凱蒂·西爾弗

物理學(xué)家想找到一個(gè)可以描述整個(gè)宇宙的理論，但在此之前，他們必須解決一些科學(xué)上最難解決的問題。

電影《萬有理論》講述了史蒂芬·霍金的故事。在這部電影中，雖然大部分時(shí)間都在講述史蒂芬·霍金與其前妻簡(jiǎn)的故事，但也擠出了一點(diǎn)兒時(shí)間解釋了一下霍金在物理學(xué)上都做了些什么。

當(dāng)然了，霍金絕不缺乏雄心壯志，他是眾多試圖提出一種萬有理論的物理學(xué)家中的一員。萬有理論是指能夠解釋我們所處宇宙中的一切事物的理論。阿爾伯特·愛因斯坦曾經(jīng)試圖找到這樣一種理論，但是他失敗了，而霍金追隨著愛因斯坦的腳步繼續(xù)前進(jìn)。

如果能夠找到萬有理論，那將是一項(xiàng)驚人的成就，可以使我們最終搞清宇宙中所有不可思議的、令人稱奇的事情。幾十年來，信心滿滿的物理學(xué)家一直都在說這一理論面世指日可待。那么，我們是不是真的即將把所有事物都弄明白了？

從表面上看來，萬有理似乎是一個(gè)難以完成的任務(wù)，它必須能解釋所有，從莎士比亞的著作到人類大腦的工作原理，再到自然界中存在的森林和村莊。英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰·巴羅說：“這是一個(gè)關(guān)于天地萬物的問題?！北M管如此，巴羅還是認(rèn)為找到萬有理論是“很有可能的”，因?yàn)椤罢嬲愕蒙献匀灰?guī)律的定理是相當(dāng)少的，真正的自然規(guī)律通常既簡(jiǎn)單又對(duì)稱，而且宇宙中只有四種基本力”。

從某種程度上說，我們必須拋開我們所處的這個(gè)世界的復(fù)雜性?！斑@些規(guī)則帶來的結(jié)果——我們所看到的發(fā)生在我們身邊的事情——遠(yuǎn)比其本身要復(fù)雜，甚至可以說是無限復(fù)雜的。”巴羅說，“在幕后統(tǒng)治著所有這些的規(guī)則，卻可能很簡(jiǎn)單?！?/p>

牛頓在花園中散步，看見一個(gè)蘋果從樹上掉下來

1687年對(duì)一些科學(xué)家來似乎已經(jīng)找到萬有理論了。那一年，英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓出版了一本書，向人們解釋了物體是如何運(yùn)動(dòng)的，并且描述了萬有引力是如何發(fā)揮作用的。這本書就是《自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理》，它向我們展示的是一個(gè)美麗而有序的世界。

據(jù)說故事是這樣的：在牛頓23歲那年的一天，他正在花園中散步，看見一個(gè)蘋果從樹上掉下來。當(dāng)時(shí)，這位物理學(xué)家已經(jīng)朦朦朧朧地意識(shí)到地球能夠借助重力的作用把物體拉下來。牛頓將這一想法做了進(jìn)一步的提煉和升華，認(rèn)為引力“并不只是在距離地球一定的范圍內(nèi)才有，這一力量必定還存在于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們通常認(rèn)為的距離范圍”。根據(jù)牛頓晚年的助手康迪特的記錄，牛頓當(dāng)時(shí)說過這樣一句話：“為什么引力不會(huì)遠(yuǎn)達(dá)月球呢？”

受此啟發(fā)，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，不僅很好地解釋了蘋果為什么會(huì)掉到地上，也很好地解釋了行星為什么圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。這兩個(gè)看似風(fēng)馬牛不相及的問題，最終被證明遵循著同一個(gè)自然定律。

在《自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓還提出了物體運(yùn)動(dòng)所遵循的三大定律。這些定律與萬有引力定律結(jié)合在一起，就能夠很好地解釋當(dāng)你拋出一個(gè)球，這個(gè)球是如何運(yùn)動(dòng)的，同時(shí)還能夠解釋為什么月球圍繞著地球運(yùn)行。

