎo)過(guò)程：

光線以曲線前進(jìn)＋光線走兩點(diǎn)間最短時(shí)間路徑?空間是彎曲的?“質(zhì)-能”造成“時(shí)-空”彎曲?力學(xué)＝幾何學(xué)

愛(ài)因斯坦的偉大，止步于他的第三次嘗試！

在狹義和廣義相對(duì)論之后，他終其一生研究統(tǒng)一場(chǎng)論，尋找萬(wàn)物之理。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是試圖尋找一個(gè)公式，能夠同時(shí)描述光與引力?？上?，他最終沒(méi)有成功。

愛(ài)因斯坦的“大統(tǒng)一理論”雖然恢宏，但并未收到廣泛關(guān)注和普遍認(rèn)同，領(lǐng)一時(shí)風(fēng)氣之先的是另一套全新的理論：量子力學(xué)（quantum mechanics）

量子力學(xué)的先驅(qū)們：整合了三種自然力

1925年，以玻爾、玻恩、薛定諤和海森堡為代表的一組科學(xué)家，已經(jīng)對(duì)原子運(yùn)動(dòng)給出了幾近完整的數(shù)學(xué)描述，我們稱之為量子力學(xué)。

這是一套與黎曼、愛(ài)因斯坦學(xué)說(shuō)迥異的解釋自然力的理論，它的主要理論觀點(diǎn)包括：

1、作用力是由于不連續(xù)的能量包交換而產(chǎn)生（也就是量子：quanta）；

2、不同的作用力的產(chǎn)生來(lái)自于不同量子的交換；

3、我們永遠(yuǎn)無(wú)法同時(shí)知道次原子粒子的速度及其位置；

這里包括著名的海森堡測(cè)不準(zhǔn)定理，這個(gè)聽(tīng)起來(lái)不怎么靠譜的定理，卻是半個(gè)世紀(jì)以來(lái)最經(jīng)得起任何實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)的一個(gè)定理，至今，還沒(méi)有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果違背了這一條定理。

4、粒子有可能以有限機(jī)率進(jìn)行穿隧或量子跳躍，并穿越不可浸透的障礙物。

聽(tīng)起來(lái)各種不靠譜？但是！這個(gè)理論不僅反復(fù)被實(shí)驗(yàn)證明，人們甚至根據(jù)該理論制造出了現(xiàn)代信息時(shí)代的基礎(chǔ)性科技產(chǎn)品二極管。

量子力學(xué)以光子（也就是光的量子）為例，認(rèn)為弱作用力和強(qiáng)作用力是源于能量量子的交換，并稱之為“楊-米場(chǎng)”，這是楊振寧和他的學(xué)生米爾斯于1954年發(fā)現(xiàn)的理論。

到1970年代，楊－米場(chǎng)已經(jīng)可以解開所有核子物質(zhì)的秘密，可以解釋有關(guān)于次原子粒子的任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在解釋電子與光的交互作用時(shí)，其精確度達(dá)到千萬(wàn)分之一，號(hào)稱是有史以來(lái)最精確的理論！科學(xué)界對(duì)這個(gè)理論如此有信心，以至于稱之為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。（這也是楊振寧為什么一句話引發(fā)激烈討論的原因，這畢竟是在世少有的大神。）

量子力學(xué)經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，成功整合了四種自然作用力的三種：強(qiáng)作用力＋弱作用力＋電磁力。但是，包括楊振寧本人在內(nèi)的許多科學(xué)家都認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型一定不是最終的大一統(tǒng)理論，主要原因是該模型并不包括“萬(wàn)有引力”！

可以這么說(shuō)：量子力學(xué)只是根據(jù)次原子粒子的部分外表特性做了整理，卻未對(duì)它們的來(lái)源做出任何說(shuō)明。

在這里我們喘一口氣，從實(shí)驗(yàn)物理的角度來(lái)看，物理學(xué)基本到此終止了。

在此之前，天才們所做的努力，我們可以用實(shí)驗(yàn)去進(jìn)行驗(yàn)證，即使玄妙如量子力學(xué)，也是可以被驗(yàn)證的。

在此之后，天才們所做的任何努力，我們沒(méi)有辦法去驗(yàn)證對(duì)錯(cuò)，如果不能驗(yàn)證對(duì)錯(cuò)，我們就不知道誰(shuí)是真正的天才，不知道誰(shuí)是真正的天才，天才就無(wú)用武之地，這真是一件很窩心的事情。

