1925年,爱因斯坦和一个名叫埃斯特·萨拉曼的年轻学生一起散步。当他们漫步时,他分享了他的核心指导思想:“我想知道上帝是如何创造这个世界的。我对这个或那个现象不感兴趣,对这个或那个元素的光谱不感兴趣。我想知道他的想法;其余的只是细节。”
“上帝的思想”一词是对现代物理学终极目标的恰当比喻,这个目标是发展对自然规律的完美理解——物理学家们称之为“万物理论”。理想情况下,脚趾可以回答所有问题,不会留下任何答案。为什么天空是蓝色的?覆盖。重力为什么存在?这是覆盖。用一种更科学的方式表述,脚趾可以用一个理论、一个构件和一个力完美地解释所有现象。在我看来,找到一个脚趾可能需要几百年,甚至几千年的时间。为了理解原因,我们来盘点一下。
我们知道有两种理论,当它们结合在一起时,可以很好地描述我们周围的世界,但这两种理论都离我们只有几光年之遥。
第二种理论被称为标准模型,它描述了亚原子世界。正是在这个领域,科学家们在万物理论方面取得了最明显的进展。
如果我们观察我们周围的世界——恒星和星系的世界,贵宾犬和披萨的世界,我们可以问为什么事物具有它们所具有的属性。我们知道一切都是由原子组成的,而这些原子是由质子、中子和电子组成的。
在20世纪60年代,研究人员发现质子和中子是由更小的粒子组成的,这些粒子被称为夸克,而电子属于轻子一类。
找到最小的积木只是设计万物理论的第一步。下一步是理解控制构建块如何交互的力量。科学家们知道四种基本力,其中三种——电磁力、强核力和弱核力——是在亚原子水平上被了解的。电磁学使原子结合在一起,并负责化学。这种强大的力把原子核凝聚在一起,使夸克保持在质子和中子中。弱力导致了某些类型的核衰变。
每一种已知的亚原子力都有一个或多个携带这种力的相关粒子:胶子携带强力,光子控制电磁学,W和Z玻色子控制弱力。还有一个幽灵般的能量场,叫做希格斯场,它渗透到宇宙中,给夸克、轻子和一些携带力的粒子以质量。综合起来,这些构建块和力构成了标准模型。
万物理论将解释所有已知的现象。我们还没有到那个阶段,但是我们已经将量子世界的行为统一到标准模型中(黄色),并且我们理解了重力(粉色)。在未来,我们设想一系列附加的统一(绿色)。然而,问题是,有一些我们不理解的现象(蓝色)需要融入到某个地方。我们也不确定当我们进入高能量(红圈)时是否会发现其他现象。
万物理论将解释所有已知的现象。我们还没有到那个阶段,但是我们已经将量子世界的行为统一到标准模型中(黄色),并且我们理解了重力(粉色)。在未来,我们设想一系列额外的统一(绿色)。然而,问题是,有一些我们不理解的现象(蓝色)需要融入到某个地方。我们也不确定当我们进入高能量(红圈)时是否会发现其他现象。
利用夸克、轻子和已知的携带力的粒子,杏耀主管我们可以建造原子、分子、人、行星,甚至宇宙中所有已知的物质。这无疑是一个巨大的成就,也是对万物理论的一个很好的近似。
但事实并非如此。我们的目标是找到一个单一的组成部分和一个单一的力量来解释宇宙的物质和运动。标准模型有12个粒子(6夸克和6个轻子)和4个力(电磁力、重力、强核力和弱核力)。此外,目前还没有已知的引力量子理论(这意味着我们目前的定义只包括引力,包括比普通尘埃更大的物体),所以引力甚至根本不是标准模型的一部分。因此,物理学家们继续寻找更基本的理论。为了做到这一点,他们需要减少积木和部队的数量。
寻找一个更小的构建块将是困难的,因为这需要一个比人类曾经建造的更强大的粒子加速器。新加速器设施投产的时间跨度为几十年,相对于现有能力,该设施只能提供相对温和的增量改进。因此,科学家们必须转而推测一个更小的积木可能是什么样子的。一个流行的观点被称为超弦理论,它假定最小的组成部分不是粒子,而是一个小的振动的“弦”。就像大提琴弦可以演奏不止一个音符一样,不同的振动模式是不同的夸克和轻子。这样,一种类型的字符串就可以成为最终的构建块。[我们可能生活在多元宇宙的五大原因]
问题是没有经验证据表明超弦确实存在。此外,观察它们所需的预期能量被称为普朗克能量,是我们目前所能产生能量的1 / 4(10的15次方)倍。非常大的普朗克能量与所谓的普朗克长度密切相关,普朗克长度是一种深不可测的微小长度,超过这个长度,量子效应就会变得非常大,几乎不可能测量任何更小的东西。与此同时,小于普朗克长度(或大于普朗克能量),光子或光粒子之间引力的量子效应就变得重要,相对论就不再起作用了。这很可能就是量子引力被理解的尺度。当然,这一切都只是猜测,但它反映了我们目前最好的预测。而且,如果这是真的,在可预见的未来,超级字符串将不得不保持投机性。
部队过多也是一个问题。科学家们希望“统一”这些力量,表明它们只是单一力量的不同表现。(艾萨克·牛顿爵士就是这样做的,他展示了使物体落在地球上的力和支配天空运动的力是一回事;詹姆斯·克拉克·麦克斯韦证明了电和磁力实际上是一种叫做电磁力的统一力的不同行为。
在20世纪60年代,科学家们能够证明弱核力和电磁力实际上是一个被称为电弱力的合力的两个不同方面。现在,研究人员希望电弱力和强力可以统一成所谓的大统一力。然后,他们希望大统一力能与万有引力统一起来,形成万物理论。
然而,物理学家怀疑这种最终的统一也会发生在普朗克能量上,再次因为这是量子效应在相对论中不能再被忽视的能量和大小。正如我们所看到的,这比我们希望在粒子加速器内实现的能量要高得多。为了让我们了解当前理论和万物理论之间的鸿沟,如果我们用细胞膜的宽度来表示粒子的能量,那么普朗克能量就是地球的大小。虽然完全了解细胞膜的人可以预测细胞内的其他结构,如DNA和线粒体,这是可以想象的,但他们无法准确预测地球。他们预测火山、海洋或地球磁场的可能性有多大?
一个简单的事实是,由于目前粒子加速器中可获得的能量与普朗克能量之间存在如此大的差距,正确地设计出一种适用于一切事物的理论似乎是不可能的。
这并不意味着所有的物理学家都应该退休,从事风景画——仍然有很多有意义的工作要做。我们仍然需要了解一些无法解释的现象,比如暗物质和暗能量,它们构成了已知宇宙的95%,并利用这些知识来创建一个更新、更全面的物理学理论。这个较新的理论不会是一个脚趾头,但将逐步优于目前的理论框架。我们将不得不一遍又一遍地重复这一进程。
失望吗?我也是,毕竟,我一生都在努力揭开宇宙的一些秘密,但也许从某种角度来说是合适的。第一次力的统一是在16世纪70年代用牛顿的万有引力理论完成的。第二个是在19世纪70年代麦克斯韦的电磁学理论。电弱统一是相对较近的,
杏耀娱乐生财 ,仅仅半个世纪以前。
考虑到我们在这条道路上迈出的第一个重大成功步骤已经过去350年,我们前面的道路仍然更长也许就不那么令人惊讶了。认为天才的洞察力会在未来几年里形成一个全面发展的万物理论,这是一个神话。我们将面临一场漫长的跋涉,杏耀平台总代理即使是今天科学家的孙辈也不会看到它的尽头。