“當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為，牛頓已經(jīng)將所有應(yīng)該解決的問題全都解決了。”巴羅說，“牛頓取得的成就是空前的?！眴栴}是，牛頓自己很清楚，他的工作是存在漏洞的。

例如，萬有引力不能解釋小天體是如何把自身團(tuán)聚在一起的，因?yàn)樗囊?qiáng)度不足以做到這一點(diǎn)。此外，雖然牛頓可以描述正在發(fā)生的事情，但他無法解釋這一切是如何發(fā)生的。牛頓的理論是不完整的。

還有一個(gè)更大的問題。雖然牛頓定律解釋了宇宙中的許多現(xiàn)象，但在某些案例中，物體的運(yùn)動(dòng)打破了他的定律。這種案例十分罕見，通常會(huì)涉及極限速度或者強(qiáng)大的引力，但它們的確存在。

其中之一就是水星的軌道，它是距離太陽最近的行星。由于大多數(shù)行星在圍繞太陽自轉(zhuǎn)的同時(shí)還進(jìn)行著公轉(zhuǎn)，牛頓定律應(yīng)該可以用來推算它們的自轉(zhuǎn)方式。然而，牛頓定律在水星身上不靈了。同樣奇怪的還有，水星的軌道是偏離中心的。牛頓的萬有引力定律并不適用于全宇宙，因此不是一個(gè)完全意義上的定律。

真正很重的物體比如行星，或是運(yùn)行速度真正稱得上很快的物體，可以扭曲時(shí)空

牛頓時(shí)代結(jié)束后，又過了兩個(gè)多世紀(jì)，愛因斯坦帶著他的廣義相對(duì)論來拯救現(xiàn)代物理學(xué)了。愛因斯坦的廣義相對(duì)論向人們展示了其對(duì)萬有引力更深層次的理解。

廣義相對(duì)論的核心觀點(diǎn)是，雖然時(shí)間和空間看上去風(fēng)馬牛不相及，但實(shí)際上，它們是交織在一起的。空間有三個(gè)維度：長(zhǎng)、寬、高，而宇宙中還有第4個(gè)維度，我們稱之為時(shí)間。這4個(gè)維度以一種巨大的宇宙面的形式被聯(lián)系在一起。如果你曾經(jīng)在科幻電影中聽到有人提及“時(shí)空連續(xù)統(tǒng)”，那么他們說的就是它了。

愛因斯坦提出的偉大觀點(diǎn)就是，像行星一樣，真正稱得上很重的物體，或是運(yùn)行速度真正稱得上很快的物體，可以扭曲時(shí)空。這有點(diǎn)兒像蹦床：如果你在上面放一個(gè)重物，蹦床的平面就會(huì)變形并發(fā)生彎曲凹陷，于是其周圍的所有物體都會(huì)向著這個(gè)重物處滾落。根據(jù)愛因斯坦的說法，這就是萬有引力將物體牽拉在一起的原因。

這絕對(duì)稱得上是一個(gè)極其荒誕的想法。但是物理學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，這是真的。舉一個(gè)例子來說吧，它能夠解釋水星的軌道為什么如此怪異。根據(jù)廣義相對(duì)論，太陽的巨大質(zhì)量扭曲了它周圍的時(shí)間和空間。作為距離太陽最近的行星，水星遭遇的這種時(shí)空扭曲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽系中的其他行星。廣義相對(duì)論的方程式可以解釋這種扭曲的時(shí)空是如何影響水星軌道的，并且能夠精確地預(yù)測(cè)出水星的位置。

然而，盡管廣義相對(duì)論對(duì)水星軌道問題的解釋十分成功，但也并非萬有理論。正如牛頓的理論不適用于真正稱得上是巨大的物體一樣，愛因斯坦的理論也不適用于真正稱得上微小的事物。一旦你將目光轉(zhuǎn)向微觀世界，比如原子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的舉動(dòng)真是十分怪異。

