物理的终极理论



史蒂文·温伯格(Steven Weinberg),美国物理学家,1979年诺贝尔物理奖得主

史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)满怀信心地预言:我们迟早会发现控制所有自然现象的物理原理。

我们已经有了这样的一个理论:标准模型,它涵盖了构成一切物质的粒子,以及除引力之外的所有的力。标准模型似乎是一切物理规律的基础。但是,标准模型还是有很多自由参数,比如每一种粒子的质量。



标准模型涵盖了构成一切物质的粒子。标准模型似乎是一切物理规律的基础。

标准模型描述的粒子之间的相互作用

我们还有一个引力理论:广义相对论。麻烦在于,广义相对论与描述基本粒子的量子力学不兼容,我们还缺少一个好的引力量子理论。



广义相对论是一个引力理论

现在有一种强有力的猜测,物质世界的终极理论将是弦论的某种东西。在弦论中,每一种粒子实际上都是一根弦,一个在空间振动着的一种极小的一维实体。基本上每一种弦论都会有一种引力子。所以,弦论自动涵盖引力和其他的基本力。



物质世界的终极理论或许是弦论

令人沮丧的是,曾经似乎有五种不同的在数学上自洽的弦论,没有人了解哪个能正确描述大自然。这些弦论为避免不自洽,都要用十维时空(9个空间维加一个时间维)表述。更令人沮丧的是,有充分证据表明,我们不是生活在十维时空里。但是有研究显示,这五种不同的弦论,另加一种十一维时空的非弦理论,都只是一种潜在的理论的解或近似。这种潜在的理论是什么样的?很不幸,我们还一无所知。我们有理由希望,我们的四维时空也是这个潜在的理论的一个解。

这个潜在的理论将是物理的终极理论。

该怎样把它找出来呢?答案是不好说。也许明天某个默默无闻的研究生写的一篇论文就将这个理论完美呈现出来,也许再等几百年我们依然一筹莫展。

物理的终极理论应该具有以下特点。非常简约,只基于几个基本原理。很脆弱,做些微小的改动就变得逻辑上不自洽。这些特点与物理建立新理论,从牛顿力学、电磁理论、相对论、量子力学,一脉相承。比如,量子力学,只有5条基本原理。如果尝试建立一个与量子力学很类似但只稍有不同的理论,总会得到一些诸如负概率、某些物理量无穷大等荒谬的不合逻辑的结果。

理论具有上述脆弱性是好事,可以为发现自然规律提供指引。脆弱性足够强时,终极理论将不包含任何自由参数。脆弱性也给理论带来美感,就像肖邦的华尔兹舞曲,一个音符都不能改变。

终极理论不是科学的终结。不会是一举解决所有科学问题的万有理论。比如湍流问题,科学家努力了一百年也没有解决,基本粒子的终极理论也不大可能给我们提供解决湍流问题的办法。我们已经知道关于流体的所有基本原理,只是搞不懂湍流的普适机制。



水流过潜艇船体,看见湍流和层流。

物理的终极理论对于生物学家也没多大用处。生物进化是通过随机突变的自然选择发生的,生命不是由独立的基本生物学规律所控制,而是物理学和化学在数十亿年内产生的偶发事件的效应。

生物学中最难理解的问题之一是意识和行为。比如秀丽隐杆线虫是生物学中的经典模型动物,其完整的神经系统早就描述清楚了,但我们还是搞不懂其机制,就像一个商业间谍搞到了CPU的详细设计图,但还是搞不懂如何让操作系统运行起来。

意识和行为问题也终将会解决,但所得的理论不会是像日食和月事那样的可以做出精准预言的理论,会更像天气理论,天气预报不总是很准,但我们对天气的原理完全掌握。

以上论述隐含着一个保守的假设,即科学会沿着伽利略和牛顿开辟的道路一直进行下去。正如亚里士多德主义者不可能想象出牛顿式科学,我们也无法想象未来新运行模式的科学。

本文改编自《湖畔遐思》。插图为博主所加。

标签: 弦论, 温伯格, 标准模型, 广义相对论

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