by Joky

在慶祝SCIENCE創(chuàng)刊125周年之際柠掂，該刊雜志社公布了125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，發(fā)表在2005年7月1日出版的專輯上誊垢。在今后1/4個世紀(jì)的時間里荸镊，人們將致力于研究解決這些問題。他們按照重要性對問題進(jìn)行了排序阅束，其中排在第五名位置的問題是：

物理定律能否統(tǒng)一?

此問題散發(fā)出的無限魅力呼胚，恐怕只有數(shù)學(xué)中的「公理化集合論」或者計算機科學(xué)中的「可計算性理論」才能與之比美。

愛因斯坦最后的問題

那一年息裸，2005年蝇更，被稱作世界物理年，而如此命名完全是為了紀(jì)念一位天才——愛因斯坦呼盆。從05年再往前推100年年扩，當(dāng)時只有26歲的愛因斯坦，一口氣發(fā)表了三篇劃時代意義的論文：分子運動論访圃、狹義相對論和光量子假說常遂，徹底顛覆了當(dāng)時人們的世界觀，影響了百年來的物理發(fā)展挽荠。1905年因此被稱為物理學(xué)界的「奇跡年」。

就是這位天才的物理學(xué)家平绩，在他生命的最后三十年間圈匆，一直試圖構(gòu)建一個更宏大的理論，這種理論將囊括人類對自然運轉(zhuǎn)的所有認(rèn)知捏雌，即一切物理定律的統(tǒng)一理論——萬有理論「Theory of Everything」

一路坎坷

可能人類從擁有心智的那天起跃赚，就開始發(fā)問：到底是什么支配著自然的運行？神學(xué)家性湿、哲學(xué)家纬傲、科學(xué)家甚至是藝術(shù)家給出了各式各樣答案，有的是因為他們堅信肤频，有的僅僅是因為這個答案更「美」叹括。今天我只關(guān)心科學(xué)家所做的工作。

宿命論

17世紀(jì)最響當(dāng)當(dāng)?shù)奈锢韺W(xué)家宵荒，艾薩克·牛頓在他發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中汁雷，闡述了萬有引力和三大運動定律，將「經(jīng)典力學(xué)」推向了巔峰报咳。無論是我們身邊的皮球飛鏢侠讯，還是頭頂?shù)娜赵滦浅剑溥\行規(guī)律于經(jīng)典力學(xué)似乎都能合理解釋暑刃。

甚至拉普拉斯在1814年還提出了他那著名的論斷：

假若一位足夠聰明的智者知道所有粒子在某個時間的位置與速度厢漩，則他可以應(yīng)用自然定律計算出任意粒子在任意時間的位置。

這樣的成果使人們慶祝物理學(xué)完善的同時岩臣，甚至還讓一部分人陷入了宿命論的苦惱溜嗜。

相對論

的確宵膨，在速度合適、尺度合適的情況下粱胜，經(jīng)典力學(xué)做的很出色柄驻。一直到20世紀(jì)，愛因斯坦提出「相對論」焙压，才修正了經(jīng)典力學(xué)中的錯誤時空觀鸿脓，即便如此，人們對物體運動的確定性仍然深信不疑涯曲。

統(tǒng)一電磁學(xué)的麥克斯韋方程組

在此之前野哭，麥克斯韋于1965年給出了完備的電磁理論，將電與磁統(tǒng)一在了「麥克斯韋方程組」下幻件。

也許是追隨麥克斯韋的腳步拨黔，也許只是對簡單優(yōu)雅定律的追求的執(zhí)念，愛因斯坦在提出廣義相對論之后绰沥，便踏上了構(gòu)建「統(tǒng)一場論」的征程篱蝇，目標(biāo)是將電磁學(xué)中的電磁力和廣義相對論中的引力整合為單一場論。這就是愛因斯坦為之傾倒徽曲，為之耗盡一生的理論零截，然而他失敗了。

