終極理論

1955年4月17日是星期日，愛因斯坦從普林斯頓醫院的病榻上坐起來，開始了他一生的最後一次計算。幾個小時以後，20世紀最偉大的科學家去世了。他的床邊放著他最後的、也是失敗的一項努力，即創造自己的“統一場理論”——對於宇宙中所有已知力量的一項單一的、條理清晰的解釋。

當時愛因斯坦尋求這樣一項理論已經有30多年，但卻沒有獲得成功。在他去世以後將近半個世紀的今天，他的夢想可能即將成為現實。世界上的一些最傑出的理論物理學家認為，他們瞥見了一項宏大的理論，其涵蓋範圍甚至遠遠超出愛因斯坦的想像。

尋根溯源

該理論宏大的稱號和更加宏大的目標，掩蓋了其在1831年夏季在一個維多利亞女王時代的實驗室中的起源。當時在倫敦的皇家學會，偉大的英國物理學家邁克爾·法拉第正在研究電和磁之間的關係。他當時已經知道，電流通過導線產生磁場。他想要知道的是，相反的情況是否也是如此——磁力能夠產生電嗎?

在一些起步時的失敗以後，他獲得了成功，製造了有史以來的第一個發電機。在此過程中，法拉第發現了某種具有深遠意義的事情——儘管表面現象不同，但是電和磁僅僅是同一個基本現象的不同的方面。

雖然法拉第的試驗技能使他得以瞥見這一統一性，但是他缺乏揭示其全部輝煌成果所需的十分重要的智力工具：數學。1861年，蘇格蘭理論家詹姆斯·麥克斯韋成功地把法拉第的發現轉換成數學語言。其成果就是現在著名的麥克斯韋電磁方程組。這些方程闡明了電與磁實質上的統一性。

雖然這是一項傑出的成就，但是它迴避了一個明顯的問題——宇宙的這種統一性是否包括各種力當中人們所最熟悉的引力呢？這正是愛因斯坦在1915年發表自己完全新穎的引力設想——稱為“廣義相對論”——以後不久開始應對的挑戰。

但是他很快就發現，這一難題比他所想像的要難得多。第一個重大障礙是找到一條把廣義相對論、他自己的引力理論和麥克斯韋的方程結合成為一個統一的模式的途徑。根據廣義相對論，引力是我們周圍的空間與時間的物質結構本身扭曲的結果。與此形成對照，麥克斯韋的方程則把電磁力看作一種穿越四維領域流動的“力場”。

1919年，愛因斯坦認識到可以統一這兩項截然不同理論的一條重大線索。當時德國數學家卡盧扎證明了有一系列方程能夠把這兩項理論綜合起來，但是只有在宇宙包含一個額外的第五維情況下才能做到。

這種觀點的確令人震驚，但是它是否並不僅僅是一種好奇的想法呢？這額外的一維在哪裡?1926年，瑞典數學家克萊恩提出了一項答案。他認為，它也許捲曲成太小的形狀，以致無法察覺，就像一根頭髮過於窄小，以致看起來似乎只有一維。

雖然愛因斯坦的直覺使他確信它很重要，但是他無法把卡盧扎和克萊恩的發現轉變成自己所尋求的引力和電磁力的統一理論——始終存在尚未解決的零星問題或者滑稽的結果，他還嘗試了另外一些方法，但是效果同樣欠佳。在愛因斯坦忙於解決自己的統一場理論的同時，人們發現了兩種更基本的力——把原子核相互連接起來的所謂的核強力，以及造成放射性的核弱力。更加糟糕的是，這兩種力可以用“信使”粒子傳導的理論來完美解釋——而這與愛因斯坦對引力的看法大相徑庭。

然而令人難以置信的是，愛因斯坦對卡盧扎和克萊恩想法的看重最終被證明是正確的——儘管其證明方式就連愛因斯坦自己理解起來也會很吃力。

最後的局外者：引力

理論家們發現，超對稱剔除了這些亞原子粒子之間表面上的所有差別，以揭示其基本的統一性。但是他們還發現，它為他們提供了有關萬物終極理論的另外一項更加具有深遠意義的線索——這一線索暗示怎樣才能把大一統場理論的超力與惟一剩下來的局外者引力相統一。

