本次內容來自系列影片課程
“一說萬物：現代物理學百年漫談”
第九講：宇宙
9.3 終極理論之夢
系列課程介紹20世紀是物理學的世紀。在過去一百年中，物理學取得了空前的發展，湧現出很多新想法、新觀念，其影響超越了物理領域，深刻改變了人們對世界的認識。在《一說萬物：現代物理學百年漫談》中，來自香港科技大學的王一老師將給大家分享這些既深刻又有趣的新想法、新觀念。每期一個話題、一個概念，講述精巧、富有啟發性。來一起感受思考的樂趣吧！
我們從愛因斯坦講起。愛因斯坦的廣義相對論研究的是物質分佈和時空彎曲的關係，即物質和空間幾何的關係。兩者的關係可以由愛因斯坦方程來描述，該方程的左邊是幾何，即空間是如何彎曲的，而右邊是物質，即物質是如何分佈的。愛因斯坦本人對這個方程左右兩邊的好惡是完全不一樣的，愛因斯坦認為方程右邊的物質是所謂的“俗物”，好比“泥”做的一樣，而方程左邊的幾何是數學的、美妙的、精密的，愛因斯坦喜歡它們“水”做的那樣的純粹。愛因斯坦覺得，只應天上有的幾何和落到凡塵的物質不應該匹配起來。一個真正美妙的方程，方程的右邊即所謂的物質應該也是幾何化的，也就是說，愛因斯坦希望把物質也統一到幾何的框架當中。這就是愛因斯坦的夢想——所謂的“統一場論”。
愛因斯坦是在什麼時候提出統一場論的呢？當時狹義相對論早已建立，廣義相對論剛剛完成，真好比是“今南方已定，兵甲已足，當獎率三軍，北定中原，庶竭駑鈍，攘除奸兇，興復漢室，還於舊都”。所謂“漢室”、“舊都”，是愛因斯坦等老派物理學家對經典決定論這樣一個物理學大廈的夢想。可惜的是，世界的潮流、物理學的發展是滾滾向前的。
所謂大時代，無非是一個選擇，愛因斯坦這樣的老派物理學家選擇留在自己的時代。或許對愛因斯坦而言，當年在伯爾尼的專利局裡偷偷去做思想實驗的時候，才是他最開心的日子。而一直到去世，愛因斯坦也沒有完成他統一場論的夢想。
“終極理論之夢”，這個詞其實是溫伯格的一本科普書的名字，那麼在這裡講統一的概念，我們也借用溫伯格這本書裡邊的講述。你隨便拿出一樣東西——一支筆、一張紙、一張桌子，隨便什麼東西；然後我們開始問問題：“這支筆的顏色？”、“這支筆的物理性質？”、“這支筆的功用？”等等；我們追問這些問題的時候，最後都能追問到：世界是由哪些基本粒子組成的，而這些基本粒子之間有哪些相互作用？
在課程最早的某一講中，我曾用報菜名的方式為大家介紹了基本粒子都有哪些。這些基本粒子之間的電磁、弱、強和引力相互作用把所有的這些東西統一起來。而統一不同事物的努力其實並不是現代才開始的，早在麥克斯韋時代就已經有了這樣的努力。麥克斯韋本人就已經統一了電力和磁力，把二者統一到電磁場。而20世紀中葉，溫伯格、薩拉姆和格拉肖進一步把弱相互作用力也統一到了電磁框架當中，成為了所謂的“電弱相互作用”。
之後，大家又猜測有可能存在一種大統一理論，可以統一電磁、弱、強相互作用。當然，不管是麥克斯韋的統一，還是電弱統一和大統一，所講的都是力的統一，而力和物質看起來是非常不一樣的存在。但是有一個猜想叫做“超對稱”，認為有一種假想的對稱性，可以把物質和力相互轉化。也就是說，在一定程度上把物質和力也統一到了一起。
最後，我們還剩下引力。在一個所謂的“弦理論”裡邊，引力和其他的一切可能也是可以統一到一起的，這就是我們終極理論之夢的一個模型。
弦理論認為：看一個電子，如果看得足夠仔細的話，那麼電子並不是一個點粒子，而是由一條弦組成的。弦的不同狀態，包括弦的各種振動、端點的不同位置、不同的纏繞等等，決定了這個弦告訴你的是一個力還是哪一樣物質粒子以及其質量多少，等等。
自被提出以來，弦理論取得了非常廣泛的成就。一方面，它統一了量子和引力；不光在愛因斯坦的心裡，也在物理的理論層面，量子和引力一直是一對冤家對頭。而弦理論被很多人認為是目前為止我們唯一已知的自洽的量子引力理論。而為了弦理論的自洽性，我們需要超對稱，即為了力和物質的統一，我們需要生活在更多的維度，而這些更多的維度很小，我們看不到。
弦理論中有各種各樣豐富的現象，透過對弦理論的深入研究，我們發現了對偶性，不同的弦理論其實都是同一個弦理論的不同的表現方式而已。還有，弦理論在目前也和量子資訊等各種資訊理論有著密切的聯絡。
雖然弦理論這麼成功，弦理論本身也有很多很多的問題。比如，弦理論認為電子是一根振動的弦，那麼我們要看多仔細才能看到這一點呢？10-30米這麼精細！別說我們現在的實驗，就是我們能夠想象到的任何的未來，我們也沒有辦法去做這麼精密的實驗。所以，如何在實驗上去檢驗弦理論，一直到現在，都是一個很大的問題。剛才我們還提到了弦理論的對偶性，即看起來不同的各個弦理論，最後我們發現都是一個統一的、同樣的弦理論不同的極限而已。
