萬物理論到底是什么意思

苗千

“萬物理論”（Theory of Everything）早已經超越了粒子物理學的范疇，成為普通人也熟悉的物理學名詞之一。近年來，在各種職業物理學家們所熱衷撰寫的“關于一切”的通俗物理學讀本里，“萬物理論”幾乎已經成了一面招牌。在生物學家或是人類學家撰寫的通俗讀本中，故事一般是從地球上出現最原始的生命形式開始，直至試圖以生物學家或是人類學家的眼光解釋現代社會的一切現象。而在物理學家眼中，一切都是從大約140億年前的宇宙大爆炸開始。混雜著各種理論、假說、推測，還有各種可靠或不大可靠的證據，物理學家們愿意讓人們相信，在人類文明出現了幾千年之后，我們已經大致掌握了關于這個宇宙的大部分知識——換句話說，對于我們觀測到的任何現象，我們幾乎都有可能拿出某一種物理學理論對其進行解釋，而且我們還有可能把這些理論結合在一起，形成某種“萬物理論”，或者叫大統一理論。

物理學家們在這樣面向大眾的通俗讀本中所展示的態度或許過于樂觀了。在物理學界，“萬物理論”這個名詞恰恰會讓人們想起某一段歷史，提醒人們不要過于樂觀，而對于正奮斗在致力于建構現代萬物理論的物理學家們來說，這個詞實際上所代表的是一段歷時幾十年，且仍然在持續失敗的過程。

牛津大學的物理學教授弗蘭克·科洛塞（Frank Close）在2017年3月出版了自己的新書，干脆就以《萬物理論》（Theories of Everything：Ideas in Profile）為名。在這本書里，作者仿佛化身為一位語言學家，為讀者講述“萬物理論”這個名詞含義的演化過程——人們似乎永遠都在追尋萬物理論，卻又一次次在接近成功的地方失敗，以此來不斷拓展自己對于“萬物”的概念。

在科洛塞教授的這本小書中，故事從1894年開始。以測量光速聞名的美國物理學家阿爾伯特·邁克爾森（Albert Michelson）在這一年說道：“（物理學）一切潛在的規律都已經被建立起來，以后物理學的真理需要在小數點六位之后尋找。”在幾年之后，開爾文勛爵在20世紀的第一年對于當時物理學成就的描述更加直接：目前在物理學中已經沒有什么值得發現的了。

或許物理學家們就是偏愛這樣的表述方式。實際上在邁克爾森第一次表示人類已經發現了“萬物理論”的大約200年前，艾薩克·牛頓在發表巨著《自然哲學的數學原理》時，就是以上帝的代言人的身份，用不容置疑的口吻向讀者講述上帝以是何種數學形式創造了世界。以至于英國詩人亞歷山大·波普為此作詩：“自然和他的法則隱藏在黑暗之中。上帝說：‘讓牛頓出現！于是，有了光明。”而200年后，當物理學家們以一種更有信心的方式描述萬物理論，幾乎已經沒有了上帝的位置。

當科洛塞教授在21世紀描述起100多年前的這段歷史，他并不認為是物理學家們的自大才導致對于當時物理學發展形勢的完全誤判。以當時人類的認知范圍來說，確實可以說人類已經掌握了某種程度的萬物理論。開爾文勛爵在發言中提到，隨著電磁理論理念的提出，人們已經意識到了光和熱等現象都是某種形式的運動。在同一個講話中，開爾文勛爵隨后提到了在物理學的藍天之上著名的“兩朵烏云”，卻完全沒有料想到這兩朵烏云是一場暴風雨的前兆——在短短幾年之后，這兩朵烏云就引發了物理學的大革命。

正如赫胥黎所說，人類從歷史中學到的最重要的一課就是從歷史中學不到什么東西。經典物理學被摧毀還不到百年之后，物理學家們又開始向往著建造一個新的萬物理論。從上世紀80年代開始，著名的理論物理學家史蒂芬·霍金就聲稱一個包容一切的萬物理論已經不遠，全然不顧人類對于彌漫在周圍的暗物質至今還一無所知。

霍金無視物理學家們在過去幾個世紀所經歷的失敗，而做出這樣的預測，在很大程度上是出于一個頂尖物理學家的敏銳。當時人類對于暗物質的研究尚未成為顯學，當時人們也還有足夠的信心利用現有的框架把暗物質包容在內，當時宇宙學的觀測手段也還不夠豐富，人類要再過十幾年才會發現宇宙在加速膨脹，一個更讓人迷惑的名詞，“暗能量”，到那時才會出現在大眾的視野之中。除此之外，當時物理學的大框架與現在其實相差無幾，所謂的“標準模型”已經提出了多年，盡管還未被證實，但霍金已經有理由相信標準模型將是構成萬物理論的框架。

標準模型最后一個也是最重要的一個預測——希格斯波色子，直到2012年才被在歐洲的大型強子對撞機通過對撞實驗尋找到，而這個理論的最終完成并不意味著萬物理論的完成，因為緊接著，大型強子對撞機繼續通過實驗幾乎排除了理論物理學家們所熱衷的超對稱理論，弦論等理論成為萬物理論的可能性。

標準模型成為21世紀物理學新的藍天。至今為止人類的一切高能物理學實驗無不完全符合標準模型的預測，同時物理學家們也清楚，在這片藍天之外，所籠罩的是重重黑暗。人們曾經以為對于所謂的萬物理論，艱難之處在于把不同的理論結合起來，而在這個過程之中，人們對于萬物的概念卻不斷地被擴展。

科洛塞教授認為，盡管無法描述一切，但至今為止已經被反復驗證的標準理論或許將成為未來某種萬物理論的“核心理論”。以這個理論為中心，人類有可能去逐漸探索萬物的存在形式。盡管萬物理論看起來還遙不可及，但以目前物理學的最大難題——量子力學與相對論的結合來看，很有可能人們最終會意識到，時間和空間實際上都不是最基礎的形式，所謂的時空可能只是某種更根本的存在的顯現。

或許當物理學家們每一次認為自己處于找到萬物理論的前夕，就意味著又一次物理學大革命的到來，傳統觀念又一次被推翻，物理學的上帝與魔鬼輪流出現。或許這就是物理學進步的方式——正如英國詩人約翰·斯夸爾（John Squire）續寫的波普關于牛頓的詩：“一切并未長久，魔鬼喊道：‘讓愛因斯坦出現！于是一切又恢復了原狀。”