一个划时代的理论——万物终极理论

爱因斯坦最后的问题

    1955 年 4 月 17 日是星期日，爱因斯坦从普林斯顿医院的病榻上坐起来，开始了他一生的最后一次计算。他以自己特有的干净利落的笔记，写下了一行又一行的符号。他整理了一些数字，然后把工作放在一边休息了。几个小时以后， 20 世纪最伟大的科学家去世了。他的床边放着他最后的，也是失败的一项努力，即创造自己的“统一场理论”――对于宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。

    当时爱因斯坦寻求这样一项理论已经有 30 多年，但却没有获得成功。在他去世以后将近半个世纪的今天，他的梦想可能即将成为现实。世界上的一些最杰出的理论物理学家认为，他们瞥见了一项宏大的理论，其涵盖范围甚至远远超出爱因斯坦的想象。在其终极形式中，它将不仅解释宇宙中发挥作用的所有力量和它们施以作用的各种粒子，甚至还可解释空间和时间的性质本身。因此无怪乎它被称为“万物终极理论”。

寻根溯源

    该理论宏大的称号和更加宏大的目标，掩盖了其在 1831 年夏季在一个维多利亚女王时代的实验室中的起源。当时在伦敦的皇家学会，伟大的英国物理学家迈克尔 . 法拉第正在研究电和磁之间的关系。他当时已经知道，电流通过导线产生磁场。他想要知道的是，相反的情况是否也是如此――磁力能够产生电吗？

    在一些起步时的失败以后，他获得了成功，制造了有史以来的第一个发电机。在此过程中，法拉第发现了某种具有深远意义的事情――尽管表面现象不同，但是电和磁仅仅是同一个基本现象的不同的方面。这为后来寻求万物终极理论的人们暗示了一种指导原则：以某种方式看来，宇宙具有一种基本的统一性。

    虽然法拉第的试验技能使他得以瞥见这一统一性，但是他缺乏揭示其全部辉煌成果所需的十分重要的智力工具：数学。 1861 年，苏格兰理论家詹姆斯 . 麦克斯韦成为地把法拉第的发现转换成数学语言。其成果就是现在著名的麦克斯韦电磁方程组。这些方程阐明了电与磁实质上的统一性。

    虽然这是一项杰出的成就，但是它回避了一个明显的问题――宇宙的这种统一性是否包括各种力当中人们所最熟悉的引力呢？这正是爱因斯坦在 1915 年发表自己完全新颖的引力设想――称为“广义相对论”――以后不久开始了应对的挑战。

    与任何物理学家前辈相比，爱因斯坦都更加具备有把重力和电磁统一起来所需的信念与智慧。但是他很快就发现，这一难题比他想象的要难得多。第一个重大障碍是找到一条把广义相对论、他自己的引力理论和麦克斯韦的方式结合成为一个统一的模式的途径。根据广义相对论，引力是我们周围的空间与时间的物质结构本身扭曲的结果。与此形成对照，麦克斯韦的方程则把电磁力看作一种穿越四维领域流动的“力场”。

    1919 年，爱因斯坦认识到可以统一这两项截然不同理论的一条重大线索。当时德国数学家卡卢扎证明了有一系列方程能够把这两项理论综合起来，但是只有在宇宙包含一个额外的第五维情况下才能做到。

    这种观点的确令人震惊，但是它是否并不仅仅是一种好奇的想法呢？这额外的一维在哪里？ 1926 年，瑞典数学家克莱恩提出了一项答案。他认为，它也许卷曲成太小的形式，以致无法察觉，就像一根头发过于窄小，以致看起来似乎只有一维。

    虽然爱因斯坦的直觉使他确信它很重要，但是他无法把卢卡扎和克莱恩的发现转变成自己所寻求的引力和电磁力的统一理论――始终存在尚未解决的零星问题或者滑稽的结果，他还尝试了另外一些方法，但是效果同样欠佳。到 1955 年他去世时，大多数物理学家都确信，他仅仅是把自己的时间浪费在了具有独创性、但却空洞无物的数学上面。

    这一评价似乎得到了一项事实的证实，这就是，在爱因斯坦忙于解决自己的统一场理论的同时，人们发现了两种更基本的力――把原子核相互连接起来的所谓的核强力，以及造成放射性的核弱力。更加糟糕的是，这两种力可以用“信使”粒子传导的理论来完美解释――而这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。

    然而令人难以置信的是，爱因斯坦对卢卡扎和克莱恩想法的看重最终被证明是正确的――尽管其证明方式就连爱因斯坦自己理解起来也会很吃力。

力的统一

    由于爱因斯坦已赴黄泉，他统一引力与电磁的努力也被扔进了垃圾堆，所以很少有物理学家热衷于继续这场奋斗。人们的注意力转向统一电磁力和新近发现的核弱力。正如麦克斯韦已经说明的那样，诀窍在于找到对这两者的一项数学描述，从而揭示它们暗藏的相似之处。 20 世纪 20 年代，物理学家们认为自己已经发现了做到这一点的方法，即运用所谓的量子场理论。