以下內(nèi)容，人類已經(jīng)沒(méi)有辦法來(lái)驗(yàn)證自己是對(duì)是錯(cuò)，你可以說(shuō)物理學(xué)死了，也可以說(shuō)完全淪入“空想科學(xué)主義”的泥潭。但我們相信天才就在我們身邊，但我們不知道他是誰(shuí)？

五、尋找終極理論，

馴服最后的力——萬(wàn)有引力

盡管步履蹣跚，但量子力學(xué)最終仍然整合了四種自然作用力的三種：強(qiáng)作用力＋弱作用力＋電磁力，而歷史上最久遠(yuǎn)的“萬(wàn)有引力”卻沒(méi)有辦法馴服，這是物理學(xué)上的終極難題，也是“大一統(tǒng)理論”的最大障礙。

1、超重力論，十一維空間統(tǒng)合四種作用力

統(tǒng)合量子理論和引力，以創(chuàng)造出一個(gè)“大一統(tǒng)理論”，這個(gè)問(wèn)題挫折了20世紀(jì)最聰明的心智，包括愛(ài)因斯坦、海森堡等等一眾科學(xué)界的巨擎。

1976年，紐約州立大學(xué)石溪分校的三位物理學(xué)家寫下了超重力理論。這個(gè)理論對(duì)黎曼的“度量張量”模型進(jìn)行研究，幾乎實(shí)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦統(tǒng)合已知作用力的夢(mèng)想。

他們發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)十一維的度量張量模型里，包含了自然界里幾乎所有的粒子與作用力：愛(ài)因斯坦的重力理論、楊－米場(chǎng)與麥克斯韋爾場(chǎng)、還有夸克與輕子。如圖所示：

（圖中的括弧，代表一個(gè)十一維的黎曼度量張量場(chǎng)。如果把它簡(jiǎn)化成四維，就是愛(ài)因斯坦的重力場(chǎng)；提高它的維度數(shù)，我們就可以推導(dǎo)出麥克斯韋爾方程組和標(biāo)準(zhǔn)化模型；最終，在十一維度，統(tǒng)合了代表四種作用力的所有方程組。）

超重力理論雖然在模型上統(tǒng)合了四種作用力，但它的缺陷在于在很多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有具體量化的數(shù)學(xué)模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統(tǒng)一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。新的，也是最強(qiáng)大有力的物理學(xué)計(jì)劃已經(jīng)登場(chǎng)，它就是：超弦理論（Superstring Theory）

2、超弦，統(tǒng)合四種自然力

1968年，超弦理論被意外發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，兩位年輕的理論物理學(xué)家在歐洲核子研究中心（CERN）意外發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)數(shù)學(xué)家歐拉完成的歐拉貝塔函數(shù)，竟然符合幾乎所有描述基本粒子強(qiáng)交互作用所需的全部特質(zhì)。

弦論可以用來(lái)描述引力和所有基本粒子，如電子、光子、中微子和夸克等等, 看起來(lái)像粒子，實(shí)際上都是很小很小的一維弦的不同振動(dòng)模式，正如小提琴上的弦。

所有的基本粒子, 如電子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振動(dòng)模式或振動(dòng)激發(fā)態(tài)。

每條宇宙弦的典型尺度約為長(zhǎng)度的基本單位，即普朗克長(zhǎng)度（10E -33厘米）。

按照超弦理論，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相當(dāng)于琴弦的合音定律。弦論博大精深，可以解釋所有的自然基本定律。

簡(jiǎn)言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海，那么基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產(chǎn)生, 也不斷在湮滅。我們現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界, 其實(shí)是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂(lè)！弦，是能夠儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)的最精簡(jiǎn)的方式之一。

超弦理論，以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的弦場(chǎng)理論，統(tǒng)合了所有的自然律和作用力，菲爾茲獎(jiǎng)?wù)拢ㄖZ貝爾獎(jiǎng)沒(méi)有設(shè)立數(shù)學(xué)獎(jiǎng)，菲爾茲是數(shù)學(xué)界的最高獎(jiǎng)項(xiàng)）獲得者威藤說(shuō)：“所有物理學(xué)上的偉大思想，都是超弦理論的副產(chǎn)品?！?/p>