令人唏噓的是秃臣，這場追夢之旅從一開始就注定會失斀а谩（即便成功，也不完備）奥此，因為自然中存在著四種基本作用力（引力弧哎、電磁力、弱力稚虎、強力）撤嫩，而愛因斯坦受限于當(dāng)時認(rèn)知，只考慮了電磁力和引力蠢终。

四種基本作用力

接著「量子力學(xué)」的出現(xiàn)非洲，把人們從美夢中徹底喚醒，不確定性原理表明蜕径，我們永遠(yuǎn)不能既對粒子的位置精確測量两踏，又對其速度精確測量，厚此則薄彼兜喻。此時梦染，人們對于自然的了解好像一下子什么都弄不懂了。

強力與弱力的發(fā)現(xiàn)打斷了對于統(tǒng)一場論的探索。這兩種作用力的性質(zhì)跟引力帕识、電磁力大不相同泛粹。于是人們從量子力學(xué)出發(fā)，重新摸索萬有理論肮疗，并將思路換為晶姊，先嘗試整合這三種力：電磁力、弱力伪货、強力们衙。實在是因為引力與當(dāng)前的量子框架太格格不入了。

令人振奮的成果終于在1967年出現(xiàn)碱呼，物理學(xué)家謝爾登·格拉肖蒙挑、史蒂文·溫伯格、阿卜杜勒·薩拉姆率先將電磁力與弱力統(tǒng)一為電弱力愚臀。

接著忆蚀，哈沃德·喬吉和謝爾登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大統(tǒng)一理論。試圖將電弱力與強力統(tǒng)一起來姑裂，遺憾的是SU(5)模型的正確性已經(jīng)被相關(guān)實驗否決馋袜。雖然這個最簡單的大統(tǒng)一理論被實驗排除，但他的整體概念舶斧，特別是當(dāng)與超對稱連結(jié)在一起時桃焕，仍舊受到理論物理學(xué)界的追捧。

時間到了2012年捧毛，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)再次點燃了人們的激情，這一發(fā)現(xiàn)使得粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型更加完善让网，從而在超對稱大統(tǒng)一理論之路上又向前一步呀忧，雖然可能僅僅只是序幕。

直到如今溃睹，被實驗證實的大統(tǒng)一理論仍然沒有出現(xiàn)而账。更不要說將大統(tǒng)一理論（量子力學(xué)）與廣義相對論結(jié)合起來的萬有理論了。

42

1923年因篇，愛因斯坦在給他最早的探索伙伴赫爾曼?外爾的一封信中就強調(diào)指出：“這項美妙絕倫的研究應(yīng)該堅持下去泞辐。盡管無情的自然也許正對我們這樣的努力暗自好笑——因為它給了我們了解它的渴望，卻很可能沒有給我們了解它的智慧竞滓。

先行者

雖然實驗物理蹣跚不前咐吼，可理論研究顯然走在前面，甚至呈現(xiàn)出一片繁榮商佑，它們目標(biāo)一致锯茄，也就是調(diào)和廣義相對論和量子力學(xué)之間水火不容的關(guān)系，將前者對萬有引力的解釋與后者對其他自然力的解釋統(tǒng)一起來。簡言之肌幽，各種理論從各自的角度向萬有理論這座巔峰發(fā)起了沖鋒。

當(dāng)前主流嘗試?yán)碚撚校合依碚摗⑷α孔右φ摗?/p>

弦理論：

弦理論描繪了這樣的世界：無數(shù)完全相同的細(xì)微線條育拨，也就是「弦」温技，它們的振動，如同奏出的一部巨型交響樂廊移，催生了宇宙萬象糕簿。弦理論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子画机、光子冶伞、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的弦（大概在10^-34米量級步氏，包括有端點的「開弦」和圈狀的「閉弦」）响禽。

