回顧宇宙極簡史之後。

現在要問的是，物理學最前沿的研究領地在哪裡？

今天，尋找最古老的問題的答案就是物理學最前沿的研究方向

我們從創世時間表的第一個事件談起：十維宇宙分裂。

維度和多維宇宙

依此類推……

如果，有人告訴你，多維空間（四維以上）的人，看著我們的保險櫃或房子時根本就是內外一目瞭然，就像我們看二維平面上的圓圈一樣？因為我們擁有第三維的“上帝視角”。

阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界，我們如何證明我們所能感知的所謂“真實”，豈不是也受限於我們自己的認知條件？

人類的大腦和眼睛，只是為了應付三維空間和四維時空的各種情況演化出來的，因此它們不具備辨識和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認為：宇宙真正的時空，其實是一個十維的空間，其中四維是愛因斯坦的時空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個和它’垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說法，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動這些弦造成不同的音高與音色，於是產生不同的基本粒子，進而發展出所有的物質與作用力。

最新的“M理論”，由當代物理巨匠威藤提出，結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論，藉由單一個理論來解釋所有物質與能源的本質與互動關係。

“超弦理論”和“M理論”都野心勃勃想統一廣義相對論與量子力學，完成愛因斯坦的夙願，構建終極“大統一理論”，這就是理論物理學最前沿的研究方向。

三、如何構建“大統一理論”？

構建“大統一理論”著手點是統一四種自然力，必須從最基礎的粒子作用開始研究，由於微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，萬有引力、電磁力、強相互作用力（強核力）、弱相互作用力（弱核力）。理論上宇宙間所有現象，包括十維空間都可以用這四種作用力來解釋。

只有四種自然力

兩千年來，科學家已經發現我們宇宙的所有現象，都可以簡化成四個作用力：

電磁力（electromagneticforce)：包括電力、磁力和光本身，合稱為電磁力。電荷（磁級）正負相同為排斥力，相反為吸引力。由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中第2強。

強核力(strong nuclearforce)：是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞（束縛質子和中子於原子核中的是其附加效果由π介子傳遞）。在有效距離內，距離越大，力約大。短程力，在四種力中最強，也是恆星燃燒能量的自然力，氫彈的爆炸正是運用強核力的原理。

弱核力(weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物質的衰變形態，是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，較弱，短程力，作用在夸克級的粒子。是四種力中第3強的。

重力(gravitational force，或稱引力）：由引力子傳遞，與質量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中最弱。

為何要統一自然力？

一旦人類將所有的作用力整合成一個作用力，這時會有什麼突破？

人類能夠改變時空的結構，瞭解宇宙萬物的來龍去脈，讓物質變得井然有序。任意地組合與改變粒子，製造出前所未有的物質形態。我們甚至能左右空間的維度數，成為宇宙的主宰。

回看一下人類掌握“力”的歷史：

人類誕生的歷史超過數千萬年，在99.99%時間裡，人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量，大概只有八分之一馬力；

十萬年前，隨著手持工具的發明，人類的能量輸出倍增，達到一又四分之一馬力；

牛頓發現萬有引力和運動定律，讓力學被簡化成條理分明的方程組。現代機械原理催生出蒸汽機，人類掌握的能量達到數十到數百馬力；

麥克斯韋爾方程式，啟迪了愛迪生等發明家，人類進入電力時代，能量級數獲得飛躍，極大地改變了人們的生活。

愛因斯坦的相對論為人類打開了核能利用的時代，人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

四、那些“統一自然力”的天才們

黎曼

硬剛“歐幾里德”和“牛頓”的巨人

1854年6月10日，數學天才黎曼在德國哥廷根大學發表了《關於幾何基礎的假設》，撼動了兩千年來從未被動搖過的歐幾里德幾何學。

黎曼認為歐幾里德數學根基只是常識與直覺的流沙，而不是紮實的邏輯推演結果。

比如，歐式幾何說三角形三個內角之和等於180度，這個看似簡單的問題，在數學史上卻從來沒有被嚴密證明過！而且，假如身處彎曲表面的世界，這個公式就不成立了。

黎曼作出了牛頓兩百年來首次劃時代重大突破，徹底推翻了牛頓的超距作用原則，他認為：作用力源自於幾何學，作用力只是由於幾何結構扭曲所造成的必然現象。（在牛頓早已成神的年代，說出這樣的結論需要何種氣魄。）