也就是說，如果我們把弦理論看成是一個數學結構，看成是一組方程的話，那麼這組方程是唯一的，它不容你去把空間多加一維、減少一維，也不容你在這個理論中加一種粒子、減少一種粒子。但是，雖然這組方程是唯一的，這組方程的解卻非常之多。有多麼多呢？有的人估計，有10500這麼多弦理論可能的解，而每一個解都對應著一個可能的世界。我們如何找到我們處於這10500個世界當中的哪一個呢？也是一個問題。並且，雖然現在大家的一個共識是，弦理論是一個自洽的量子引力理論，但問題是：自洽的就是唯一的嗎？自洽的就是真的嗎？弦理論是不是真正描述我們世界的量子引力理論呢？像這樣的問題，目前也沒有答案。
作為物理學的工作者，我們要做兩件事情，一件事情是找物理，另一件事情是找工作。這兩件事情其實都不容易。有這樣一個段子（應該是編造的）：弦理論的一個領軍人物Witten去美國基金委答辯。美國基金委問Witten：“你們弦理論領域每年培養多少博士生？” Witten說：“100個。”基金委問：“那麼最後這個領域會接納多少人？”Witten說：“我們最後要1個。”基金委就問：“既然最後只要一個，為什麼要培養100個呢？” Witten回答：“因為我們只有培養了這100個，才能知道最後我們要的是哪一個？”然後，又有一位宇宙學大佬去基金委答辯。
基金委問：“宇宙學領域一年培養多少個博士生？”宇宙學大佬說：“我們培養100個。”基金委問：“你們要多少個？”宇宙學大佬說：“我們一個都不要！”基金委問為什麼，宇宙學大佬說：“因為那99個做弦論的都來做宇宙學了。”當然了，這是一個調侃，這個調侃並不是說我對弦論有任何的意見，我對無論這個理論還是其工作者，都充滿敬意。只是說，這個行業也有這個行業的艱辛。
弦論是終極理論的一個候選者，我們不知道弦論是不是最終的那一個候選者。同時，我們也想問一個問題：最終，我們有可能找到那個終極的理論嗎？莊子就曾經說過，“吾生也有涯，而知也無涯。以有涯隨無涯，殆已！”什麼意思？就是說，你就危險了，翻譯成英文就是你就死了（die）。
為什麼？因為莊子認為，以我們有限長度的生命去追尋那無限多的知識，這是一個非常危險的事情。現在我們有沒有必要像莊子那樣悲觀呢？我覺得並沒有必要。因為數學！無論數學歸納法還是微積分，數學本身就是一個聯絡有限和無限的橋樑。而現代科學是以數學為基礎的，所以並不能說我們只能知道有限的道理，就不能理解無限的現象。那麼這是不是說，我們就必然可以得到這樣的一個終極理論呢？
我個人的觀點：還不知道。物理學家David Gross曾經做了一個思想實驗：如果你去教你們家的狗狗解一個代數方程，用高斯消元法，你能指望它學會嗎？如果你教它一點更難的東西，例如量子力學呢？可能更不指望了。如果這樣，也就是說，我們認為狗狗的思維能力有著一個侷限，它無法理解一些理論，那麼我們又憑什麼認為我們自己的思維能力沒有侷限，可以理解這個世界中所有的奧秘呢？
導師簡介
王一：中國科學技術大學本科，中國科學院理論物理研究所博士。現任香港科技大學副教授，研究領域為理論宇宙學。近期的主要研究興趣是將物理學中最大的物體和最小的物體聯絡起來，用早期宇宙的遺蹟研究基本粒子物理。其他研究方向還包括早期宇宙模型、暗能量、暗物質、原初黑洞、引力波等。曾獲香港大學教育資助委員會青年學者獎、被學生評選為最喜歡的教師。
系列課程內容
第一講：概述物理學的世紀
1.1 一百年前，我們知道什麼？
1.2 更小：從打地鼠到光電效應
1.3 更高：“上帝”的選單
1.4 更快：什麼是相對論？
1.5 從簡單的定律到複雜的宇宙
第二講：現代物理學之光
2.1 什麼是現代物理學之光？
2.2 光是粒子還是波動？
2.3 你見過波動著的粒子嗎？
2.4 什麼是波粒二象性？
第三講：漫遊量子世界
3.1 從聊齋志異到量子隧穿
3.2 不確定性原理：拯救世界的大英雄
3.3 非同尋常的測量
3.4 薛定諤貓死了嗎？
第四講：原子
4.1 世界為什麼是由原子組成的？
4.2 花粉顆粒為什麼會跳舞？
4.3 從氫原子到萬物
第五講：熵與資訊
5.1 大吃一斤，什麼增加了？
5.2 時間箭頭：誰偷走了你的時間？
5.3 麥克斯韋的妖精教你什麼是新聞
第六講：複雜
6.1 從“兔子函式”到“三生萬物”
6.2 三體星人為什麼算不對飛星？
6.3 海岸線是無窮長的嗎？
第七講：狹義相對論
7.1 鍾變慢，尺縮短
7.2 天涯共此時嗎？
7.3 時空是一回事嗎？
7.4 時光能倒流嗎？
第八講：廣義相對論
8.1 等效原理：引力是幻覺嗎？
8.2 彎曲時空，引力退散
8.3 黑洞：天上一天，地上一年
第九講：宇宙
9.1 晚上天會黑，因為宇宙年齡有限
9.2 什麼是暗物質和暗能量？
9.3 終極理論之夢
墨子沙龍是以中國先賢“墨子”命名的大型公益性科普論壇，由中國科學技術大學上海研究院主辦，中國科大新創校友基金會、中國科學技術大學教育基金會、浦東新區科學技術協會、中國科學技術協會及浦東新區科技和經濟委員會等協辦。
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