科學(xué)家已經(jīng)找到了可以將物質(zhì)分得越來越小的方法

直到19世紀(jì)末期，人們一直認(rèn)為原子就是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位?！霸印币辉~源自希臘語，意為“不可分割”。正如其所定義的那樣，人們當(dāng)時(shí)認(rèn)為原子是不能夠再分成更小粒子的粒子了。但是在19世紀(jì)70年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量只有原子1/2000的粒子。

通過在真空管中計(jì)量該粒子射線重量的方式，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這是一種不同尋常的射線，它是由帶負(fù)電的粒子形成的。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)亞原子粒子：電子。在接下來的半個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原子有一個(gè)核心，而電子圍繞該核心飛速旋轉(zhuǎn)。這一核心由中子和質(zhì)子兩種類型的亞原子粒子構(gòu)成，占據(jù)了原子質(zhì)量的絕大部分，中子不帶電荷，而質(zhì)子帶正電荷。

但是事情并未結(jié)束。自那時(shí)開始，科學(xué)家就找到了將物質(zhì)分得越來越小的方法，并不斷地重新定義著基本粒子的概念。到了20世紀(jì)60年代，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十種基本粒子，并且列出了一份被戲稱為“粒子動(dòng)物園”的長(zhǎng)長(zhǎng)的清單。

愛因斯坦從未真正相信過量子理論

就我們今天的理解而言，在組成原子的三種粒子中，電子是唯一的基本粒子。中子和質(zhì)子都可以被進(jìn)一步分成更小的微型粒子，即夸克。

與支配大物體，如一棵樹或者一顆行星運(yùn)行的定律相比，支配這些亞原子粒子運(yùn)行的是一套迥然不同的定律，而這些新定律——基本不具備預(yù)測(cè)性——擾亂了整個(gè)物理學(xué)界。

在量子物理學(xué)中，粒子是不能被準(zhǔn)確定位的，它們的行蹤模糊不定。我們能說的只是，每一個(gè)粒子出現(xiàn)在具體哪個(gè)位置有一定的可能性。這意味著，整個(gè)世界從根本上來說就是一個(gè)不確定的世界。

你也許覺得這高深莫測(cè)并脫離實(shí)際，有這種感覺的人不只你一個(gè)。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼是一位量子理論方面的專家，他曾經(jīng)說過：“我可以非常有把握地說，沒人真正理解量子力學(xué)?！?/p>

愛因斯坦也被量子力學(xué)的模糊不清所困擾?！氨M管愛因斯坦在別人的慫恿下嘗試?yán)斫饬孔恿W(xué)，但他從未真正相信過量子理論?！卑土_說。

所以一切還是照舊，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)在它們各自的領(lǐng)域被人們一而再再而三地證明是無比精確的。量子物理學(xué)已經(jīng)正確解釋了原子的結(jié)構(gòu)和行為，還包括為什么有些原子有放射性，同時(shí)還為現(xiàn)代電子學(xué)打下了基礎(chǔ)。沒有量子物理學(xué)，你就不可能讀到這篇文章。而與此同時(shí)，廣義相對(duì)論則被用于預(yù)測(cè)黑洞的存在。

但問題是，量子理論與廣義相對(duì)論不能相互兼容，因此兩者不可能都是對(duì)的。廣義相對(duì)論告訴我們，物體的行為是能夠被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，而量子力學(xué)則告訴我們，你能知道的只是物體將要如何變化的可能性。

這意味著，到現(xiàn)在為止，還有一些事情是物理學(xué)家無法描述的。黑洞就是一個(gè)具體的例子。它是如此巨大，廣義相對(duì)論對(duì)它是適用的，但同時(shí)它又很小，量子力學(xué)對(duì)它同樣適用。

