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“一说万物”系列终章:终极理论之梦
发布时间:2020-12-01 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:78

本次内容来自系列视频课程


一说万物:现代物理学百年漫谈

第九讲:宇宙

9.3终极理论之梦

在之前的讲座中,我们已经讨论了现代物理的方方面面——更快、更高、更强、更小、更多、更大。现在,在最后的最后,我们讨论一个梦想,这个梦想叫做“终极理论之梦”。

我们从爱因斯坦讲起。爱因斯坦的广义相对论研究的是物质分布和时空弯曲的关系,即物质和空间几何的关系。两者的关系可以由爱因斯坦方程来描述,该方程的左边是几何,即空间是如何弯曲的,而右边是物质,即物质是如何分布的。爱因斯坦本人对这个方程左右两边的好恶是完全不一样的,爱因斯坦认为方程右边的物质是所谓的“俗物”,好比“泥”做的一样,而方程左边的几何是数学的、美妙的、精密的,爱因斯坦喜欢它们“水”做的那样的纯粹。爱因斯坦觉得,只应天上有的几何和落到凡尘的物质不应该匹配起来。一个真正美妙的方程,方程的右边即所谓的物质应该也是几何化的,也就是说,爱因斯坦希望把物质也统一到几何的框架当中。这就是爱因斯坦的梦想——所谓的“统一场论”。

 


爱因斯坦是在什么时候提出统一场论的呢?当时狭义相对论早已建立,广义相对论刚刚完成,真好比是“今南方已定,兵甲已足,当奖率三军,北定中原,庶竭驽钝,攘除奸凶,兴复汉室,还于旧都”。所谓“汉室”、“旧都”,是爱因斯坦等老派物理学家对经典决定论这样一个物理学大厦的梦想。可惜的是,世界的潮流、物理学的发展是滚滚向前的。

所谓大时代,无非是一个选择,爱因斯坦这样的老派物理学家选择留在自己的时代。或许对爱因斯坦而言,当年在伯尔尼的专利局里偷偷去做思想实验的时候,才是他最开心的日子。而一直到去世,爱因斯坦也没有完成他统一场论的梦想。

后人虽然也在一定程度上继承了统一场论,但是在爱因斯坦原本的方向上,进步是非常有限的。爱因斯坦的时代过去了,现代的物理学家仍然在追寻统一之梦,但他们的统一梦想和爱因斯坦是有些区别的。爱因斯坦希望能抛弃物质而转向几何,而现代的物理学家希望先把物质统一起来——他们并不希冀把泥做的物质变成水做的,而是希望把物质变成板砖一块,即把物质先统一成水泥做的。

 

“终极理论之梦”,这个词其实是温伯格的一本科普书的名字,那么在这里讲统一的概念,我们也借用温伯格这本书里边的讲述。你随便拿出一样东西——一支笔、一张纸、一张桌子,随便什么东西;然后我们开始问问题:“这支笔的颜色?”、“这支笔的物理性质?”、“这支笔的功用?”等等;我们追问这些问题的时候,最后都能追问到:世界是由哪些基本粒子组成的,而这些基本粒子之间有哪些相互作用?

在课程最早的某一讲中,我曾用报菜名的方式为大家介绍了基本粒子都有哪些。这些基本粒子之间的电磁、弱、强和引力相互作用把所有的这些东西统一起来。而统一不同事物的努力其实并不是现代才开始的,早在麦克斯韦时代就已经有了这样的努力。麦克斯韦本人就已经统一了电力和磁力,把二者统一到电磁场。而20世纪中叶,温伯格、萨拉姆和格拉肖进一步把弱相互作用力也统一到了电磁框架当中,成为了所谓的“电弱相互作用”。

之后,大家又猜测有可能存在一种大统一理论,可以统一电磁、弱、强相互作用。当然,不管是麦克斯韦的统一,还是电弱统一和大统一,所讲的都是力的统一,而力和物质看起来是非常不一样的存在。但是有一个猜想叫做“超对称”,认为有一种假想的对称性,可以把物质和力相互转化。也就是说,在一定程度上把物质和力也统一到了一起。

最后,我们还剩下引力。在一个所谓的“弦理论”里边,引力和其他的一切可能也是可以统一到一起的,这就是我们终极理论之梦的一个模型。

 

弦理论认为:看一个电子,如果看得足够仔细的话,那么电子并不是一个点粒子,而是由一条弦组成的。弦的不同状态,包括弦的各种振动、端点的不同位置、不同的缠绕等等,决定了这个弦告诉你的是一个力还是哪一样物质粒子以及其质量多少,等等。