一些理論家當時已經嘗試了利用量子場理論讓引力參加進來。這些大膽的嘗試當中最有希望的全都包括超對稱，以及額外的維——恰恰是這一想法在半個世紀以前使愛因斯坦著迷。他們所缺乏的是某種將會把引力與其它的力相統一，而又不會釋放出數學“妖魔”的重要成分。這種成分是一種十分大膽的、就連愛因斯坦也不敢想像的東西——超弦。

1984年，加利福尼亞理工學院的約翰·施瓦茨和倫敦大學的邁克爾·格林等理論家的成果使同行震驚，他們宣布能夠把引力與其它的力統一起來，而又不會遇到通常的問題。惟一的條件是，粒子不再被看作僅僅是點，而是稱為超弦的極小的物體。這些像線一樣的物體要比原子核小得多，它們還必須擁有超對稱性(因而成為“超弦”)，並且存在於10維之中。

這是一項驚人的斷言，促使大批理論家紛紛對超弦進行進一步的研究。雖然只能有一種萬物終極理論，但是理論家們提出的超弦理論卻足足有5種，而且沒有任何明確的方法能夠在它們之間做出選擇。超弦似乎僅僅是某種更加宏大的東西的一個影子。

力的統一

由於愛因斯坦已赴黃泉，他統一引力與電磁的努力也被扔進了垃圾堆。人們的注意力轉向統一電磁力和新近發現的核弱力。20世紀20年代，物理學家們認為自己已經發現了做到這一點的方法，即運用所謂的量子場理論。

根據這一理論，每種基本作用力都有自己特殊的信使粒子。50年代物理學家們開始探索電磁力的攜帶者(光子)和核弱力的攜帶者(W粒子)之間的相似之處。查明這些相似之處不是簡單的事情——主要由於W粒子與無質量的光子相比，不知要重多少倍。但是到60年代末，三位理論家——美國的溫伯格和格拉肖以及英國的薩拉姆——已經獨立地制訂了理論，表明這兩種力實際上僅僅是單獨一種電弱力的不同的方面。更加美妙的是，這種統一使得人們預言到一些新的現象，並且有可能通過試驗來檢驗。70年代當這些預言開始得到證實的時候，物理學家們歡欣鼓舞——物理學自一個世紀多以前麥克斯韋取得突破以後又一次成功實現統一。

到此時，哈佛大學的格拉肖已經開始尋找揭示力的基本統一性的其它途徑。1973年，他發現了把電磁力、核弱力和核強力統一起來的一個數學公式。它稱為“大統一理論”(GUT)，開闢了有關自然界的基本作用力的廣闊視野，認為所有這三種力都曾經是一種在大爆炸剛剛結束的時候統治著宇宙的單一的“超力”的一部分。隨著宇宙冷卻下來，它們分裂開來，從而創造了我們今天所看到的宇宙。

這一理論再一次做出了預言，但是這回對這些預言加以證實是比較困難的。理論家們於70年代初發現的“超對稱”是一項把構成物質的粒子——譬如電子和質子——與攜帶著力的粒子——譬如光子——統一起來的數學特性。

著名物理學家、英國劍橋大學教授霍金宣稱放棄對“終極理論”的追求，過去他認為人們很快就能找到一個至少能在原則上描述、預測宇宙中所有事物的終極“萬有理論”，而他認為，人們永遠都獲得不了這樣的理論。霍金這一最新論斷在科學界引起不小震動，可以說仁者見仁，智者見智，科技日報對此也有文章進行過報道。本文將探尋霍金放棄終極理論的原因。

是終級的起點

還是終極的完成

終極理論這個概念包含有兩個相反的含義：

一個含義是：理論的“起點”達到終極。例如：《幾何學》是從“點”概念開始，推導出“線”、“面”“體”等，直至推導出幾何學全部學科體系，“點”就是這門學科達到終極的“起點”。相對幾何學這門學科，這就是“終極起點”的“終極理論”概念。

