物理学两大基石的矛盾

随着显微镜、加速器和望远镜日益强大，我们能够看到越来越小和越来越大的世界。在《最小有多小？最大有多大？》一文中，我们从最小的普朗克尺度不断地穿越到可观测宇宙的大小。

当我们从肉眼可见的世界一直进入到亚原子世界时就会发现，这些构成物质的微小粒子有着非常奇怪的行为，它们往往与我们的日常体验相悖。这些粒子的行为和相互作用需要用量子理论来描述。而在另一边，星系和宇宙的演化，以及一些极端的天体（如黑洞），则需要应用爱因斯坦的广义相对论。

在《现代物理学的两大基石》中，我们已经介绍过这两个理论。但是，这两个理论之间的界限在哪里？我们可以模拟宇宙的开端或者黑洞的内部吗？就目前所知，在这样极端的情况下，所有的物理定律都会失效。

宇宙中，已知的四种基本力分别是引力、电磁力、弱核力和强核力。广义相对论是目前描述引力的最好理论，而其他三种基本力则由量子场论描述。物理学家认为，在很高的能量下，这四种力会被统一到一个单一的框架中，这样的一个理论被称为万有理论。

格拉肖（Sheldon Glashow）、萨拉姆（Abdus Salam）和温伯格（ Steven Weinberg）已经成功地在高能下将电磁和弱相互作用统一到一个叫电弱理论的单一框架中。他们也因此获得了1979年的诺贝尔物理学奖。这个理论所预言的传递弱核力的粒子（W和Z玻色子）在1983年被发现。

他们的成功让一些理论物理学家使一些科学家相信，或许在更高的能量下，强核力、弱核力和电磁力都可以被统一起来。这种思想被称为大统一理论。虽然在理论上具有足够的吸引力，但在实验上，理论所预测的质子衰变至今仍未被观测到。

○四种基本力的统一。| 图片来源：新原理研究所

但是，当物理学家想要把引力也囊括进来时，却遇到了困难。如果我们试图以最显而易见的方式来调和引力和其他力，就会得到无穷大。但我们知道，真实的东西不可能有无穷大的值。因此，当无穷大出现时，就意味着理论出现了问题。

对于空间中质量非常大、但非常小的区域（比如黑洞内部），广义相对论就给出无穷大的解。同时，当我们假设量子场论适用于任意小的尺度时，也会得到无穷大的结果。

其中一些问题可能在于支配广义相对论的基本原理与支配量子力学的基本原理不匹配。广义相对论告诉我们，空间和时间不是绝对的：它们本身也是动态的。相反，在量子场论中，空间和时间是定义场的固定背景：变量精确地依赖于它们所处的位置。

此外，我们对量子力学的诠释与我们作为观察者所扮演的角色是密不可分的。但在广义相对论中，观察者对理论没有影响。

最后，广义相对论需要一个被质量弯曲的光滑的空间结构。但量子力学的不确定性原理告诉我们，没有什么是真正光滑的：即使是真空，也必须存在量子涨落。看起来这些理论的基本元素是不相容的。

为了解决所有这些问题，并让广义相对论和量子理论和平共处，物理学家在过去几十年提出了许多的可能性，包括圈量子引力理论、因果集理论、因果动态三角剖分等。但在所有的尝试中，只有弦理论最靠近这个目标。

在过去，我们认为这个世界是由粒子构成的。但弦理论却告诉我们，粒子并不是最基本的：在非常小的距离上，它们像是微小振动的弦。这些弦在量子力学和相对论都能很好的发挥作用。事实上，量子弦很容易产生我们观测到的粒子。

尽管弦理论看起来极其优美，但它要求许多复杂的概念。它依赖于超对称，并需要假设存在额外维度。而最令人尴尬的是，目前还没有任何实验证据表明它是对的。

尽管如此，物理学家已经发现了一个丰富的潜在结构。弦理论具有重要而吸引人的对偶性，出乎意料地将数学和物理的不同领域联系起来。而弦本身只是神秘时空膜的简单例子。目前，大多数的研究都集中在ADS/CFT对应上，但它还没有被完全理解。