萬物理論到底是什么意思

苗千

“萬物理論”（Theory of Everything）早已經(jīng)超越了粒子物理學(xué)的范疇，成為普通人也熟悉的物理學(xué)名詞之一。近年來，在各種職業(yè)物理學(xué)家們所熱衷撰寫的“關(guān)于一切”的通俗物理學(xué)讀本里，“萬物理論”幾乎已經(jīng)成了一面招牌。在生物學(xué)家或是人類學(xué)家撰寫的通俗讀本中，故事一般是從地球上出現(xiàn)最原始的生命形式開始，直至試圖以生物學(xué)家或是人類學(xué)家的眼光解釋現(xiàn)代社會的一切現(xiàn)象。而在物理學(xué)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(jù)，物理學(xué)家們愿意讓人們相信，在人類文明出現(xiàn)了幾千年之后，我們已經(jīng)大致掌握了關(guān)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(xiàn)象，我們幾乎都有可能拿出某一種物理學(xué)理論對其進(jìn)行解釋，而且我們還有可能把這些理論結(jié)合在一起，形成某種“萬物理論”，或者叫大統(tǒng)一理論。

物理學(xué)家們在這樣面向大眾的通俗讀本中所展示的態(tài)度或許過于樂觀了。在物理學(xué)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(gòu)現(xiàn)代萬物理論的物理學(xué)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(xù)失敗的過程。

牛津大學(xué)的物理學(xué)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(xué)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(yuǎn)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(xué)家阿爾伯特·邁克爾森（Albert Michelson）在這一年說道：“（物理學(xué)）一切潛在的規(guī)律都已經(jīng)被建立起來，以后物理學(xué)的真理需要在小數(shù)點六位之后尋找。”在幾年之后，開爾文勛爵在20世紀(jì)的第一年對于當(dāng)時物理學(xué)成就的描述更加直接：目前在物理學(xué)中已經(jīng)沒有什么值得發(fā)現(xiàn)的了。

或許物理學(xué)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(jīng)發(fā)現(xiàn)了“萬物理論”的大約200年前，艾薩克·牛頓在發(fā)表巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)形式創(chuàng)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(xiàn)！于是，有了光明。”而200年后，當(dāng)物理學(xué)家們以一種更有信心的方式描述萬物理論，幾乎已經(jīng)沒有了上帝的位置。

當(dāng)科洛塞教授在21世紀(jì)描述起100多年前的這段歷史，他并不認(rèn)為是物理學(xué)家們的自大才導(dǎo)致對于當(dāng)時物理學(xué)發(fā)展形勢的完全誤判。以當(dāng)時人類的認(rèn)知范圍來說，確實可以說人類已經(jīng)掌握了某種程度的萬物理論。開爾文勛爵在發(fā)言中提到，隨著電磁理論理念的提出，人們已經(jīng)意識到了光和熱等現(xiàn)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(xué)的藍(lán)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(fēng)雨的前兆——在短短幾年之后，這兩朵烏云就引發(fā)了物理學(xué)的大革命。

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

霍金無視物理學(xué)家們在過去幾個世紀(jì)所經(jīng)歷的失敗，而做出這樣的預(yù)測，在很大程度上是出于一個頂尖物理學(xué)家的敏銳。當(dāng)時人類對于暗物質(zhì)的研究尚未成為顯學(xué)，當(dāng)時人們也還有足夠的信心利用現(xiàn)有的框架把暗物質(zhì)包容在內(nèi)，當(dāng)時宇宙學(xué)的觀測手段也還不夠豐富，人類要再過十幾年才會發(fā)現(xiàn)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(xiàn)在大眾的視野之中。除此之外，當(dāng)時物理學(xué)的大框架與現(xiàn)在其實相差無幾，所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”已經(jīng)提出了多年，盡管還未被證實，但霍金已經(jīng)有理由相信標(biāo)準(zhǔn)模型將是構(gòu)成萬物理論的框架。

標(biāo)準(zhǔn)模型最后一個也是最重要的一個預(yù)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(xù)通過實驗幾乎排除了理論物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型成為21世紀(jì)物理學(xué)新的藍(lán)天。至今為止人類的一切高能物理學(xué)實驗無不完全符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，同時物理學(xué)家們也清楚，在這片藍(lán)天之外，所籠罩的是重重黑暗。人們曾經(jīng)以為對于所謂的萬物理論，艱難之處在于把不同的理論結(jié)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(rèn)為，盡管無法描述一切，但至今為止已經(jīng)被反復(fù)驗證的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)的最大難題——量子力學(xué)與相對論的結(jié)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(chǔ)的形式，所謂的時空可能只是某種更根本的存在的顯現(xiàn)。

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