万有理论真的存在吗？

无论你在日常生活中谈论什么，它实际上都被限制在一定的范围内。如果你不相信我，试着只在特定的时间范围内说:“我很忙”，比如今天或本周，而不是本世纪或本纳秒。“沉重的税收负担”也只适用于特定的收入范围。有很多这样的例子。

你可以说在科学上绝对没有这样的限制。毕竟，在现代科学诞生以来的几个世纪里，传统观点一直认为适用于整个宇宙的理论是存在的，尽管我们可能永远无法通过经验来证实这一点。例如，牛顿万有引力定律是普遍的。它适用于坠落的苹果和坠落的行星，并能解释太阳系内外所有重要的观测结果。

随着相对论，特别是广义相对论的出现，我们发现牛顿万有引力定律只是一个更基本理论的近似。但是这个更基本的理论，广义相对论，在数学上是如此美丽，以至于我们似乎可以合理地假设它是一个完美的理论，可以完全描述在质量和能量的作用下空间和时间的行为。

量子力学的出现改变了一切。量子力学和相对论的结合产生了一个意想不到的结果:支配物质和能量的物理定律，它们的具体性质取决于你测量它们的尺度。这可能引发了20世纪最大规模的无声科学革命:我们开始认识到没有这样的理论，它与现实世界密切相关，绝对且总是正确的。(我不指望这在短期内会改变，尽管弦论者会。然而，理论物理学家仍然花费大量精力来研究这类理论。那么，到底是怎么回事？追求一个统一的理论是一个合法合理的目标吗？科学真理总是依赖于标准吗？

万物理论

量子力学和相对论的结合是一个亟待解决的标度问题。著名的海森堡测不准原理是量子力学的关键，这意味着我们不能在小范围和短时间内完全限制基本粒子的行为。微观粒子的能量和动量有其无法消除的内在不确定性。当这个事实与狭义相对论相结合时，结论是你不能在短时间内真正控制小空间中的粒子数量。所谓的“虚拟粒子”可以随时访问或离开真空，但时间太短，你无法直接测量它们的出现。

这个结论的显著效果之一是当我们测量电子间的力时。实际测量的电子电荷决定了电场的强度，它取决于测量的范围。你离电子越近，你就越深入电子周围的虚拟粒子云的内部。因为电子吸引带正电的虚拟粒子，每个虚拟粒子对包括带正电的粒子，而带负电的粒子在外面，因此部分抵消了电子的电场。你进入虚拟粒子云越深，屏蔽效应越弱，电子带的负电荷越多。

因此，当你准备计算两个粒子之间的相互作用力时，你需要考虑所有虚拟粒子的影响。它们可能是在测量期间从真空区域的稀薄空气中产生的，包括那些具有任何大质量和能量并且在任何短时间内出现的粒子。当你把所有这些都考虑进去，计算出来的力就达到了无穷大。

理查德·费曼找到了一种方法来提取一系列具有未知原始意义的无限项，从而总是在不引入任何矛盾的情况下计算有限剩余力。他还获得了1965年的诺贝尔物理学奖。用他的方法，我们现在可以从基本原理计算出电子磁矩，精确度为10位有效数字。与实验结果的符合程度超出了任何其他科学领域。

然而，费曼仍然对他所取得的成就有些失望——我们可以在他1965年的诺贝尔奖演讲中找到这一点:“我认为重正化理论只在表面上的分歧方面掩盖了电动力学的问题。”他认为一个完整的理论不应该从一开始就产生无穷大，他和其他人使用的数学技巧只是暂时的措施。

现在，我们的观点又不同了。从某种意义上说，费曼担心的是错误的地方。这个问题不是来自理论本身，而是由我们试图将其扩展到应用范围之外而引起的。只有在应用范围内，理论才能正确描述自然。

由任何大质量和能量的虚粒子产生的无穷大不会引起物理影响，因为它们出现在量子电动力学理论是完整的错误假设上，或者换句话说，该理论适用于所有尺度的物理，甚至任何小距离和时间尺度。然而，如果我们期望我们的理论是完整的，这意味着在我们提出任何理论之前，一切理论的存在都是预设的——它涵盖了我们已经发现和尚未发现的所有基本粒子的影响，这是完全不现实的，甚至是不可能的。

因此，在较小规模(或较大规模，但不太可能)上诞生的可能的新物理理论不应该影响现有的合理理论，至少在实验室可测量的范围内。现有的理论不仅仅是短期问题的临时解决方案。当我们有一个能更准确描述自然的理论时，我们不会放弃它。因为我们的经验和知识可能永远不会完整，从实践的角度来看，超出我们目前研究范围的新物理理论不会影响现有的理论。这是我们认识论的一个特点，在我们开始探索量子力学和相对论发挥重要作用的极端状态之前，我们并不了解它。