自被提出以来,弦理论取得了非常广泛的成就。一方面,它统一了量子和引力;不光在爱因斯坦的心里,也在物理的理论层面,量子和引力一直是一对冤家对头。而弦理论被很多人认为是目前为止我们唯一已知的自洽的量子引力理论。而为了弦理论的自洽性,我们需要超对称,即为了力和物质的统一,我们需要生活在更多的维度,而这些更多的维度很小,我们看不到。

弦理论中有各种各样丰富的现象,通过对弦理论的深入研究,我们发现了对偶性,不同的弦理论其实都是同一个弦理论的不同的表现方式而已。还有,弦理论在目前也和量子信息等各种信息理论有着密切的联系。

 

虽然弦理论这么成功,弦理论本身也有很多很多的问题。比如,弦理论认为电子是一根振动的弦,那么我们要看多仔细才能看到这一点呢?10-30米这么精细!别说我们现在的实验,就是我们能够想象到的任何的未来,我们也没有办法去做这么精密的实验。所以,如何在实验上去检验弦理论,一直到现在,都是一个很大的问题。刚才我们还提到了弦理论的对偶性,即看起来不同的各个弦理论,最后我们发现都是一个统一的、同样的弦理论不同的极限而已。

也就是说,如果我们把弦理论看成是一个数学结构,看成是一组方程的话,那么这组方程是唯一的,它不容你去把空间多加一维、减少一维,也不容你在这个理论中加一种粒子、减少一种粒子。但是,虽然这组方程是唯一的,这组方程的解却非常之多。有多么多呢?有的人估计,有10500这么多弦理论可能的解,而每一个解都对应着一个可能的世界。我们如何找到我们处于这10500个世界当中的哪一个呢?也是一个问题。并且,虽然现在大家的一个共识是,弦理论是一个自洽的量子引力理论,但问题是:自洽的就是唯一的吗?自洽的就是真的吗?弦理论是不是真正描述我们世界的量子引力理论呢?像这样的问题,目前也没有答案。

 

作为物理学的工作者,我们要做两件事情,一件事情是找物理,另一件事情是找工作。这两件事情其实都不容易。有这样一个段子(应该是编造的):弦理论的一个领军人物Witten去美国基金委答辩。美国基金委问Witten:“你们弦理论领域每年培养多少博士生?” Witten说:“100个。”基金委问:“那么最后这个领域会接纳多少人?”Witten说:“我们最后要1个。”基金委就问:“既然最后只要一个,为什么要培养100个呢?” Witten回答:“因为我们只有培养了这100个,才能知道最后我们要的是哪一个?”然后,又有一位宇宙学大佬去基金委答辩。

基金委问:“宇宙学领域一年培养多少个博士生?”宇宙学大佬说:“我们培养100个。”基金委问:“你们要多少个?”宇宙学大佬说:“我们一个都不要!”基金委问为什么,宇宙学大佬说:“因为那99个做弦论的都来做宇宙学了。”当然了,这是一个调侃,这个调侃并不是说我对弦论有任何的意见,我对无论这个理论还是其工作者,都充满敬意。只是说,这个行业也有这个行业的艰辛。

弦论是终极理论的一个候选者,我们不知道弦论是不是最终的那一个候选者。同时,我们也想问一个问题:最终,我们有可能找到那个终极的理论吗?庄子就曾经说过,“吾生也有涯,而知也无涯。以有涯随无涯,殆已!”什么意思?就是说,你就危险了,翻译成英文就是你就死了(die)。

 

为什么?因为庄子认为,以我们有限长度的生命去追寻那无限多的知识,这是一个非常危险的事情。现在我们有没有必要像庄子那样悲观呢?我觉得并没有必要。因为数学!无论数学归纳法还是微积分,数学本身就是一个联系有限和无限的桥梁。而现代科学是以数学为基础的,所以并不能说我们只能知道有限的道理,就不能理解无限的现象。那么这是不是说,我们就必然可以得到这样的一个终极理论呢?

我个人的观点:还不知道。物理学家David Gross曾经做了一个思想实验:如果你去教你们家的狗狗解一个代数方程,用高斯消元法,你能指望它学会吗?如果你教它一点更难的东西,例如量子力学呢?可能更不指望了。如果这样,也就是说,我们认为狗狗的思维能力有着一个局限,它无法理解一些理论,那么我们又凭什么认为我们自己的思维能力没有局限,可以理解这个世界中所有的奥秘呢?

 

但是,我们还是向着那个方向努力,向着终极理论之梦去追求。虽然我们不知道存在不存在这样一个终极理论,不知道理论有没有一个终结,但是我们的讲座终究是有一个终结的。在这里,我衷心感谢大家。青山不老,绿水长流,来日方长,我们后会有期!

责任编辑:杨玉露)

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