另一個含義是：終極地“完成理論”。理論已把所有問題都解決，沒有不可證明的問題，如霍金放棄的“終極萬有理論”，這是“終極完成”式的“終極理論”概念。

絕大多數科學家追求的“終極理論”都是指“終極的起點”。因為宇宙之大，未知無盡，不可能有“完成的理論”。牛頓曾經說過：“自然哲學的任務，是從現象中求論證，從結果中求原因，直到我們求得最初的原因為止。”

溫伯格說：“終極理論只能在一個意義上說是終極———它把某一種科學探索引向終點：那是一種古老的探索，探索那些不可能有更深層原理來解釋的原理。”這個“不可能有更深層原理來解釋的原理”就是“起點”。

霍金過去也是追求“終極的起點”，他曾宣稱：存在一種可以把所有自然規律都以一個單一的、優美的數學模型表示出來的“終極理論”，也許簡潔到在一件T恤衫上就能列印出來。

霍金又放棄了這一追求，理由是“一個物理理論乃是一個數學模型。因此如果有數學命題不能證明的話，那就有物理問題不能預測……我很高興我們尋求知識的努力永遠沒有終點，我們始終都有獲得新發現的挑戰。”這反映出霍金追求的目標從“終極的起點”轉向了“終極的完成”。

霍金對“終極理論”的理念上產生反轉，使他自己陷入自相矛盾之中，最終滑向不可能實現的“終極完成”式的“終極理論”。

時間與空間

是相聯還是撕裂

牛頓認為定律不是孤立的，所有定律之間都有因果關係，因此只要找出一個核心定律（最初因），就能從它推導出所有定律。第一層先推導出數個外圍定律；第二層，每個外圍定律又推導出數個定律；第三層，第四層……最後就把所有實驗定律一一推導出來，而實驗定律又可以推導出宇宙萬物。這就是牛頓的終極理論，也是愛因斯坦“用單純的演繹方法”建立世界體系的構想。

這裡內層定律是“原因”，被推導出來的外層定律是“結果”，定律之間是因果相連。實際上科學並不是從核心開始的，而是從外層的實驗向內層核心尋找。通過實驗可以找出實驗定律，但是再向內層找定律，就無法採用實驗方法，只能從實驗定律（結果）向內層找它的根定律（原因），這就是牛頓的“從結果中求原因”。這是反向推理求根的過程：數個實驗定律歸根於一個第三層定律，數個第三層定律又歸根於一個第二層定律，直到最後全部回歸到核心定律（最初因），這就是“直到我們求得最初的原因為止”。從最初因開始推理所以稱“起點”；推理過程稱“演繹”。

在他的終極理論構想中，各種定律從核心定律向外一層一層推理，各種定律分別在不同層次上。

而霍金及許多科學家要把不同層次的定律合成一組數學式，這顯然是辦不到的，不同層次的問題根本不可能合在一起。“核心定律”向外像樹那樣一枝又一枝分出支節，當分解到物理定律時，已變的千差萬別，毫不相連，這就導致定律無法在下層直接合併。如：量子化定律與引力定律是二個分支無法直接合併，然而霍金卻要把這兩個定律直接合併，建立“量子—引力”理論。

霍金認為終極理論最大的困難是無法將萬有引力與另外三種力合併，其實根本不必合併，因為按照牛頓方法只要沿著分支找主幹，就能將所有分支定律統一。

霍金是直接把定律合併，而牛頓是把定律因果排序找最初因。這是兩種完全不同的方法，反映了二者終極理論構造不同。

宇宙主體構架是量子化結構（不連續的量子世界），構件之間採用“連續的”過度（相對論及牛頓世界）；相對論及牛頓的“時間”與“空間”相聯，是“確定性”狀態，當“時間”與“空間”撕裂，是“非確定性”狀態；而在“撕裂”狀態下又產生兩個極端，量子力學（微觀世界）及天文學（宏觀世界）。“決定論”是“時間”與“空間”相聯的結果，“非決定論”是由於“時間”與“空間”撕裂導致。由於不清楚它們之間的因果關係，霍金被迫放棄終極理論。