    根据这一理论，每种基本作用力都有自己特殊的信使粒子。 50 年代物理学家们开始探索电磁力的携带者（光子）和核弱力的携带者（ W 粒子）之间的相似之处。查明这些相似之处不是简单的事情――主要由于 W 粒子与无质量的光子相比，不知要重多少倍。但是到 60 年代末，三位理论家――美国的温伯格和格拉肖以及英国的萨拉姆――已经独立地制订了理论，表明这两种力实际上仅仅是单独一种电弱力的不同的方面。更加美妙的是，这种统一使得人们语言到一些新的现象，并且有可能通过试验来检验。 70 年代当这些语言开始得到证实的时候，物理学家们欢欣鼓舞——物理学自一个世纪多以前麦克斯韦取得突破以后又一次成功实现统一。

    到此时，哈佛大学的格拉肖已经开始寻找揭示力的基本统一性的其他途径。 1973 年，他发现了把电磁力、核弱力和核强力统一起来的一个数学公式。它称为“大一统场理论”（ CUT ），开辟了有关自然界的基本作用力的广阔视野，认为所有这三种力都曾经是一种在大爆炸刚刚结束的时候统治着宇宙的单一的“超力”的一部分。随着宇宙冷却下来，它们分裂开来，从而创造了我们今天所看到的宇宙。

    这一理论再一次做出了预言，但是这回对这些预言加以证实是比较困难的。理论家们于 70 年代初发现的“超对称”是一项把构成物质的粒子——譬如电子和质子——与携带着力的粒子——譬如光子——统一起来的数学特性。

最后的局外者：引力

    理论家们发现，超对称剔除了这些亚原子粒子之间表面上的所有差别，以揭示其基础的统一性。但是他们还发现，它为他们提供了有关万物终极理论的另外一项更加具有深远意义的线索——这一线索暗示怎样才能把大一统场理论的超力与唯一剩下来的局外者引力相统一。

    一些理论家当时已经尝试了利用量子场理论让引力参加进来。但是像爱因斯坦一样，他们也都遇到了严重的数学问题。尽管如此，这些大胆的尝试当中最有希望的全部包括超对称，以及额外的维——恰恰是这一想法在半个世纪以前使爱因斯坦着迷。他们所缺乏的是某种将会把引力与其它的力相统一，而又不会释放出数学“妖魔”的重要成分。这种成分是一种十分大胆的、就连爱因斯坦也不敢想象的东西——超弦。

    1984 年，加利福尼亚理工学院的约翰 . 施瓦茨和伦敦大学的迈克儿 . 格林等理论家的成果使同行震惊，他们宣布能够把引力与其他的力统一起来，而又不会遇到通常的问题。唯一的条件是，粒子不再被看作仅仅是点，而是称为超弦的极小的物体。这些像线一样的物体要比原子核小得多，它们还必须拥有超对称性（因而成为“超弦”），并且存在于 10 维之中。

    这是一项惊人的断言，促使大批理论家纷纷对超弦进行进一步的研究。然而到 80 年代末为止，很显然，尽管超弦是一项重大进展，但是它也没有反映全部的情况。虽然只能有一种万物终极理论，但是理论家们提出的超弦理论却足足有 5 种，而且没有任何明确的方法能够在它们之间做出选择。超弦似乎仅仅是某种更加宏大的东西的一个影子。

M理论

    1995 年，普林斯顿大学高级研究所的超弦理论家爱德华 . 威滕提出了关于万物终极理论的第一项观点，或许这就是万物终极理论。

    威滕指出，所有 5 种超弦理论仅仅是对一项单一的、凌驾于一切之上的理念的粗略的描述。他称之为 M 理论。一些理论家争论说，“ M ”代表“母亲”、“神秘的”，甚至“魔术”，但是如果它代表“膜”，则它与超弦之间的联系就最为明确。这样一来，这 5 种超弦理论就仅仅成为 11 维的膜的多维的“边缘”而已。这 11 维当中除了 4 维以外全都卷曲得很小，以致我们无法看到。

    今天， M理论仍然最有可能成为爱因斯坦所追求的目标，此外，它所提供的一项统一的描述不仅包括电磁力和引力，而且还包括其他基本作用力，以及这些力施以作用的所有粒子。

    这实在是一项惊人的成就，而且尚未完结。世界上的许多最出色的理论家都正在探索 M 理论丰富的数学空白，寻求尚存的许多谜的谜底。究竟 M 理论 11 维当中除了 4 维之外的所有维是如何卷曲到小得看不见？为什么会是如此？它们是可以通过试验察觉的吗？力和粒子之间优美的统一性为什么如此难以发现？

    甚至 M 理论最终也可能会被证明缺乏回答所有这些问题所必需的威力。但是最起码，它使我们获得了对宇宙以及其中万物的基本统一性的叹为观止的一瞥。

摘自：英国〈焦点月刊〉 2003 年 11 月号
参考消息 2003 年 12 月 24 日