尋找世界最初的“一”

——科學前沿系列之五

2014年5月5日   解放周一07：解放周一07－新知 新思     作者：彭德倩

　　看身邊，花草蟲魚飛禽走獸；放眼望，藍天白云日月星辰，宇宙萬物從何而來？遵循著什么樣的規律生生不息？ 2500多年前，中外哲學家不約而同探尋著萬物之理。

    中國的老子曾說，萬物之本源是道，道者理也。道生一，一生二，二生三，三生萬物。

    古希臘的德謨克里特認為，萬物均由不可分割的原子構成。他的同胞，畢達哥拉斯則提出，“萬物皆數”。

    這些古代的先哲們或許沒有想到，千百年后，探尋能解釋萬物之理的“統一場論”，已成為理論物理學界的前沿領域。

    我們正感知著的存在和運動，有何規律？基本單位是什么？物理學家們艱難跋涉，尋找世界的“道”，和那個最初的“一”。

■ 本報記者  彭德倩

物理學中的不斷“統一”

    闡明自然界各種相互作用的性質和規律，本就是物理學基礎研究的一個極其重要的方面。是否存在一個基本規律、基本方程，能完整解釋整個世界？仍是未解之謎。但對物質世界的統一和諧的堅定哲學信念，以及竭力探求事物內在本性的頑強欲望，推動著一代又一代科學家，追逐“統一場論”的路上前赴后繼。愛因斯坦將后半生的精力獻給了這一事業。在他的深刻思想的影響下，“統一場論”已成為當前物理學界的重要研究方向。

    事實上，近代物理學正是在不斷“統一”中發展。

    伽利略讓比薩斜塔上兩個輕重不同的球同時落地，宣告實驗物理學誕生。開普勒仔細分析了第谷多年觀測行星運動所積累的大量數據，得出行星運動三定律。他們的后輩牛頓，根據前兩者的研究結果，總結出牛頓運動方程，有人說：“牛頓將天上與人間和諧地統一起來了。 ”至此，奠定了經典物理學的基礎。

    安培、法拉第等人發現“電動生磁，磁動生電”，將電學與磁學統一為電磁學。麥克斯韋集電磁學之大成后創新，證明光是電磁波，將電磁學與光學統一。至此，形成經典物理學的重要組成部分。

    19世紀末，以牛頓力學和麥克斯韋電磁理論為支柱的經典物理學登峰造極。英國物理學家開爾文說：“大廈已建成，剩下的只是一些修飾工作。但在物理學晴朗的天空中有兩朵烏云：一是邁克爾孫光速實驗結果與以太說抵觸，二是經典黑體輻射理論的紫外發散與實驗不符。 ”

解釋世界，“一山不容二虎”

    這兩朵烏云，引來的是物理學領域中意義重大的兩次 “大統一”。

    1900年，普朗克將輻射量子化，消除了紫外發散，得到與實驗符合的黑體輻射理論，奠定量子論基礎。 1913年玻提出電子量子化軌道理論，解釋了氫原子光譜。海森堡與薛定諤分別提出量子力學基本方程，不僅能解釋所有原子的光譜，并統一描述各種微觀粒子之低速（遠低于光速）運動規律，是為微觀物理學第一次大統一。

    在那之后，人們發現分子，所有分子皆由元素周期表上幾十種原子構成。20世紀發現原子由原子核和繞核運動的電子構成，原子核由質子和中子構成，而質子和中子均由夸克所構成。電子夸克及光子等稱為基本粒子。物理學家發現基本粒子之間存在四種作用力：萬有引力、電磁力、弱力、強力，分別對應于引力場 （引力子）、電磁場（光子）、弱力場（W、Z粒子）、強力場（膠子）。 1928年狄拉克和費因曼等人創立量子場論，后經過許多人共同努力發展出標準模型，將電磁力弱力強力以及所有基本粒子納入統一理論框架，是為微觀物理學之大統一。

