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2006-01-03 | 玄之又玄 众妙之门 弦论整合万有引力量子论终会有时
[法国《科学与生活》月刊文章]题：最后一个理论挑战
根据传统力学，在俄罗斯物理学家内斯韦热夫斯基的仪器里，质子应该沿着抛物线的轨迹弹跳。但试验结果却同量子力学所预计的一致：万有引力作用下的中子所走的轨迹不是光滑的抛物线，南昌是阶梯形线，这是量子现象的特点。
在内斯韦热夫斯基成功的试验之前，爱因斯坦的广义相对论从未被认为是错误的，不过科学家们都确信这一理论存在着某些缺陷。物理是一门实验科学，建立在对自然现象的观察的基础之上。物理学家怎么会认为一个从没找到过缺陷的理论存在着不足之处呢？
首先，他们在自己的经历中都有一种很难说清的感觉。同其它的力相比，万有引力实在是太小了，以至于很难准确地测量出来。除了测量太难以外，爱因斯坦理论的缺陷更使物理学家们困惑。以伽利略、开普勒、笛卡尔和牛顿的工作成果为基础，爱因斯坦理论将万有引力定义为空间—时间的转变。这在描述宏观时很有效。它很好地解释了一个足够大的恒星，因自身的质量解体后形成任何光线都无法从中逃逸的黑洞这一现象。但是在描述很微小规模的万有引力现象时却十分困难。它无法给出恒星解体形成黑洞的极限值。从理论上讲，它预言恒星物质最后向中心挤压形成唯一的一个点，体积为零而密度无限大。在方程式中出现无限这个词，说明爱因斯坦理论不想描述黑洞微小的核心内所发生的事。这是这一理论不完全的征兆，是它该”卸任”的一个证据。
这种爱因斯坦理论无法描述的无限小世界就是量子理论的核心。量子理论从一个最简单思路出发：当人们看一个物体、想测出它的速度时，结果总会存在不确定性，这是因为对测量存在着扰乱。这种”测不准原则”的影响完全就是因为被测对象非常小。
量子论可以十分精确地描述电磁力是如何使原子聚在一起的。它还可以描述两种核力（强和弱）的存在。这两种力的作用仅局限于原子核内。但是，以前量子论很少成功地被用于万有引力的描述中。现在解释万有引力的唯一理论是爱因斯坦的理论，它与量子论在很主要的一点上有很大分歧；对空间的概念（爱因斯坦认为是平滑的、连续的，量子论认为是不连续的）。爱因斯坦的理论可以不太困难地解释苹果落地或宇宙的发展，因为这些物体很大，量子论中谈论的影响完全可以忽略。但当涉及物质集中到非常小的一点（如黑洞）或万有引力只作用于很小很小的物质时，量子论就变得必不可少了。
70年来，物理学家们一直在寻找一种能够描述各种大小物体垂落的万有引力量子论。他们没有试过创造全新的理论，而是想把两种理论结合起来。当今大多数物理学家认为，现在看到的物体之间的相互作用只是控制宇宙最初、还没有形成各种现象之前唯一原始力的一种表现。因此，万有引力只能用一个统一的理论来描述，既用量子论，又要用相对论。
另外，人们可能会感到奇怪：为什么宇宙中所有的力都用一个公式去计算？法国学者奥古斯特·孔特认为：”科学的进步主要是在不断扩展那些不同原理之间的联系、减少它们的数目。”但这只是一种认识论观点，真正促使科学家们形成统一思想的是以事实为基础的论据。
17世纪，牛顿通过物体落地现象概括了行星的运动。19世纪，麦克斯韦将电、光和磁统一到一个电磁论中。20世纪，温贝里和格拉肖将电磁力和核弱力统一为电弱力。21世纪能看到电弱力和核强力的融合吗？这种假设的电核力能同万有引力统一为原始力吗？这就是所要应付的挑战。
尽管这一”万物之理论”在数学方面肯定极端复杂，但是研究人员已经有了几套备选理论，其中有一个理论今后会得到很多关注：弦论。根据这种理论，宇宙的唯一一种基石是一个只有中子几万万亿分之一的线头。我们看到的各种力的特性只不过是这条弦以不同方式抖动而产生的反应，这就像是我们通过一根琴弦可以听到不同的音符一样。这种弦论很好地解决了传统力学和量子力学之间的不融合性，可以描述整个宇宙内所有现象，包括万有引力。但由于隐藏在无限小的空间里，这种弦显然很难观测到。
再回过头来：要使一个理论有效或无效，必须要有观测纪录、测量结果。例如，应当在接近于宇宙生成条件的环境下观察各种力的表现。这也是在日内瓦附近建粒子加速器的原因。还应当观察万有引力在爱因斯坦理论有效领域以外的表现，例如用最强大的天文望远镜瞄向黑洞，或者利用精度会得到进一步提高的内斯韦热夫斯基的仪器进行观察。这位俄罗斯科学家的试验将最新的进步带入了基础物理领域。尽管试验没俄令任何理论学家感到惊奇，但它却将他们推到了最后的挑战面前。
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