弦理論認(rèn)為，空間有三個展開維荚醒，即長芋类、寬、高界阁，以及六個卷縮維侯繁，蜷縮在普朗克長度的空間上。弦則纏繞或依附在這樣的空間維度上泡躯，在各個方向上振動贮竟，根據(jù)卷縮維的維度不同，弦的長度不同较剃，形狀不同咕别，產(chǎn)生各種各樣的纏繞能和振動能，從而形成各種性質(zhì)的點狀粒子與力写穴，粒子拼合成不同的物質(zhì)惰拱，在力的作用下，最后構(gòu)成恢弘的宇宙啊送。（為什么是九個空間維度呢偿短？不為別的，如果在計算中使用的維度少于九個馋没，就會導(dǎo)致不兼容的結(jié)果昔逗。）

先想象一下，遠(yuǎn)距離觀察一根細(xì)長的水管篷朵，你會覺得它只是一條一維的線纤子，離近一點，你發(fā)現(xiàn)它是二維的，有寬度控硼，再離近一點泽论，喲，是三維的卡乾，中空的管翼悴。同理，六個卷縮維糾纏在一起幔妨，離遠(yuǎn)了看鹦赎，就像是一維的點，若放大了看误堡，可能是這個樣子的古话。

以上只是弦理論的直觀描述，要真正搞懂弦理論需要艱深的數(shù)學(xué)推演锁施。還有一件不得不提的事情是陪踩，在1995年以前，弦理論家族中一共有五種已知的自洽弦理論悉抵，每種理論都有著共同的理論基礎(chǔ)肩狂，但進(jìn)行細(xì)部分析的時候，巨大的不同性就顯現(xiàn)出來了姥饰。M理論試圖透過檢驗五種弦理論的特定理論特征與對偶性來統(tǒng)一所有的弦理論傻谁，并使得所有五種弦理論都是M理論的特例之一。M理論當(dāng)中指出列粪，描述完整的物理世界一共需要十一個維度审磁，其維度超過弦理論所需要的十維（九個空間維度，一個時間維度）岂座。

絕大部分理論家都對這一理論寄予厚望态蒂，期待它能夠解決困擾基礎(chǔ)物理學(xué)幾十年的疑問。在全世界各大研究中心掺逼，大約有1000多位物理學(xué)家為了最終實現(xiàn)量子力學(xué)和廣義相對論的統(tǒng)一、為了對世界作出一致和諧的描述而在孜孜不倦地探索著這一理論瓤介。

圈量子引力論：

面對強大的弦論者群體吕喘，他們這群人看上去是那么微不足道。連那些高端學(xué)術(shù)會議也常常忘記邀請他們參加刑桑。作為圈論者氯质，在弦論者更傾向于量子論的時候，他們卻以愛因斯坦的真正繼承人自居祠斧，強烈主張回歸廣義相對論的基礎(chǔ)觀點闻察。

愛因斯坦認(rèn)為引力實際上是不存在的，它只是時空扭曲產(chǎn)生的效應(yīng)。這對我們的腦細(xì)胞來說辕漂，已經(jīng)是一個挑戰(zhàn)了：

空間不再像我們想象的那樣是一個平坦呢灶、靜止、為各種物體提供運動舞臺的平面钉嘹，而是一個會根據(jù)所容納的物質(zhì)而發(fā)生扭曲并改變幾何形狀的東西鸯乃。

我們好不容易想通了這一點，現(xiàn)在跋涣，圈論者們又叫我們把這幅畫面給顛倒過來缨睡。

既然我們可以把引力看作時空變形產(chǎn)生的效應(yīng)，那為什么不可以把時空看作引力場的表現(xiàn)呢陈辱？視角一反轉(zhuǎn)過來奖年，時空就不再是相對論的主要概念了。但圈論者如果想使大家相信對廣義相對論的這種重新詮釋走得通沛贪，那么他們就必須首先說明場是什么東西——既然在他們看來連時空都不存在陋守。在他們的設(shè)想當(dāng)中：