物理學家已經弄清楚的宇宙基本粒子包括電子、中子、夸克等等，是構成物質的基礎。它們都沒有下層粒子。弦理論則推翻了這種說法。根據弦理論，如果可以通過更精確的手段來檢測這些粒子，會發現它們不是一個點狀體，而是一個細小的一維圓環。每個粒子包含一個振蕩的細絲，就象一個無限細的橡皮圈，物理學家稱之為弦。

雖然沒有辦法觀察到弦的存在，但用弦理論來代替點狀粒子理論可以有效地解決量子理論和廣義相對論之間的不相容性（按推導，兩種理論不能同時成立）。弦理論解開了本世紀物理學家們的戈耳迪之結。這是一個巨大的成就，但這只是弦理論引人注目的原因之一。

夢想王國

在愛因斯坦時代，強力和弱力還沒有被發現，但他發現了引力和電磁力這兩種完全不同的力的存在，這使他很困惑。愛因斯坦無法接受自然界建立在這種多餘的設計的基礎上。這使他開始了30年的艱苦研究，來建立一種統一力場理論，希望能找到一種更高級的原理來包容這兩種力。這種堂吉訶德式的追求真理的方式，使愛因斯坦與主流物理學相隔絕，而當時主流物理學所熱衷於研究的是剛剛興起的量子理論。1940年他在給朋友的信里寫道，“我成了一個孤獨的老傢伙，大家所知道的只是我常常不穿襪子，看起來象個古董。”

愛因斯坦完全超越了他的時代。半個多世紀以後，他的統一力場理論的夢想成了現代物理學界的聖杯。很大一部分的物理學界和數學界的人士越來越相信，弦理論可能是這個問題的真正答案。通過這種單一的理論－所有事物在其最微觀的層面上都是由振動的弦聯結而成－弦理論提供了一種包容所有力和物質的架構，可以合理地解釋一切。

例如，弦理論認為現存粒子的性質－與四種自然存在的力（強力和弱力、電磁力和引力）相關聯的基本粒子和力場粒子具有不同的質量和其它性質－可以解釋為弦的不同振動方式。如同小提琴或鋼琴上的弦一樣，它們以一種特有的共振頻率進行振動，弦的圓環的這種振動方式產生的效果就象人的耳朵可以聽到不同的音符。而每種粒子的質量和力場可以通過弦的振動方式來測定，這比製造音符還方便。電子是某種振動方式的弦，上夸克則是另一種振動方式的弦，依此類推。

實驗數據還遠遠不夠，弦理論中粒子的所有屬性都可以由一種唯一的物理特徵來體現：基本弦圓環的共振方式，就象音樂。這種理論在自然力場上同樣適用。力場粒子也是和某種特定的弦振動方式相關聯，以此類推，所有的事物－物質和力都在微觀層面由弦振動的理論統一起來，就如同琴弦彈奏出不同的“音符”。

終結所有理論的理論

在物理學的歷史上，我們第一次建立起了一種可以解釋所有構成宇宙的基本物理學特徵的理論框架。因為這個原因，弦理論常常被描述成“萬能理論”或者“終極”、“最終”理論。這種誇張的辭彙是為了突出這個最高層次的物理學理論－一種存在於所有理論之中，不需要也無法進行更進一步解釋的理論。

實際上，許多弦理論學家採用的是更現實的方法，他們只是把“萬能理論”當作一種有限的理論，用來解釋基本粒子和它們之間的相互作用力的屬性。簡化主義者則稱這種理論根本沒有界限，原則上可以應用於萬事萬物，從大爆炸到白日夢，所有一切都可以用物質基本成分之間的微觀物理學過程來描述。簡化主義者認為，如果你知道了所有物質的內部成分，那你就了解了一切。