總結一下黎曼的偉大之處：

他以多維空間理論簡化了所有自然作用力；認為電力與磁力和重力一樣，只是高維空間彎曲產生的結果。

他提出了蟲洞（warmholes）的概念，黎曼切口是多重連結空間的一個最簡單範例。

他以“場”來描述重力，以“度量張量”（Riemann metric tensor）描述空間裡每一個點的重力場。

黎曼英年早逝，並未找出電力與磁力的場方程式，也沒有計算出空間要褶皺到什麼程度才足以描述不同的作用力，這幾項重要發展留給了麥克斯韋爾和愛因斯坦。

麥克斯韋

電和磁的合併者

麥克斯韋，一個被忽視了堪與牛頓齊名的大科學家。

1873年麥克斯韋出版了電磁學專著《電磁學通論》。系統總結了19世紀中葉前後，庫侖、安培、奧斯特、法拉第的研究成果，建立了完整的電磁理論。

將電力和磁力統一了起來，這讓後來的愛因斯坦都感受到了壓力。

費曼說到：“從人類歷史的一種長久觀點看---例如從至今以後一萬年間的觀點來看，19世紀中最重要的事件將被判定為麥克斯韋發現的電動力學定律，同時期的美國內戰將褪色而成為只有地區性的意義了。”

有了電磁學，才有了現代光學、電工學、電子學，就不可能有電氣化和通訊技術。

麥克斯韋一輩子太低調，我們幫他總結一下“光輝成就”：

建立了統一的經典電磁場理論；

建立光的電磁理論，預言電磁波的存在；

為愛因斯坦的狹義相對論鋪路。

愛因斯坦

御光者

1、狹義相對論，光速恆定 E＝mc²

愛因斯坦小時候就喜歡自問自答：“如果你追上一束光線，它看起來是什麼樣子？你會不會看到一束靜止的光波，凍結在時間中？”這個問題，讓他在後50年裡，帶領人類走進了時空神秘之旅。

16歲時，愛因斯坦發現世界上似乎並沒有能夠追上光速的東西。26歲時，他用嚴密的數學證明了這一發現。在瑞士專利局擔任低階職員的他，用麥克斯韋爾的場方程式推匯出狹義相對論（special relativity）。

用一句話概括狹義相對論，那就是：光速在任何恆動架構裡恆為常數。這個定理表面上看並不顯眼，但確是人類心靈的最偉大成就之一！

愛因斯坦進一步匯出了下一個重大的結論：質量是從能量來的。

這個結論，一舉推翻了十九世紀的兩大物理發現：質量守恆和能量守恆。自此以後，質量與能量被視為單一單位：質-能（matter-energy）。

26歲的愛因斯坦同時給出了質能變動的方程式，那就是著名的 E＝mc²。

讓我們再來追尋一下狹義相對論的推導過程：

這關乎了他的下一個巨大成就：廣義相對論

2、廣義相對論，空間是彎曲的力學＝幾何學

愛因斯坦由一個簡單問題開始：“如果一個人處於自由落體狀態，他就不會感覺到自己的體重？”愛因斯坦透過這個簡單問題掌握了重力基本特性：在加速度架構下的自然律和重力場的定律是一樣的。這就是所謂等效原理（equivalence principle）。

透過等效原理，愛因斯坦重新思考關於光速的問題：光速會受重力影響，重力場會扭曲光線的行進路線。

但是，根據費瑪最短時間原理，光線會採取兩點之間最短時間路徑，愛因斯坦再次得出一個令人震懾的結論：如果我們可以觀測到光線以曲線前進，那就意味著空間本身是彎曲的！（光以曲線前進這一預測，已經被後人的無數次實驗反覆證明。）

愛因斯坦進一步得出結論：質能的存在造成周圍時空的彎曲。

數學家黎曼早在1854年就提出了作用力與空間彎曲的關係，並提出了重力場論。愛因斯坦利用黎曼的研究成果，用數學形式表達了他自己的物理學新發現，這就是廣義相對論（general relativity）。