3、神秘天才“拉馬努金”，確立十維宇宙

超弦理論似乎包含了所有的物理學(xué)知識(shí)，極其廣博精深。許多科學(xué)家認(rèn)為這是21世紀(jì)的物理學(xué)，意外落入20世紀(jì)，但人類還沒(méi)有發(fā)明21世紀(jì)的數(shù)學(xué)來(lái)精確描述它。

解開這個(gè)秘密的，是堪比當(dāng)年黎曼的另一位數(shù)學(xué)天才拉馬努金。他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重大秘密：我們只能在二十六維與十維中定義弦論，否則就無(wú)法用弦論整合已知的物理定律。

生于1887年的印度，少時(shí)坎坷，甚至沒(méi)有通過(guò)升高三的考試。26那年，他給著名數(shù)學(xué)家哈代寫了一封信，信中包含了120個(gè)定理。這位貧窮孤立的印度哥們，完全不知道歐洲數(shù)學(xué)界的任何研究資訊，純粹憑個(gè)人才智、按照自己的方法，重新推導(dǎo)出歐洲百年數(shù)學(xué)史的所有重要定律。

拉馬努金的研究成果包含了三冊(cè)四百多頁(yè)的筆記，其中包含了四千多個(gè)公式。后人在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了拉馬努金模函數(shù)（Ramanujan funcation），這是一個(gè)奇特的包含了高達(dá)二十四次乘冪的數(shù)學(xué)式。這些數(shù)學(xué)式證明：弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說(shuō)，產(chǎn)生我們現(xiàn)存宇宙的那個(gè)高維度宇宙，它的維度數(shù)一定是十！

好吧，我們暫且認(rèn)為，拉馬努金這位天才給了超弦論數(shù)學(xué)解釋。

4、M理論，物理學(xué)上最后的理論

1994年開始了弦論的第二次革命。

創(chuàng)立者威滕等人認(rèn)為，從11維的M理論可以找到手征性的起源。他們將M理論中的一個(gè)空間維數(shù)收縮成一條線段，得到兩個(gè)用該線段聯(lián)系起來(lái)的10維時(shí)空。

作為“物理的終極理論”而提議的理論，M理論希望能藉由單一個(gè)理論來(lái)解釋所有物質(zhì)與能源的本質(zhì)與交互關(guān)系。其結(jié)合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。

廣義相對(duì)論沒(méi)有對(duì)時(shí)空維數(shù)規(guī)定上限，在任何維黎曼流形上都能建立引力理論。超引力理論卻對(duì)時(shí)空維數(shù)規(guī)定了一個(gè)上限——11維。更吸引人的是，已經(jīng)證明，11維不僅是超引力容許的最大維數(shù)，也是納入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小維數(shù)。

由于弦革命的巨大影響力，其主要研究者愛(ài)德華·威滕(Edward Witten)被美國(guó)《生活》周刊評(píng)為二戰(zhàn)后排名第六的“最有影響的人物”。

每個(gè)時(shí)代都不缺乏天才，對(duì)這個(gè)世界作凝視沉思，就像尋求生命的自我解放一樣，吸引著每一個(gè)具有哲學(xué)氣息的物理學(xué)家。

寫到這兒，這一段物理詩(shī)史基本可以告一段落。

從黎曼、麥克斯韋、愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)，到量子力學(xué)，到超重力論，到超弦理論，到M理論，人類歷史上這些偉大的智慧頭腦，前赴后繼探尋宇宙的真理，展示物理氣象。

時(shí)至量子力學(xué)，物理學(xué)達(dá)到了高潮。

六、物理學(xué)難以逾越的“大沙漠”

物理學(xué)發(fā)展到了今天，如果人類要進(jìn)一步向前，不得不依賴于大型的粒子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

雖然楊振寧先生稱大型對(duì)撞機(jī)“盛宴已過(guò)”，并且告誡學(xué)生“你不要走這個(gè)方向”，但當(dāng)代30%的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主都在高能物理這個(gè)圈子，這又是一個(gè)必須面對(duì)的事實(shí)。

從物理學(xué)本身來(lái)看，基本粒子又是一個(gè)如此迷人的領(lǐng)域，直抵宇宙真理之地，對(duì)于那些擁有物理夢(mèng)想的年青一代來(lái)講，誰(shuí)不想追隨愛(ài)因斯坦的腳步，捧起那大一統(tǒng)的“科學(xué)圣杯”?

