万有理论真的存在吗

作者: 劳伦斯·M·克劳斯(Lawrence M. Krauss)

来源: 环球科学ScientificAmerican

发布日期: 2016-03-17

目前还没有适用于所有尺度的物理理论,也许也永远都不会出现这样的理论。量子力学与相对论的结合揭示了物质与能量的物理定律依赖于测量尺度,引发了20世纪最大规模的无声科学革命。科学家们一直在探索统一四种已知相互作用中的三种,甚至包括万有引力,提出了如超弦理论等假说,但至今没有直接证据。

目前还没有适用于所有尺度的物理理论,也许也永远都不会出现这样的理论。不管你在何时谈论日常生活中的什么事情,其实都限定在一个范围内。你可能会说,在科学中肯定没有这样的限制,毕竟,在近代科学产生以后的几个世纪里,传统观点一直认为适用于整个宇宙的理论是存在的。随着相对论,尤其是广义相对论的出现,我们发现牛顿万有引力定律只是一个更基本理论的近似。量子力学的出现改变了一切。

量子力学与相对论相结合之后,产生了一个让人意想不到的结果:主宰着物质与能量的物理定律,其具体性质依赖于你在哪个尺度上测量它们。量子力学与相对论的结合就是现在亟待解决的一个尺度问题。著名的海森堡测不准原理是量子力学的关键所在,它意味着在小尺度、短时间内我们不可能完全限制基本粒子的行为。微观粒子的能量与动量有其固有的、永远无法消除的不确定性。

当你准备计算两个粒子之间的相互作用力时,你就需要考虑所有虚粒子的影响。理查德·费曼找到了一种方法,可以提取出一系列本来意义不明的无穷大项,从而总是可以计算出一个有限的剩余力,而不引入任何矛盾。现在,我们的看法又不一样了。从某种意义上说,费曼担心错了地方。问题并不是来自理论本身,而是我们试图将它推广到适用范围之外所导致的。

关于物理理论中的尺度问题,还有另外一个解读方法:对尺度的讨论并不是为了合理地将各种理论划分到各自适用的范围,而是揭示了这些理论的内在联系,并指出了新的统一理论的方向。举个例子,过去几年人们对于希格斯粒子的发现津津乐道,因为它是将量子电动力学与另一种作用力统一起来的理论中最后缺失的一环。科学家发现距离很小时强相互作用会变弱,而与弱相互作用统一的电磁力在距离很小时会变强。

据此,20世纪70年代理论物理学家提出,在足够小的尺度下,大概小于质子尺寸的15个数量级,所有的3种相互作用会统一为一个单独的作用力,即著名的大统一理论。如果我们已经努力在统一四种已知相互作用中的三种,科学家们自然会想进一步地努力将第四种相互作用,即万有引力也加入进来。为了做到这一点,科学家们提出了这样的假说:万有引力自身只是一种等效理论,在足够小的尺度下它会与其它相互作用相统一。

随着时间的推移,在逐渐认识到我们对于物理现实的理解是依赖于尺度的过程中,我们被引向了弦理论。一直以来,理论物理学家探索越来越小尺度的世界上一路高奏凯歌,这会不会让他们产生了一种错误的自信,以为弦理论就是最终的答案?当我们并不知道上述问题的答案的时候,至少我们应该心存质疑。究竟哪条路才是通往真实的真正道路,仍然有待探索。

如果我们已经事先知道了通往新发现的正确路径,那么所谓的“发现”也就不成其为发现了。

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