場可以被想象為一種出自正電荷并終于其他負(fù)電荷的線條。這些線條是真實的鹏浅、物理的嗅义，就向散落在磁石周圍的鐵屑形成的線條一樣，充斥著整個空間隐砸。他們繃得越緊之碗，就說明電力或磁力越強。

如果沒有電荷季希，這些線條就會自我封閉褪那，形成閉合的場線。就是說式塌，形成「圈」博敬。圈論者堅信，萬有引力場也可以用同樣的方式表現(xiàn)峰尝。就像針織面料偏窝，物體之間的聯(lián)系也都環(huán)環(huán)相扣。在圈論者看來武学，這些聯(lián)系并非被施加于空間中祭往，而是先于空間而存在的！

圈量子引力論中的自旋網(wǎng)絡(luò)

（在自旋網(wǎng)絡(luò)里火窒，每一個“節(jié)點”代表一個空間顆粒硼补，節(jié)點與節(jié)點之間的連結(jié)線段稱為“鏈接”，代表隔離空間顆粒的基本表面熏矿。）

這樣一來已骇，空間就真地變成了一個類似鎖甲的結(jié)構(gòu)离钝，變成了一個圈圈相套的網(wǎng)絡(luò)，其中每個交叉點都代表著一個基本的空間單位褪储。所以空間并不是連續(xù)的卵渴，而是由一個個細(xì)微的點構(gòu)成的。就像是一幅點彩畫乱豆。這些"空間原子"有多大呢奖恰？10^ -33厘米！而一個基本面的大小則是10^-66 厘米宛裕，一個基本體積是10^ -99厘米瑟啃。時間同樣被粒子化，每一個“時間顆量”大約是10^-44 秒蛹屿。

這便是圈量子引力論展現(xiàn)的奇異世界，但要觀測到如此小尺度的空間顆粒幾乎是不可能的岩榆，期待在將來错负，可以給我們滿意的答案。

除了以上兩種熱門理論外勇边，還存在很多其他的理論犹撒，這里做簡單介紹：
因果動力三角論：

因果動力三角論乍看起來與圈量子引力論很相似。不過粒褒，圈量子引力論只把空間分成細(xì)小的“顆潦都眨”，而因果動力三角論假設(shè)時空分成叫做正五胞體的四維構(gòu)造塊奕坟。

正五胞體可以粘在一起生成大型的宇宙祥款，結(jié)果就形成了三維空間和一維時間，這正是真實宇宙的樣子月杉。但其尚不能解釋物質(zhì)的存在刃跛。

非交換幾何學(xué)：

出自法國數(shù)學(xué)家阿蘭?孔內(nèi)自上世紀(jì)80年代開始的研究工作。其構(gòu)想苛萎，就是重新從長久以來被人們忽略的對量子力學(xué)所進(jìn)行的一種代數(shù)學(xué)詮釋出發(fā)桨昙，將其演繹為一種新的時空幾何——非交換幾何。

這一復(fù)雜艱深而且無法通過形象感知的世界觀腌歉，通過自發(fā)地導(dǎo)出廣義相對論和所知的粒子蛙酪，展現(xiàn)著它的實力，漸漸成為弦論和圈輪的有力競爭者究履。

量子愛因斯坦引力論：

統(tǒng)一引力和量子力學(xué)的問題之一就是引力在極小尺度下的表現(xiàn)滤否。兩個物體靠得越近脸狸，它們之間的引力越強最仑，但引力也對物體自身起作用藐俺，這樣，在極微小的距離上就形成了一個反饋回環(huán)泥彤。根據(jù)傳統(tǒng)理論欲芹，引力應(yīng)該變得不合理的強，這意味著傳統(tǒng)理論某個地方出了問題吟吝。

德國美因茨大學(xué)的馬丁·路透提供了一個產(chǎn)生“定點”的方法：小于某個距離處引力將停止增強菱父。這或許有助于解決此難題，從而形成一個關(guān)于引力的量子理論剑逃。