當(dāng)然了，除非你接近一個(gè)黑洞，否則這種不兼容性并不會(huì)影響你的日常生活。但是，在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，物理學(xué)家都被這種不兼容性所困擾。也正是這種不兼容性，驅(qū)使人們?nèi)ふ胰f有理論。

愛因斯坦花費(fèi)了他生命中的大部分時(shí)間，試圖找到這樣一種理論。他從來就不是量子力學(xué)不可測(cè)性的擁躉，他想創(chuàng)立一個(gè)理論，將萬有引力和物理學(xué)的其他部分結(jié)合在一起，而量子具有的詭異性，只是該理論中的次級(jí)結(jié)果。

他面臨的主要挑戰(zhàn)是將萬有引力與電磁力協(xié)調(diào)到一起。早在19世紀(jì)，物理學(xué)家已經(jīng)得出結(jié)論，帶電粒子可以相互吸引或者相互排斥，這也是有些金屬能夠被磁鐵吸引的原因。這意味著在物質(zhì)之間有兩種力可以發(fā)揮作用：一方面，它們之間可以通過萬有引力相互吸引，另一方面，也可以通過它們的電磁場(chǎng)相互吸引或排斥。

愛因斯坦想用統(tǒng)一場(chǎng)論把這兩種力結(jié)合在一起。為了做到這一點(diǎn)，他把他的時(shí)空維度擴(kuò)展到了5個(gè)。愛因斯坦加上的這個(gè)第五維度很小，而且是卷曲的，我們無法看到它。但是這一做法根本沒用，愛因斯坦在這個(gè)問題上花費(fèi)了30年，徒勞無功。到愛因斯坦1955年逝世時(shí)，他的統(tǒng)一場(chǎng)論仍未被證實(shí)。在隨后的10年中，在爭(zhēng)奪萬有理論寶座的賽場(chǎng)上，統(tǒng)一場(chǎng)論最強(qiáng)勁的對(duì)手出現(xiàn)了，它就是弦理論。

人類在20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的所有粒子，實(shí)際上都是同一種弦

弦理論背后的理念簡(jiǎn)單得出奇。這個(gè)世界的基本組成部分，比如電子，實(shí)際上根本就不是粒子，而是小“環(huán)”或者說是小“弦”。這些弦是如此之小，所以看上去僅僅是一個(gè)點(diǎn)。就如同吉他上的弦，這些弦環(huán)也是有張力的。這就意味著它們也會(huì)以不同的頻率振動(dòng)，頻率的大小視它們的大小而定。

這些振動(dòng)決定了每一個(gè)弦看上去是什么種類的粒子。一個(gè)弦以某種方式振動(dòng)，你看到的就是一個(gè)電子；當(dāng)這個(gè)弦以另外一種方式振動(dòng)時(shí)，你看到的就不再是電子，而是其他粒子了。“人類在20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的所有粒子，實(shí)際上都是同一種弦，只不過它們振動(dòng)的方式不同罷了”。

也許人們無法一眼就看出為什么弦理論是個(gè)好主意，但是它似乎搞清了在自然界中起作用的所有的力：萬有引力和電磁力，還要加上人們?cè)?0世紀(jì)才發(fā)現(xiàn)的兩種力——弱核力和強(qiáng)核力。

人們第一次為廣義相對(duì)論和量子力學(xué)找到了共同點(diǎn)

強(qiáng)核力和弱核力只在微小的原子核內(nèi)起作用，這也是人們花費(fèi)了如此長(zhǎng)的時(shí)間才注意到它們的原因。強(qiáng)核力將原子核結(jié)合在一起。弱核力通常無所事事，但如果弱核力變得足夠強(qiáng)大了，就會(huì)造成原子核的分裂。這就是有些原子有放射性的原因。

任何萬有理論都必須能夠解釋這四種力。幸運(yùn)的是，兩種核力和電磁力已經(jīng)被量子力學(xué)解決了。每一種力都是由一種專門的粒子來實(shí)現(xiàn)的，但沒有一種粒子可以實(shí)現(xiàn)萬有引力。有些科學(xué)家認(rèn)為存在這種粒子，他們將其稱為引力子。引力子必須沒有質(zhì)量，以一種特定的方式旋轉(zhuǎn)，并且可以以光速傳播。不幸的是，至今尚未找到過它。