对于物理理论中的尺度问题，还有另一种解释方法:对尺度的讨论不是将各种理论合理地划分为各自的适用范围，超过这些范围，理论就失效，而是揭示这些理论的内在联系，指出新的统一理论的方向——新的理论包含原有的理论，可以在更大的范围内应用。

例如，希格斯粒子的发现在过去几年里一直被人们津津乐道，因为它是量子电动力学与另一种力(弱相互作用)相统一的理论中最后一个缺失的环节——电的弱统一理论。电磁相互作用和弱相互作用是自然界中已知的四种基本相互作用中的两种，从表面上看，它们的性能也非常不同。但是现在有了弱电统一理论，我们知道在超小尺度和极高能量下，两者可以理解为相同的基本相互作用，即不同形式的弱电相互作用。

尺度问题也促使物理学家试图将自然界中另一个基本的相互作用，即强相互作用，统一成一个应用范围更广的理论体系。强相互作用在构成质子和中子的夸克中起作用。直到1973年，物理学家才理解这种力。1973年，三位理论物理学家——大卫·格罗斯、弗兰克·维尔泽克和大卫·波利策——做出了前所未有的重大发现。他们提出了描述这种相互作用的候选理论，即量子色动力学(类似于量子电动力学)，并证明了强相互作用具有“渐近*”的性质。

在夸克彼此无限接近的情况下，渐近*会削弱它们之间的强相互作用。这不仅可以解释著名的实验现象“尺度效应”——质子中的夸克在高能和短距离下表现得像独立的粒子，没有相互作用——还可以用来解释为什么自然界没有*夸克。如果强相互作用在很小的距离上减弱，很有可能这种相互作用在很远的距离上非常强，以至于没有*夸克可以逃脱。

科学家发现，当距离很小时，强相互作用变弱，而当距离很小时，与弱相互作用结合的电磁力变强。据此，理论物理学家在20世纪70年代提出，在一个足够小的尺度上，大约比质子小15个数量级，所有三个相互作用(强、弱和电磁)将被统一成一个力，即著名的大统一理论。在过去的40年里，我们一直在寻找这方面的直接证据——事实上，大型强子对撞机(LHC)正在寻找一组新的基本粒子，这对证明这三种相互作用可以在适当的尺度下统一非常重要。尽管科学家已经发现了一些间接的证据，但是他们还没有观察到直接的和决定性的证据。

如果我们试图把四个已知的相互作用中的三个统一起来，科学家们自然会想进一步努力把第四个相互作用也就是万有引力包括进来。为了实现这一点，科学家们提出了一个假设，即重力本身只是一个等价的理论，可以在足够小的范围内与其他相互作用统一起来，但前提是自然界中有许多我们没有观察到的空间维度。这个理论，也被称为超弦理论，在20世纪80年代和90年代让理论物理学家兴奋不已，但是到目前为止还没有证据证明它能真正描述我们的宇宙。

如果超弦理论真的能描述我们的宇宙，那么它将具有独特的全新特征。超弦理论可能最终不会产生任何无限项，所以它可能适用于所有距离尺度，不管有多小。由于这个原因，它也被称为“万物理论”——尽管事实上，就可预测的实验测量结果而言，该理论的奇妙特征只能在很小的范围内表现出来，因此它在物理学上不会有多大影响。

随着时间的推移，在逐渐认识到我们对物理现实的理解取决于尺度的过程中，我们被引入了弦理论——而在弦理论中，这种尺度限制已经消失了。长期以来，理论物理学家一直在探索越来越小规模的世界，并一路高歌。这会让他们错误地相信弦理论是最终答案吗？

当我们不知道上述问题的答案时，至少我们应该有所怀疑。到目前为止，还没有弦理论这样伟大的推论，也没有直接实验或观察结果支持的理论能提供一个成功的模型来描述自然。此外，我们对弦理论了解得越深，它看起来就越复杂。先前的科学家预测它的普遍应用可能过于乐观。

正如费曼曾经推测的那样，大自然可能像一个洋葱，被层层贝壳包裹着。每一层都被剥离，我们会发现现有的精彩理论被放入一个新的更广泛的框架。因此，总会有新的物理理论等着我们去发现，如果不加修改，永远不会有一个终极的宇宙理论适用于所有的空间和时间尺度。

哪条路是通往现实的真正道路还有待探索。如果我们事先已经知道新发现的正确路径，那么所谓的“发现”就不是发现。作为一名物理学家，我当然希望对自然的探索永远不会停止，这样物理学家就永远不会失业，但我也喜欢那种有无穷无尽的谜团等待我们去探索的感觉。如果生活中没有神秘，那会有多无聊——不管是在哪个尺度上。(作者劳伦斯·克劳斯，翻译:许立，审校:丁·齐家)

劳伦斯·克劳斯是理论物理学家和宇宙学家。他是“起源项目”的负责人，也是亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的客座教授。同时，他也是几本畅销书的作者，包括《从无到有的宇宙》和《星际迷航的物理学》。