讓我們再來追尋一下廣義相對論的推導過程：

愛因斯坦的偉大，止步於他的第三次嘗試！

在狹義和廣義相對論之後，他終其一生研究統一場論，尋找萬物之理。簡單說，就是試圖尋找一個公式，能夠同時描述光與引力。可惜，他最終沒有成功。

愛因斯坦的“大統一理論”雖然恢宏，但並未收到廣泛關注和普遍認同，領一時風氣之先的是另一套全新的理論：量子力學（quantum mechanics）

量子力學的先驅們

整合了三種自然力

1925年，以玻爾、玻恩、薛定諤和海森堡為代表的一組科學家，已經對原子運動給出了幾近完整的數學描述，我們稱之為量子力學。

這是一套與黎曼、愛因斯坦學說迥異的解釋自然力的理論，它的主要理論觀點包括：

這裡包括著名的海森堡測不準定理，這個聽起來不怎麼靠譜的定理，卻是半個世紀以來最經得起任何實驗挑戰的一個定理，至今，還沒有任何一個實驗結果違背了這一條定理。

聽起來各種不靠譜？但是！這個理論不僅反覆被實驗證明，人們甚至根據該理論製造出了現代資訊時代的基礎性科技產品二極體。

量子力學以光子（也就是光的量子）為例，認為弱作用力和強作用力是源於能量量子的交換，並稱之為“楊-米場”，這是楊振寧和他的學生米爾斯於1954年發現的理論。

到1970年代，楊－米場已經可以解開所有核子物質的秘密，可以解釋有關於次原子粒子的任何實驗資料。在解釋電子與光的互動作用時，其精確度達到千萬分之一，號稱是有史以來最精確的理論！科學界對這個理論如此有信心，以至於稱之為“標準模型”。（這也是楊振寧為什麼一句話引發激烈討論的原因，這畢竟是在世少有的大神。）

量子力學經過50年的發展，成功整合了四種自然作用力的三種：強作用力＋弱作用力＋電磁力。但是，包括楊振寧本人在內的許多科學家都認為，標準模型一定不是最終的大一統理論，主要原因是該模型並不包括“萬有引力”！

在這裡我們喘一口氣，從實驗物理的角度來看，物理學基本到此終止了。

在此之前，天才們所做的努力，我們可以用實驗去進行驗證，即使玄妙如量子力學，也是可以被驗證的。

在此之後，天才們所做的任何努力，我們沒有辦法去驗證對錯，如果不能驗證對錯，我們就不知道誰是真正的天才，不知道誰是真正的天才，天才就無用武之地，這真是一件很窩心的事情。

以下內容，人類已經沒有辦法來驗證自己是對是錯，你可以說物理學死了，也可以說完全淪入“空想科學主義”的泥潭。但我們相信天才就在我們身邊，但我們不知道他是誰？

五、尋找終極理論，

馴服最後的力——萬有引力

儘管步履蹣跚，但量子力學最終仍然整合了四種自然作用力的三種：強作用力＋弱作用力＋電磁力，而歷史上最久遠的“萬有引力”卻沒有辦法馴服，這是物理學上的終極難題，也是“大一統理論”的最大障礙。

1

超重力論，十一維空間統合四種作用力

統合量子理論和引力，以創造出一個“大一統理論”，這個問題挫折了20世紀最聰明的心智，包括愛因斯坦、海森堡等等一眾科學界的巨擎。

1976年，紐約州立大學石溪分校的三位物理學家寫下了超重力理論。這個理論對黎曼的“度量張量”模型進行研究，幾乎實現了愛因斯坦統合已知作用力的夢想。

他們發現，在一個十一維的度量張量模型裡，包含了自然界裡幾乎所有的粒子與作用力：愛因斯坦的重力理論、楊－米場與麥克斯韋爾場、還有夸克與輕子。如圖所示：

（圖中的括弧，代表一個十一維的黎曼度量張量場。如果把它簡化成四維，就是愛因斯坦的重力場；提高它的維度數，我們就可以推匯出麥克斯韋爾方程組和標準化模型；最終，在十一維度，統合了代表四種作用力的所有方程組。）

超重力理論雖然在模型上統合了四種作用力，但它的缺陷在於在很多關鍵節點上沒有具體量化的數學模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。新的，也是最強大有力的物理學計劃已經登場，它就是：超弦理論（Superstring Theory）

2

超弦，統合四種自然力

1968年，超弦理論被意外發現。當時，兩位年輕的理論物理學家在歐洲核子研究中心（CERN）意外發現19世紀數學家尤拉完成的尤拉貝塔函式，竟然符合幾乎所有描述基本粒子強互動作用所需的全部特質。

弦論可以用來描述引力和所有基本粒子，如電子、光子、中微子和夸克等等,看起來像粒子，實際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式，正如小提琴上的弦。

所有的基本粒子, 如電子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發態。

每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位，即普朗克長度（10E -33釐米）。

按照超弦理論，粒子並非是宇宙的基本元素，物理定律就相當於琴絃的合音定律。弦論博大精深，可以解釋所有的自然基本定律。

簡言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海，那麼基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產生, 也不斷在湮滅。我們現實的物質世界, 其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂！弦，是能夠儲存大量資料的最精簡的方式之一。

超弦理論，以及在其基礎上發展起來的弦場理論，統合了所有的自然律和作用力，菲爾茲獎章（諾貝爾獎沒有設立數學獎，菲爾茲是數學界的最高獎項）獲得者威藤說：“所有物理學上的偉大思想，都是超弦理論的副產品。”