量子重力圖論：

大多理論都假設(shè)空間和時間預(yù)先存在浙宜，然后再試圖去構(gòu)建宇宙的其余部分。量子重力圖論則與之相左蛹磺，它是由加拿大安大略省滑鐵盧市的普里美特理論物理研究所的弗蒂尼·馬可波羅及其同事們獨創(chuàng)的粟瞬。

當(dāng)宇宙在大爆炸中形成時，馬可波羅認(rèn)為當(dāng)時并沒有我們所了解的空間萤捆。而是存在一種空間“節(jié)點”的抽象網(wǎng)格裙品，其中的每個節(jié)點都互相連通。很快俗或，網(wǎng)格塌縮市怎，一些節(jié)點斷裂開來，形成了我們?nèi)缃窨吹降拇蟪叨扔钪妗?/p>

內(nèi)稟相對論：

由麻省理工學(xué)院的歐拉夫·德萊耶所發(fā)展的內(nèi)稟相對論著手去解釋廣義相對論如何在量子世界中出現(xiàn)辛慰。宇宙中的每個粒子都有種屬性叫“自旋”区匠，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下可認(rèn)為它是由粒子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。

德萊耶的模型假設(shè)存在一個獨立于物質(zhì)的隨機部署的自旋系統(tǒng)昆雀。當(dāng)系統(tǒng)抵達(dá)一個臨界溫度時辱志，自旋會排列形成一種有序的模式。任何實際存在于自旋系統(tǒng)中的人都無法看到它們狞膘。他們所見到的只是自旋的效應(yīng)揩懒，這也是德萊耶所展示的內(nèi)容，其中包括時空和物質(zhì)挽封。他還設(shè)法從此模型中導(dǎo)出了牛頓引力已球，不過，廣義相對論仍然未整合進(jìn)來辅愿。

標(biāo)度相對論：

標(biāo)度相對論的主要思想：時空結(jié)構(gòu)在不同的標(biāo)度下智亮，顯示出不同的“粗糙程度”。即為：時空是分形的点待。例如阔蛉，我們從地球大氣層外部觀測海岸線，是比較平滑的癞埠。但是状原，如果我們的觀測高度不斷降低聋呢，海岸線就會變得越來越曲折。我們的觀測高度和視角就相當(dāng)于標(biāo)度颠区，海岸線就相當(dāng)于時空削锰。

這種理論將相對論與量子力學(xué)都看作是近似理論，廣義相對論中認(rèn)為時空是處處平滑且有彈性的毕莱。標(biāo)度相對論可以合理且漂亮的與相對論和量子力學(xué)兼容器贩，可以推導(dǎo)出兩種理論的部分方程，所以有望統(tǒng)一這兩種理論朋截。但是蛹稍，因為這種理論的獨特思想，“時空的結(jié)構(gòu)與標(biāo)度息息相關(guān)"部服，會動搖很多物理理論和數(shù)學(xué)工具的根基稳摄。比如，數(shù)學(xué)中的微分幾何就是建立于將空間無限分割的思想饲宿，但標(biāo)度相對論把這種分割的有效性給否定了厦酬。因此，遭到大多數(shù)科學(xué)家的反對瘫想。

E8：

2007 年仗阅，物理學(xué)家（也是沖浪運動員）加勒特·里希發(fā)表了一個萬有理論E8的論文，E8是一個復(fù)雜的国夜、擁有248個點的八維數(shù)學(xué)模式减噪。里希認(rèn)為，物理學(xué)中已知的多種基本粒子和作用力可被容納在E8模式的點中车吹，它們之間的多種相互作用也自然而然地出現(xiàn)了筹裕。

一些物理學(xué)家對此文提出了強烈批評，而另一些人則表示謹(jǐn)慎的歡迎窄驹。直到 2008 年末朝卒，里希得到一項繼續(xù)E8研究的資助。

可能這些理論只有一個是正確的乐埠，也可能它們都是某個更基本的萬有理論的近似描述抗斤，還有可能每一個都錯的離譜，但無論如何丈咐，他們的所作所為都值得贊賞瑞眼，正是他們的不懈努力，把人類的認(rèn)知不斷地向前推進(jìn)棵逊！