簡化主義者的觀點引起了激烈的急論。許多人認為這是荒唐可笑的，美好的生命和宇宙竟然只是一些完全按照物理學規律跳著毫無意義的舞蹈的微觀粒子。難道所有的感情比如高興、悲傷、厭煩只是大腦中的化學反應－分子和原子之間的反應，從更微觀的層次來說，是一些基本粒子間的反應，而這些基本粒子只是一些振動的弦？

為了回應這種批評，諾貝爾獎獲得者史蒂文·溫伯格在《終極理論之夢》中警告說：

在頻譜的另一端是簡化主義的反對者，他們對現代科學的缺乏溫情感到驚惶失措。他們和他們的世界可以最終被簡化為粒子或場及它們之間的相互作用，這使他們受到很大的打擊。我不會回應這種批評，不會去宣揚現代科學的美麗。簡化主義者的世界觀是冷漠而非人的。我們必須接受這種東西並不是因為我們喜歡它，而是因為世界確實是按這種方式在運行。

有些人贊同這種沒有人情味的理論，有些人則不贊同。

其他人試圖用一些新的理論來駁斥，比如渾沌理論，它告訴我們當系統的複雜程度增加時，許多新的規律會開始發生作用。理解電子和夸克的行為是一回事，用這種知識來理解龍捲風的行為則完全是另一回事。大部分人同意這種觀點。但兩種觀點的分歧在於，在整個系統中多樣性以及常常發生的未預料事件比單個粒子複雜，是否真的說明有新的物理規律在起作用，或者說，是否所有的規律都起源於並依賴於－儘管通過非常複雜的方式－控制著無數基本成分的物理理論。我自己的感覺是它們並不代表新的獨立的物理學理論。雖然很難用粒子和夸克的物理學理論來解釋龍捲風的特性，但我認為這只是計算上的困難，而不需要提出新的物理規律。有些人對這種觀點也不贊同。

科學的新起點

即使有人接受這種簡化主義的邏輯，但理論上是一回事，現實卻是另一回事。幾乎每個人都同意，即使找到了“萬能理論”也不表示心理學、生物學、地理學、化學甚至物理學的問題都可以解決或者可以相互包容。宇宙是如此豐富多彩而又複雜多變，終極理論的發現也並不代表科學的終結。

恰恰相反，發現“萬能理論”－宇宙最微觀層次上的最終解釋，在其上不存在更高層次的理論－將為我們提供理解世界萬物的最堅實的基礎。這個發現標誌著一個新的開端，而非終結。終極理論將樹立起一個不可動搖的支柱，讓我們可以永遠地理解宇宙。

1995年，普林斯頓大學高級研究所的超弦理論家維頓提出了關於萬物終極理論的第一項觀點，或許這就是萬物終極理論。

他稱之為M理論。一些理論家爭論說，“M”代表“母親”、“神秘的”，甚至“魔術”，但是如果它代表“膜”，則它與超弦之間的聯繫就最為明確。這樣一來，這5種超弦理論就僅僅成為11維的膜的多維的“邊緣”而已。這11維當中除了4維以外全都捲曲得很小，以致我們無法看到。

今天，M理論仍然最有可能成為愛因斯坦所追求的目標，此外，它所提供的一項統一的描述不僅包括電磁力和引力，而且還包括其它基本作用力，以及這些力施以作用的所有粒子。

甚至M理論最終也可能會被證明缺乏回答所有這些問題所必需的威力。但是最起碼，它使我們獲得了對宇宙以及其中萬物的基本統一性的嘆為觀止的一瞥。

《終極理論之夢》（DreamsofaFinalTheory）是著名物理學家、諾貝爾獎金獲得者溫伯格博士面向大眾撰寫的一部力作。該書原著出版於上個世紀90年代之初，其時正值後現代主義對科學發起猛烈攻擊、超導超級對撞機計劃行將下馬之際。在此情形下，溫伯格博士憤然而起，利用其敏銳的思想、清晰的思路和流彩的行文，為終極理論的追求進行了大力的辯護。在這部著作中，作者不僅表述了自己對於終極理論的構想，同時還就與此相關的哲學、歷史和神學問題闡明了自己的立場。