3

神秘天才“拉馬努金”，確立十維宇宙

超弦理論似乎包含了所有的物理學知識，極其廣博精深。許多科學家認為這是21世紀的物理學，意外落入20世紀，但人類還沒有發明21世紀的數學來精確描述它。

解開這個秘密的，是堪比當年黎曼的另一位數學天才拉馬努金。他發現了一個重大秘密：我們只能在二十六維與十維中定義弦論，否則就無法用弦論整合已知的物理定律。

生於1887年的印度，少時坎坷，甚至沒有透過升高三的考試。26那年，他給著名數學家哈代寫了一封信，信中包含了120個定理。這位貧窮孤立的印度哥們，完全不知道歐洲數學界的任何研究資訊，純粹憑個人才智、按照自己的方法，重新推匯出歐洲百年數學史的所有重要定律。

拉馬努金的研究成果包含了三冊四百多頁的筆記，其中包含了四千多個公式。後人在此基礎上總結出了拉馬努金模函式（Ramanujan funcation），這是一個奇特的包含了高達二十四次乘冪的數學式。這些數學式證明：弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說，產生我們現存宇宙的那個高維度宇宙，它的維度數一定是十！

好吧，我們暫且認為，拉馬努金這位天才給了超弦論數學解釋。

4

M理論，物理學上最後的理論

1994年開始了弦論的第二次革命。

創立者威滕等人認為，從11維的M理論可以找到手徵性的起源。他們將M理論中的一個空間維數收縮成一條線段，得到兩個用該線段聯絡起來的10維時空。

廣義相對論沒有對時空維數規定上限，在任何維黎曼流形上都能建立引力理論。超引力理論卻對時空維數規定了一個上限——11維。更吸引人的是，已經證明，11維不僅是超引力容許的最大維數，也是納入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小維數。

由於弦革命的巨大影響力，其主要研究者愛德華·威滕(Edward Witten)被美國《生活》週刊評為二戰後排名第六的“最有影響的人物”。

每個時代都不缺乏天才，對這個世界作凝視沉思，就像尋求生命的自我解放一樣，吸引著每一個具有哲學氣息的物理學家。

寫到這兒，這一段物理詩史基本可以告一段落。

從黎曼、麥克斯韋、愛因斯坦的引力場，到量子力學，到超重力論，到超弦理論，到M理論，人類歷史上這些偉大的智慧頭腦，前赴後繼探尋宇宙的真理，展示物理氣象。

時至量子力學，物理學達到了高潮。

六、物理學難以逾越的“大沙漠”

物理學發展到了今天，如果人類要進一步向前，不得不依賴於大型的粒子對撞機的實驗結果。

雖然楊振寧先生稱大型對撞機“盛宴已過”，並且告誡學生“你不要走這個方向”，但當代30%的諾貝爾物理學獎得主都在高能物理這個圈子，這又是一個必須面對的事實。

從物理學本身來看，基本粒子又是一個如此迷人的領域，直抵宇宙真理之地，對於那些擁有物理夢想的年青一代來講，誰不想追隨愛因斯坦的腳步，捧起那大一統的“科學聖盃”?

所以矛盾的集中點仍然在於大型加速器，對於粒子物理來說，加速器只有越造越大才能支撐基礎物理的進步，但是動輒百億美元的造價任何富豪都得掂一下自身斤兩。

大型強子對撞機最近的立功時間最近在2013年，驗證了標準模型中最後一個粒子希格斯玻色子，我們很難知道，下一代80-100km級的加速器會帶來什麼新的發現？

越到後面將會越難，上帝似乎想封鎖亞原子領域的一切。

海森堡在“不確定性原理”指出，一個粒子的位置和動量不能同時被確定。所以，要看到越小的東西，就需要“光源”發出的粒子波長越短。由於光速等於波長和頻率的乘積，而能量等於普朗克常量與頻率的乘積，因此，粒子波長更短意味著能量更大。

也就是說，要看清小小的基本粒子，需要用攜帶巨大能量的探測粒子才行。於是我們需要把探測粒子加速到很高的能量，能完成這種工作的裝置就是粒子加速器。

大一統理論能量量級目前預測為10^24eV，而大型強子對撞機對撞產生10^13eV，這之間的11個數量級被物理學家稱為“大沙漠”。

如果用常規直線加速器，要達到10^24eV則需要7光年長。用尾波加速器則需要47億公里，和三體中的環日加速器差不多長。要想達到量子引力能級的話用常規加速器可能需要幾十萬光年，也就是傳說中的環銀河系加速器，以人類目前的能力想要造出能夠打破“大沙漠”的加速器，基本是不可能的，你能造出幾光年的加速器嗎？做不到啊！既然做不到，那麼，倒不如先擱置咯。

