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万有理论真的存在吗?

2018-01-27  物理网文

撰文:劳伦斯·M·克劳斯(Lawrence M. Krauss)

翻译:徐丽

审校:丁家琦


不管你在何时谈论日常生活中的什么事情,其实都限定在一个范围内。不信试试看:“我很忙”只是针对某一特定的时间范围,如今天或者这周,而非本世纪或者这一纳秒;“税负沉重”也只适用于某一特定的收入范围。诸如此类的例子很多。


你可能会说,在科学中肯定没有这样的限制,毕竟,在近代科学产生以后的几个世纪里,传统观点一直认为适用于整个宇宙的理论是存在的,即使我们可能永远无法凭经验确认这一点。比如,牛顿的万有引力定律就是普适的,它既适用于下落的苹果,也适用于陨落的行星,并能解释太阳系内外的一切重要的观测发现。


随着相对论,尤其是广义相对论的出现,我们发现牛顿万有引力定律只是一个更基本理论的近似。但是这一更基本理论,即广义相对论,它在数学上是如此优美,以至于我们似乎可以合理地假设它就是个完美的理论,可以完整地描述空间与时间在质量和能量作用下的行为。


而量子力学的出现改变了一切。量子力学与相对论相结合之后,产生了一个让人意想不到的结果:主宰着物质与能量的物理定律,其具体性质依赖于你在哪个尺度上测量它们。这引发了或许是20世纪最大规模的无声科学革命:我们开始明白,并不存在这样一种理论,既与实际世界紧密相关,同时又是绝对的,并且永远正确。(我并不期望这点会在短期内改变,虽然弦理论家们是这么希望的。)尽管如此,理论物理学家依然花费了大量的精力来研究这种类型的理论。那么,到底是怎么回事呢?追求统一的理论是否是一个正当合理的目标,而科学真理又是否永远依赖于尺度呢?


量子力学与相对论的结合就是现在亟待解决的一个尺度问题。著名的海森堡测不准原理是量子力学的关键所在,它意味着在小尺度、短时间内我们不可能完全限制基本粒子的行为。微观粒子的能量与动量有其固有的、永远无法消除的不确定性。当这一事实与狭义相对论相结合,得出的结论则是你甚至不能真正控制短时间内某一小空间内出现的粒子数量。所谓的“虚粒子”可以随时造访或离开真空,而时间太短,你无法直接测量它们的出现。


这一结论的一个显著效果体现在我们测量电子间作用力的时候。实际测得的电子电荷——它决定了电场强度——取决于你测量的尺度。你距离电子越近,就越深入到电子周围虚粒子云的内部,由于电子吸引带正电的虚粒子,每个虚粒子对都是带正电的粒子在内,带负电的粒子在外,从而部分抵消了电子的电场。你越深入到虚粒子云内部,这种屏蔽效应就越弱,电子带的负电荷看起来就越多。


因此,当你准备计算两个粒子之间的相互作用力时,你就需要考虑所有虚粒子的影响。它们可能会在测量期间从真空区域凭空产生,其中包括那些具有任意大的质量与能量,并出现在任意短的时间内的粒子。当你把所有这些都考虑进去,计算出的作用力就达到了无穷大。


理查德·费曼(Richard Feynman)找到了一种方法,可以提取出一系列本来意义不明的无穷大项,从而总是可以计算出一个有限的剩余力,而不引入任何矛盾。他也因此获得了1965年的诺贝尔物理学奖。有了他的方法,我们现在可以从基本原理出发来计算电子磁矩,精度达10位有效数字,其与实验结果的符合程度让任何其他科学领域都望尘莫及。


但是费曼对于已取得的成就还是有些失望——我们可以从他1965年的诺贝尔奖致辞中发现这一点:“我认为重整化理论只是在表面上掩盖了电动力学在发散项方面的问题。”他认为完备的理论从一开始就不应该产生无穷大,他与其他人所用到的数学技巧终究不过是权宜之策。


现在,我们的看法又不一样了。从某种意义上说,费曼担心错了地方。问题并不是来自理论本身,而是我们试图将它推广到适用范围之外所导致的,而一个理论只有在其适用范围之内,才能正确地描述自然。


任意大的质量与能量的虚粒子所产生的无穷大并不会造成物理上的影响,因为它们之所以出现,是基于一个错误的假设,即量子电动力学理论是完备的,或者换种说法,该理论适用于所有尺度上的物理学,甚至是任意小的距离与时间尺度。但如果我们期望我们的理论是完备的,这就意味着在我们提出任何理论之前,就已经预设了万有理论的存在——它涵盖了我们发现的以及尚未发现的所有基本粒子的影响,而这完全不切实际,甚至毫无可能。


因此,在更小的尺度(或者更大的尺度,不过不太可能)上诞生的可能的新物理学理论,至少在实验室可测量尺度内,不应该影响到现有的合理理论。现有的理论并不仅仅是解决短期问题的权宜之计,我们不会在有了可以更准确地描述自然的理论时就将它抛弃。因为我们的经验知识可能永远都是不完全的,所以从现实的角度讲,超出我们当前研究范围的新物理理论并不会影响现有的理论。这是我们认识论的一个特点,而在开始探索量子力学与相对论都起着重要作用的极端状态之前,我们并没有领会到这一点。