這正是弦理論的由來。弦理論中描述的弦看上去正如一個(gè)引力子：弦以一種適當(dāng)?shù)姆绞叫D(zhuǎn)，沒有質(zhì)量，并且以光速傳播。弦理論第一次為廣義相對(duì)論和量子力學(xué)找到了共同點(diǎn)。因此，在20世紀(jì)80年代中期，物理學(xué)家對(duì)弦理論都極感興趣。巴羅說：“1985年，我們意識(shí)到弦理論解決了近50年來人們一直致力解決的一大堆問題?！?/p>

但是，弦理論本身也有一大堆的問題。首先，“我們還未真正弄明白弦理論的全部細(xì)節(jié)，沒有一種很好的方式可以去描述它?！庇?guó)牛津大學(xué)的菲利普·坎德拉斯說。同時(shí)，根據(jù)弦理論的預(yù)測(cè)，將得到一些十分荒誕的結(jié)果。愛因斯坦的統(tǒng)一場(chǎng)論僅僅依賴一個(gè)隱藏著的第五維度，最早的弦理論則需要多達(dá)26個(gè)維度，而且這些維度必須是真實(shí)存在的，才能使宇宙與弦理論在數(shù)學(xué)上取得一致。即便是弦理論的最新版本——超弦理論，也需要10個(gè)

維度才可以做到這一點(diǎn)，這與我們?cè)诘厍蛏夏軌蚩吹降娜S相去甚遠(yuǎn)。

“對(duì)此我們只能調(diào)和著來說，在我們的世界中，我們只能看到向外擴(kuò)展的三個(gè)維度。”巴羅說，“其他的維度其實(shí)就在那里，只是對(duì)我們來說它們都小得非同尋常，以至于我們無法察覺到?！?/p>

圈量子引力告訴我們，時(shí)空實(shí)際上是分成很多小塊的

由于弦理論存在著種種問題，許多科學(xué)家并不信服弦理論。一些科學(xué)家已經(jīng)轉(zhuǎn)而研究另一種理論：圈量子引力理論。圈量子引力論并不試圖將粒子物理學(xué)整合在一起，以打造一種包羅萬象的理論，而是試圖為萬有引力找到一種量子解釋。圈量子引力理論比弦理論的局限性更大，但也并非一無是處。

圈量子引力理論認(rèn)為時(shí)空實(shí)際上是分成小塊的。當(dāng)你將畫面拉遠(yuǎn)，它似乎是一個(gè)平滑的表面，但當(dāng)你將畫面拉近的時(shí)候，它就變成了一堆由線或圈連接的點(diǎn)。這些細(xì)線編織在一起，就為萬有引力提供了一種解釋。

然而，這一理論同弦理論一樣面臨著一堆問題，比如，沒有過硬的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

盡管有著各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的

為什么這些理論一路走來總是磕磕絆絆呢？有一種可能是，我們知道的根本就不夠多?！罢J(rèn)為我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一切的想法，的確很誘人?！卑土_說，“但是，我們能否在2015年為所有已經(jīng)觀測(cè)到的現(xiàn)象找到一個(gè)萬有理論，還很難說。”

還有一個(gè)更直接的問題。這些理論真的很難進(jìn)行測(cè)試，其中一個(gè)最主要的原因是，數(shù)學(xué)是一門很麻煩的學(xué)科。多年來坎德拉斯一直在努力尋找一種測(cè)試弦理論的方法，但到目前為止仍未成功。

“阻礙弦理論發(fā)展的主要障礙是我們擁有的數(shù)學(xué)知識(shí)不足以推動(dòng)物理學(xué)的研究進(jìn)展?！卑土_說，“我們現(xiàn)在還處在初期階段，還有很多很多東西等著我們?nèi)ヌ剿??！?/p>