人類可以暫時擱置，但對於這些天才的物理學家來說，他們又哪裡等得起呢？

七、物理學的憂傷

每每談到上世紀的“哥本哈根學派”，我們都會對那一代人頂禮膜拜。

每每看到1927索爾維會議的那張照片，我們都會匍匐在地高山仰止。

但有另一種觀點說：黃金一代並非那麼優秀，只是因為經典物理學大廈在20世紀初倒塌之後，他們正好站在新大陸上，發現了一個不一樣的宇宙！

而這所有的一切，都可以用實驗來證明他們的理論，直到今天，我們還用“黑洞”照片來證明愛因斯坦的“遠見卓識”，他們趕上了一個好時代。

到了21世紀，無論是超弦理論，還是M理論，這些物理學家集中的前沿領地，都要在亞原子領域才能獲得驗證，不知道100年後能不能獲得證明？

也就是說，再偉大的物理學家，你也得將自己冰封起來才有可能見證自己的猜想。

所以，儘管M理論已取得累累碩果，儘管它的建立者威滕被認為綜合學識能力並不遜色於牛頓，然而在他的有生之年，並沒有辦法讓理論得證，世人也沒有辦法見證其豐功偉績。

弦理論也一樣，雖然它描繪了從亞原子世界裡夸克瘋狂的舞蹈到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲，推理出從大爆炸的原初火球到星河的壯麗漩渦，但仍然被世俗之人認為是“空想科學的典型代表”。

再厲害的肖邦，也彈不出物理學家的悲傷。

作為當代物理學家的代表的楊振寧先生，從現實主義的角度給理想主義者提出自己的告誡，自然有他的道理。

如果不能讓理論得證，再優美的物理理論都會墮入了玄學的領域。

黑暗只是暫時的，光明也不能永恆！最黑暗的時刻，也是黎明即將到來的時候！

人類的科學研究，都是在“黑暗”中摸索，然後衝破黑暗，在光明到來的時刻，也是人類文明奔向另外一個高度的時候！

01

16世紀，在宗教的束縛下，人類科學研究的腳步幾乎停止！是科學領域最黑暗的時刻，這時候，有個人衝破黑暗，提出“日心”學說，可以說是黑暗中的一縷光明！正是在這一縷光明的指引下，人類衝破黑暗，科學研究達到一個新的高度，這個人是——哥白尼

02

到17世紀，雖然在哥白尼的指引下，思想逐漸開放，雖然還在宗教的管控下，但是人們還是對“科學研究”熱情高漲！科學研究有個特性，就是越研究，疑惑越多！

它是一個提出疑問，解決疑問的過程。但是人類在研究的過程中，越來越多的疑惑迫切需要解答！這個時刻，也是“黑暗”到來的時候！

有個人，他在比薩斜塔上，用兩個鐵球，敲破黑暗，迎來光明。他也徹底奠定了物理領域的第一座大廈。這個人是——伽利略

03

自然和自然的規律隱藏在茫茫黑夜之中。上帝說：讓牛頓降生吧！於是，一片光明

——英國詩人亞歷山大·蒲柏

18世紀，顯然物理學的發展又遇到瓶頸，人類又處於黑暗時刻，這時，一個在蘋果樹下的思考青年，被樹上的蘋果打斷思維！他沒有抱怨，而是這顆蘋果是不是成精了，為什麼砸他？

這一研究，牛頓三大定律橫空出世，人類也衝破那個年代物理學的“黑暗”！開始初步弄明白宇宙執行的規律

04

在19世紀最後一天的晚宴上，有個人說到：物理學大廈已經落成，餘下只是一些修修補補的工作，遺憾的是，在大廈的頭頂上飄著兩朵烏雲。說這話的是開爾文勳爵

他說完這話後，就進入20世紀，讓他沒有想到的是那兩朵烏雲，徹底的籠罩住物理學的Sunny！前景一片“黑暗”

這時候，一個頭頂爆炸頭的物理學家發表跨時代的《相對論》，另外有一幫物理學家弄出《量子力學》，聯手吹走烏雲！還物理學界一片朗朗晴空！

近現代，物理學界還是基於《相對論》和《量子力學》繼續研究，到如今可以說舉步維艱！沒有基礎性的突破，是不是“黑暗”時刻不知道！如果是也不要緊！說明人類要面臨一次新的突破。還是那句話：最黑暗時刻，也是黎明即將到來的時候！