朝聞道伤疙，夕死可矣

在追尋萬有理論的道路上，我們?yōu)槲锢韺W(xué)家取得的每一次突破而歡喜辆影，為他們每一個謹(jǐn)慎大膽的想法而迷倒徒像。每當(dāng)我陶醉在物理學(xué)家構(gòu)造的奇異世界時花吟，整個人就像被魘住一樣，啞然無言厨姚，真的太美了，太美了键菱。

極簡主義

有些人很疑惑谬墙，為什么一定要尋找一個統(tǒng)一理論呢？難道不可以將世界描述成兩條或多條理論共同支配嗎经备？我想說拭抬，當(dāng)然可以這么認(rèn)為，而且說不定真正的世界就是多理論支配的侵蒙，但物理學(xué)家可不會停下腳步造虎，他們是學(xué)者更是藝術(shù)家，他們堅信世界應(yīng)該由一種簡單優(yōu)雅的定律去描述纷闺，那樣才美算凿，復(fù)雜繁亂的理論簡直會讓他們犯起“學(xué)術(shù)潔癖”來。理論物理的發(fā)展犁功，正是一路追尋對稱美而發(fā)展的氓轰，正是一路填補對稱性破缺而發(fā)展的。

萬有理論——對于愛因斯坦最后問題的解答浸卦，也許很久才能見到署鸡，也許永遠(yuǎn)也見不到，也許根本就不存在限嫌。除非明確的證明它不存在靴庆，否則人們將義無反顧！

附錄：

SCIENCE公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中怒医，被認(rèn)為最重要的前25個問題：

1宇宙由什么構(gòu)成?

2意識的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么?

3為什么人類基因會如此之少?

4遺傳變異與人類健康的相關(guān)程度如何?

5物理定律能否統(tǒng)一?

6人類壽命到底可以延長多久?

7是什么控制著器官再生?

8皮膚細(xì)胞如何成為神經(jīng)細(xì)胞?

9單個體細(xì)胞怎樣成為整株植物?

10地球內(nèi)部如何運行?

11地球人類在宇宙中是否獨一無二?

12地球生命在何處產(chǎn)生炉抒、如何產(chǎn)生?

13什么決定了物種的多樣性?

14什么基因的改變造就了獨特的人類?

15記憶如何存儲和恢復(fù)?

16人類合作行為如何發(fā)展?

17怎樣從海量生物數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大的可視圖片?

18化學(xué)自組織的發(fā)展程度如何?

19什么是傳統(tǒng)計算的極限?

20我們能否有選擇地切斷某些免疫反應(yīng)?

21量子不確定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

22能否研制出有效的HIV疫苗?

23溫室效應(yīng)會使地球溫度達(dá)到多高?

24什么時間用什么能源可以替代石油?

25地球到底能負(fù)擔(dān)多少人口?

參考鏈接：

1. 我們不知道答案的125個科學(xué)難題——《科學(xué)》雜志http://blog.sina.com.cn/s/blog_54484bd60101ahe5.html
2. 不顧一切地尋找萬物之理http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e3139250102v8h4.html
3. 萬有理論https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%87%E6%9C%89%E7%90%86%E8%AE%BA
4. 怎么用很簡單的語言解釋弦理論？http://www.zhihu.com/question/20063527
5. M-理論https://zh.wikipedia.org/wiki/M%E7%90%86%E8%AE%BA
6. 了解上帝的心智：七種萬有理論http://www.scipark.net/archives/18460
7. 標(biāo)度相對論http://baike.baidu.com/view/7891649.htm
8. 愛因斯坦留下的難題 迎難而上的四種理論《新發(fā)現(xiàn)》2006年8月（總第11期）
9. 希格斯粒子之理論淺析 楊金民 《物理》43卷（2014年）1期