    1905年，愛因斯坦創立狹義相對論，解釋了邁克爾孫實驗，否定了以太和牛頓的絕對時空。狹義相對論基于光速不變原理及協變原理，將時間和空間聯合為時空連續統一，是為時間空間之統一；由此導出質能相當原理，是為質量能量之統一。1915年他創立廣義相對論，將萬有引力歸結為時空彎曲，是為物理學與幾何學之統一。廣義相對論基于兩個基本原理：等效原理及協變原理，具有堅實的理論基礎。經過數百次實驗檢驗，從未發現一例違反。完成了宏觀理論的大統一。

    微觀世界中，量子論“稱雄”，它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等，但遺憾的是尚未把引力納入其標準模型。宏觀世界中，廣義相對論關于引力場內的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應等預言，已通過了所有觀測和實驗的驗證。

    科學家們發現問題來了！描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論在根本上有沖突，后者的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾，這意味兩者不可能完整地描述世界。一山難容二虎。如何將廣義相對論和量子物理的定律統一起來，建立一個完備并且自洽的量子引力理論，從而到達真正的“萬物之理”？研究者們踏上新的征程。

萬物本源，追問仍在繼續

    探索統一場論者分為兩大派：以弦論為首的多數派從量子論出發，以圈論為首的少數派從廣義相對論出發。弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”（包括有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”或閉合弦）。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。弦論者堅持多維空間，在現實生活的三維之外，多余空間卷曲收縮為微小的拓撲結構隱藏起來了，各種不同的拓撲結構共有一萬億億……億億 （共62個億）之多。這么多拓撲結構各具有不同的理論及其預測，這也為這一方向下的研究帶來了更多變數。

    還記得嗎？知名美劇《生活大爆炸》里，當科學宅男萊納德被問及物理學有啥新發現時，曾這樣 “吐槽”：“自從1930年以后就停滯不前了，除了弦理論。并且你還是無法證明弦理論。最多可以說：‘嘿，瞧，我的觀點在內在邏輯上是一致的！ ’”

    從廣義相對論出發的圈論全稱是圈量子引力論。1986年由阿許特卡創立，成為弦論的主要競爭者。圈論者主張萬物皆圈，弦與圈皆為一維實體，區別在于弦可開可閉，圈必須是閉合的。圈論者主張空間是不連續的，只有一系列離散點，最小長度為普朗克長度 （約一千億億億億分之一米）。對這一理論的研究，在宇宙演化及黑洞理論等方面有所貢獻，并已涉足基本粒子，得出一些定性結果，但至今仍無定量微觀理論。而物理學是實證科學，理論必須經過實驗證明才能成立。

    科學家們沿著以弦論及圈論為代表的兩大學術方向，歷經四十多年堅持努力，前者尚難以推導出基本方程，后者雖有宏觀方程，但在解釋微觀世界時仍有缺憾。僵持之下，一些學者開始尋找新的路徑。

    去年10月第4期 《現代物理雜志（JournalofModern Physics）》上發表的論文《隨機量子空間理論——同一場論新版本》，引發學界關注。作者美籍華裔物理學家沈致遠歷時八年，創立“隨機量子空間理論”，同樣以廣義相對論為立足點，與圈論不同的是，他在基本原理中引入“幾率”這一變量，將連續的高斯幾率分布加在相隔為普朗克長度各個離散點上，既保持空間連性續，又顧及普朗克長度。換句話說，空間包含無數千變萬化互相隔離的閉合軌道，在一條軌道中基本粒子內部運動是完全確定的，基本粒子在何時躍遷到哪一條軌道是不確定的，由相應的幾率決定。這一全新理論視野中，所有物理場統一為一個真空場，所有基本粒子統一為真空場不同的激發態。值得關注的是，根據這一基本理論，目前已推算出9個基本粒子質量，其中6個已知粒子與實驗值符合，3個是尚未發現粒子，作為預測正待實驗驗證；同時還算出了二十多個物理參量，均與實驗值符合；并提出25項預測，以供實驗檢驗?！皻g迎更多同好參加進來，群策群力，”在沈教授看來，新理論目前只是統一場論的一家之言，還有許多理論課題待解……

    這場關于萬物本源的追問，千百年前，始于先賢的哲學思辨，至今已成科學家們爭相追逐的終極命題。對它的探索，步步荊棘，卻仍將繼續。