关于物理理论中的尺度问题,还有另外一个解读方法:对尺度的讨论并不是为了合理地将各种理论划分到各自适用的范围,在这些范围之外理论就失效了,而是揭示了这些理论的内在联系,并指出了新的统一理论的方向——新的理论包含了原有理论,并可以应用在更广的尺度上。


举个例子,过去几年人们对于希格斯粒子的发现津津乐道,因为它是将量子电动力学与另一种作用力(弱相互作用)统一起来的理论——即电弱统一理论——中最后缺失的一环。电磁相互作用和弱相互作用是自然界中已知四种基本相互作用中的两种,而且表面上看来,它们的表现也迥然不同,但现在有了电弱统一理论以后我们就知道,在超小的尺度与极高的能量下,这两者可以理解为同种基本作用,即电弱相互作用的不同表现形式。


尺度问题也推动物理学家试着将自然界的另一种基本相互作用,强相互作用,统一到一个适用范围更广的理论体系中。强相互作用在构成质子与中子的夸克身上发挥作用,直到1973年,物理学家才理解了这种作用力。1973年,3位理论物理学家——戴维·格罗斯(David Gross)、弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)和戴维·波利策(David Politzer)——有了前所未有的重大发现,他们提出了一种可以描述这种相互作用的候选理论,即量子色动力学(类似于量子电动力学),并证明强相互作用具有“渐进自由”的性质。


在夸克彼此无限靠近的过程中,渐进自由会使得其间的强相互作用有所减弱。这不仅能解释著名的实验现象“尺度效应”——在高能量与短距离下,质子中的夸克就会表现得像无相互作用的独立粒子——它也可能用于解释自然界中为何没有自由夸克。如果在微小距离时强相互作用减弱,很可能在极大距离时相互作用特别强以至于没有自由夸克能逃脱。


科学家发现距离很小时强相互作用会变弱,而与弱相互作用统一的电磁力在距离很小时会变强。据此,20世纪70年代理论物理学家提出,在足够小的尺度下,大概小于质子尺寸的15个数量级,所有的3种相互作用(强、弱和电磁)会统一为一个单独的作用力,即著名的大统一理论(Grand Unified Theory)。过去40年来,我们一直在寻找这方面的直接证据——事实上,大型强子对撞机(LHC)正在寻找一组新的基本粒子,这些粒子对于证明三种相互作用在适当的尺度上可以统一在一起非常重要。科学家虽然已经发现了一些间接证据,但还没观察到直接的确凿证据。


如果我们已经努力在统一四种已知相互作用中的三种,科学家们自然会想进一步地努力将第四种相互作用,即万有引力也加入进来。为了做到这一点,科学家们提出了这样的假说:万有引力自身只是一种等效理论,在足够小的尺度下它会与其它相互作用相统一,但只有在一个前提条件下才成立,即自然界中还有许多我们未观察到的空间维度。这一理论也被称为超弦理论,让20世纪80年代和90年代的理论物理学家们极其兴奋,但至今也没有任何证据能证明它真的可以描述我们所在的宇宙。


如果超弦理论的确能描述我们所在的宇宙,那么它将拥有独特而全新的特征。超弦理论可能最终并不会产生任何无穷大的项,因此,它可能适用于所有的距离尺度,无论多小。基于这一原因,它也被称为“万有理论”——虽然,事实上,就可预见的实验测量结果而言,该理论的奇妙特性只有在极小的尺度上才能展现,因此实际在物理上并不会产生多大的影响。


随着时间的推移,在逐渐认识到我们对于物理现实的理解是依赖于尺度的过程中,我们被引向了弦理论——而在弦理论中这种尺度限制则消失了。一直以来,理论物理学家探索越来越小尺度的世界上一路高奏凯歌,这会不会让他们产生了一种错误的自信,以为弦理论就是最终的答案?


当我们并不知道上述问题的答案的时候,至少我们应该心存质疑。目前为止,还没有任何一个像弦理论这样有如此宏大的推论,又没有直接的实验或观测结果做支撑的理论能提供一个描述大自然的成功模型。此外,我们越是深入了解弦论,它似乎就越复杂,先前科学家预测它普遍适用可能是太乐观了。




正如费曼曾推测的,自然可能就如同一个洋葱,被一层一层的外壳所包裹,每剥开一层,我们就会发觉已有的美妙的理论被归入到一个全新的更广阔的架构中。所以,永远有新的物理学理论等着我们发现,永远不会出现一个无需修正就适用于所有空间与时间尺度的终极普遍理论。


究竟哪条路才是通往真实的真正道路,仍然有待探索。如果我们已经事先知道了通往新发现的正确路径,那么所谓的“发现”也就不成其为发现了。作为物理学家,我当然希望对自然的探索永不停止,这样物理学家就永远都不会失业了,但我自身也喜欢有无穷无尽的奥秘等着我们去探索的感觉。如果生活没了任何神秘感,那该有多无聊——不管是在哪个尺度上。


劳伦斯·克劳斯(Lawrence M. Krauss)是理论物理学家及宇宙学家,他是“起源计划”(the Origins Project)的负责人,并担任亚利桑那州立大学地球与空间探索学院的客座教授。同时,他也是多本畅销书的作者,其作品包括《无中生有的宇宙》(A Universe from Nothing)及《星际迷航中的物理学》(The Physics of Star Trek)。


原文链接:

http://nautil.us/issue/29/scaling/the-trouble-with-theories-of-everything


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