盡管有著各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的?！岸嗄陙?，人們一直試圖將萬有引力和其他物理現(xiàn)象統(tǒng)一起來。”坎德拉斯說，“我們已經(jīng)有了可以解釋電磁力和其他力的理論，卻找不到一種理論解釋萬有引力。有了弦理論，我們就可以把它們糅合在一起了?！?/p>

而真正的問題，簡(jiǎn)單地說就是我們可能無法甄別出萬有理論。

M理論其實(shí)并沒能提供一個(gè)萬有理論

當(dāng)弦理論在20世紀(jì)80年代開始流行時(shí)，就有5個(gè)不同的版本?！叭藗冮_始擔(dān)心，”巴羅說，“如果真的存在一個(gè)萬有理論，它怎么可能有5個(gè)版本呢？”在接下來的10年中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些理論是可以互相轉(zhuǎn)換的，它們只是看待同一事物的不同方式。

最終的結(jié)果是M理論的出現(xiàn)。M理論是在1995年提出的，是弦理論的一個(gè)更深層次的版本，包容了所有的早期版本。這看起來很好，至少我們又回到了一個(gè)理論，而且M理論只需要11個(gè)維度，比26個(gè)維度好多了。

但是，M理論提供給人們的并不是一個(gè)萬有理論，而是數(shù)以萬億計(jì)的、數(shù)不清的萬有理論。精確地說，M理論給了我們10500個(gè)理論，而且這些理論在邏輯上都是一致的，也都具備描述一個(gè)宇宙的能力。

這看起來也許比無用的理論還要糟糕，但許多物理學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，它指向的是一個(gè)更深層次的真理。

M理論有一個(gè)最簡(jiǎn)單的論斷，那就是我們的宇宙是多個(gè)宇宙中的一個(gè)，而M理論的每一個(gè)版本可對(duì)應(yīng)解釋其中的一個(gè)宇宙。這個(gè)巨大的宇宙是由多個(gè)宇宙集合成的多重宇宙。一開始，多重宇宙就像“一個(gè)由多個(gè)泡泡組成的巨大泡沫，所有宇宙只是在形狀和大小上略有不同。”巴羅說。而后，每個(gè)泡泡各自擴(kuò)展成了自己的宇宙。

“我們就在這些泡泡中的一個(gè)里?！卑土_說。隨著泡泡們的擴(kuò)展，在其內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)新的泡泡，每一個(gè)新的泡泡都是一個(gè)新的宇宙?！斑@就使得宇宙地理學(xué)變得相當(dāng)復(fù)雜了”。

存在著數(shù)以萬億計(jì)的其他宇宙，每一個(gè)都是獨(dú)一無二的

在每一個(gè)氣泡形的宇宙內(nèi)，適用同樣的物理法則。這就是在我們的宇宙里一切行為表現(xiàn)似乎都相同的原因。但在其他宇宙內(nèi)，規(guī)則就完全不同了。“在我們的宇宙中存在的物理法則，就好比是地方法則?！卑土_說，“這些物理法則統(tǒng)治著我們的宇宙，但并不適用于所有宇宙?！?/p>

這會(huì)使我們得出一個(gè)奇怪的結(jié)論。如果弦理論真的是將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的最佳方式，那么它既是萬有理論，同時(shí)又不是萬有理論。一方面，弦理論使我們能夠?qū)ψ约旱挠钪嬗幸粋€(gè)完美的描述，但它似乎又會(huì)不可避免地導(dǎo)致我們得出這樣的結(jié)論：在我們的宇宙之外還有數(shù)以萬億計(jì)的其他宇宙，而且每一個(gè)都是獨(dú)一無二的。

“也許它對(duì)我們想法的最大改變，就是使我們不再期望存在什么獨(dú)特的萬有理論。”巴羅說，“可能的理論如此之多，它們幾乎填滿了我們思維中的每一個(gè)可能性。”