万物理论到底是什么意思

17-07-15

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万物理论到底是什么意思

“万物理论”(Theory of Everything)早已经超越了粒子物理学的范畴,成为普通人也熟悉的物理学名词之一。近年来,在各种职业物理学家们所热衷撰写的“关于一切”的通俗物理学读本里,“万物理论”几乎已经成了一面招牌。在生物学家或是人类学家撰写的通俗读本中,故事一般是从地球上出现最原始的生命形式开始,直至试图以生物学家或是人类学家的眼光解释现代社会的一切现象。而在物理学家眼中,一切都是从大约140亿年前的宇宙大爆炸开始。混杂着各种理论、假说、推测,还有各种可靠或不大可靠的证据,物理学家们愿意让人们相信,在人类文明出现了几千年之后,我们已经大致掌握了关于这个宇宙的大部分知识——换句话说,对于我们观测到的任何现象,我们几乎都有可能拿出某一种物理学理论对其进行解释,而且我们还有可能把这些理论结合在一起,形成某种“万物理论”,或者叫大统一理论。
物理学家们在这样面向大众的通俗读本中所展示的态度或许过于乐观了。在物理学界,“万物理论”这个名词恰恰会让人们想起某一段历史,提醒人们不要过于乐观,而对于正奋斗在致力于建构现代万物理论的物理学家们来说,这个词实际上所代表的是一段历时几十年,且仍然在持续失败的过程。
牛津大学的物理学教授弗兰克·科洛塞(Frank Close)在2017年3月出版了自己的新书,干脆就以《万物理论》(Theories of Everything:Ideas in Profile)为名。在这本书里,作者仿佛化身为一位语言学家,为读者讲述“万物理论”这个名词含义的演化过程——人们似乎永远都在追寻万物理论,却又一次次在接近成功的地方失败,以此来不断拓展自己对于“万物”的概念。
在科洛塞教授的这本小书中,故事从1894年开始。以测量光速闻名的美国物理学家阿尔伯特·迈克尔森(Albert Michelson)在这一年说道:“(物理学)一切潜在的规律都已经被建立起来,以后物理学的真理需要在小数点六位之后寻找。”在几年之后,开尔文勋爵在20世纪的第一年对于当时物理学成就的描述更加直接:目前在物理学中已经没有什么值得发现的了。
或许物理学家们就是偏爱这样的表述方式。实际上在迈克尔森第一次表示人类已经发现了“万物理论”的大约200年前,艾萨克·牛顿在发表巨著《自然哲学的数学原理》时,就是以上帝的代言人的身份,用不容置疑的口吻向读者讲述上帝以是何种数学形式创造了世界。以至于英国诗人亚历山大·波普为此作诗:“自然和他的法则隐藏在黑暗之中。上帝说:‘让牛顿出现!’于是,有了光明。”而200年后,当物理学家们以一种更有信心的方式描述万物理论,几乎已经没有了上帝的位置。
当科洛塞教授在21世纪描述起100多年前的这段历史,他并不认为是物理学家们的自大才导致对于当时物理学发展形势的完全误判。以当时人类的认知范围来说,确实可以说人类已经掌握了某种程度的万物理论。开尔文勋爵在发言中提到,随着电磁理论理念的提出,人们已经意识到了光和热等现象都是某种形式的运动。在同一个讲话中,开尔文勋爵随后提到了在物理学的蓝天之上著名的“两朵乌云”,却完全没有料想到这两朵乌云是一场暴风雨的前兆——在短短几年之后,这两朵乌云就引发了物理学的大革命。
正如赫胥黎所说,人类从历史中学到的最重要的一课就是从历史中学不到什么东西。经典物理学被摧毁还不到百年之后,物理学家们又开始向往着建造一个新的万物理论。从上世纪80年代开始,著名的理论物理学家史蒂芬·霍金就声称一个包容一切的万物理论已经不远,全然不顾人类对于弥漫在周围的暗物质至今还一无所知。
霍金无视物理學家们在过去几个世纪所经历的失败,而做出这样的预测,在很大程度上是出于一个顶尖物理学家的敏锐。当时人类对于暗物质的研究尚未成为显学,当时人们也还有足够的信心利用现有的框架把暗物质包容在内,当时宇宙学的观测手段也还不够丰富,人类要再过十几年才会发现宇宙在加速膨胀,一个更让人迷惑的名词,“暗能量”,到那时才会出现在大众的视野之中。除此之外,当时物理学的大框架与现在其实相差无几,所谓的“标准模型”已经提出了多年,尽管还未被证实,但霍金已经有理由相信标准模型将是构成万物理论的框架。
标准模型最后一个也是最重要的一个预测——希格斯波色子,直到2012年才被在欧洲的大型强子对撞机通过对撞实验寻找到,而这个理论的最终完成并不意味着万物理论的完成,因为紧接着,大型强子对撞机继续通过实验几乎排除了理论物理学家们所热衷的超对称理论,弦论等理论成为万物理论的可能性。
标准模型成为21世纪物理学新的蓝天。至今为止人类的一切高能物理学实验无不完全符合标准模型的预测,同时物理学家们也清楚,在这片蓝天之外,所笼罩的是重重黑暗。人们曾经以为对于所谓的万物理论,艰难之处在于把不同的理论结合起来,而在这个过程之中,人们对于万物的概念却不断地被扩展。
科洛塞教授认为,尽管无法描述一切,但至今为止已经被反复验证的标准理论或许将成为未来某种万物理论的“核心理论”。以这个理论为中心,人类有可能去逐渐探索万物的存在形式。尽管万物理论看起来还遥不可及,但以目前物理学的最大难题——量子力学与相对论的结合来看,很有可能人们最终会意识到,时间和空间实际上都不是最基础的形式,所谓的时空可能只是某种更根本的存在的显现。
或许当物理学家们每一次认为自己处于找到万物理论的前夕,就意味着又一次物理学大革命的到来,传统观念又一次被推翻,物理学的上帝与魔鬼轮流出现。或许这就是物理学进步的方式——正如英国诗人约翰·斯夸尔(John Squire)续写的波普关于牛顿的诗:“一切并未长久,魔鬼喊道:‘让爱因斯坦出现!’于是一切又恢复了原状。”

爱乐洪哥

莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生。 料峭春风吹酒醒,微冷,山头斜照却相迎。回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。

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