所以矛盾的集中點(diǎn)仍然在于大型加速器，對(duì)于粒子物理來(lái)說(shuō)，加速器只有越造越大才能支撐基礎(chǔ)物理的進(jìn)步，但是動(dòng)輒百億美元的造價(jià)任何富豪都得掂一下自身斤兩。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)最近的立功時(shí)間最近在2013年，驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)粒子希格斯玻色子，我們很難知道，下一代80-100km級(jí)的加速器會(huì)帶來(lái)什么新的發(fā)現(xiàn)？

越到后面將會(huì)越難，上帝似乎想封鎖亞原子領(lǐng)域的一切。

海森堡在“不確定性原理”指出，一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)被確定。所以，要看到越小的東西，就需要“光源”發(fā)出的粒子波長(zhǎng)越短。由于光速等于波長(zhǎng)和頻率的乘積，而能量等于普朗克常量與頻率的乘積，因此，粒子波長(zhǎng)更短意味著能量更大。

也就是說(shuō)，要看清小小的基本粒子，需要用攜帶巨大能量的探測(cè)粒子才行。于是我們需要把探測(cè)粒子加速到很高的能量，能完成這種工作的裝置就是粒子加速器。

大一統(tǒng)理論能量量級(jí)目前預(yù)測(cè)為10^24eV，而大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞產(chǎn)生10^13eV，這之間的11個(gè)數(shù)量級(jí)被物理學(xué)家稱為“大沙漠”。

如果用常規(guī)直線加速器，要達(dá)到10^24eV則需要7光年長(zhǎng)。用尾波加速器則需要47億公里，和三體中的環(huán)日加速器差不多長(zhǎng)。要想達(dá)到量子引力能級(jí)的話用常規(guī)加速器可能需要幾十萬(wàn)光年，也就是傳說(shuō)中的環(huán)銀河系加速器，以人類目前的能力想要造出能夠打破“大沙漠”的加速器，基本是不可能的，你能造出幾光年的加速器嗎？做不到??！既然做不到，那么，倒不如先擱置咯。

人類可以暫時(shí)擱置，但對(duì)于這些天才的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們又哪里等得起呢？

七、物理學(xué)的憂傷

每每談到上世紀(jì)的“哥本哈根學(xué)派”，我們都會(huì)對(duì)那一代人頂禮膜拜。

每每看到1927索爾維會(huì)議的那張照片，我們都會(huì)匍匐在地高山仰止。

但有另一種觀點(diǎn)說(shuō)：黃金一代并非那么優(yōu)秀，只是因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)大廈在20世紀(jì)初倒塌之后，他們正好站在新大陸上，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不一樣的宇宙！

而這所有的一切，都可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明他們的理論，直到今天，我們還用“黑洞”照片來(lái)證明愛(ài)因斯坦的“遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)”，他們趕上了一個(gè)好時(shí)代。

到了21世紀(jì)，無(wú)論是超弦理論，還是M理論，這些物理學(xué)家集中的前沿領(lǐng)地，都要在亞原子領(lǐng)域才能獲得驗(yàn)證，不知道100年后能不能獲得證明？

也就是說(shuō)，再偉大的物理學(xué)家，你也得將自己冰封起來(lái)才有可能見(jiàn)證自己的猜想。

所以，盡管M理論已取得累累碩果，盡管它的創(chuàng)建者威滕被認(rèn)為綜合學(xué)識(shí)能力并不遜色于牛頓，然而在他的有生之年，并沒(méi)有辦法讓理論得證，世人也沒(méi)有辦法見(jiàn)證其豐功偉績(jī)。

弦理論也一樣，雖然它描繪了從亞原子世界里夸克瘋狂的舞蹈到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲，推理出從大爆炸的原初火球到星河的壯麗漩渦，但仍然被世俗之人認(rèn)為是“空想科學(xué)的典型代表”。

再厲害的肖邦，也彈不出物理學(xué)家的悲傷。

作為當(dāng)代物理學(xué)家的代表的楊振寧先生，從現(xiàn)實(shí)主義的角度給理想主義者提出自己的告誡，自然有他的道理。

如果不能讓理論得證，再優(yōu)美的物理理論都會(huì)墮入了玄學(xué)的領(lǐng)域。