姜啟明
姜啟明
【新三才編譯首發】西元1925年，愛因斯坦與一位名叫Esther Salaman的年輕學生在一起散步。當他們閒逛時，他分享了他的知識核心指導原則：「我想知道上帝是如何創造這個世界的。我對於在這個或那個元素的範圍內的這些現像不感興趣。我想知道祂的想法，其餘的只是細節罷了。」
「上帝的思想」這幾個字是對於現代物理學最終目標的一種令人愉快的隱喻，亦即對自然規律的完美理解──物理學家稱之為「萬物理論」或簡稱TOE。在理想情況下，TOE會回答所有的問題，沒有甚麼是解釋不了的。為什麼天空是藍色的？可以解答。為什麼引力存在？這答案也包括在內。以更科學的方式來說明，TOE想要用單一理論，單一建構組元和單一力量來解釋所有的現象。在我看來，找到TOE可能需要數百年甚至數千年之久。為了理解原因，我們接著看。
我們知道現在有兩種理論，當它們結合在一起時，可以很好地描述我們周圍的世界，但二者離萬物理論的差距都還有光年之遠。
首先是愛因斯坦的廣義相對論，它描述了重力以及恆星，星系和宇宙在最大尺度上的行為。愛因斯坦將引力描述為空間和時間的彎曲。這個想法已經通過多次驗證，最值得注意的是2016年發現了重力波。
第二種理論則被稱為標準模型，它描述了亞原子世界。在這個領域上，科學家們已經在萬物理論上取得了最明顯的進展。
如果我們看看我們周遭的世界──星星和星系、貴賓犬和披薩的世界，我們可以問問為什麼物體會具有他們所顯示出來的屬性。我們知道一切物質都是由原子組成的，而那些原子是由質子、中子和電子組成的。
並且，在20世紀60年代，研究人員發現質子和中子是由更小的稱為夸克的粒子組成的，電子則是被稱為輕子的粒子類別中的成員。
找到最小的建構組元只是為了設計萬物理論的第一步。下一步是要了解控制建構組元如何相互作用的力量。科學家們知道有四種基本力場，其中三種──電磁力、強核力與弱核力──在亞原子層次上被理解了。電磁力將原子結合在一起並負責它的化學性質。強核力將原子核固定在一起，並將夸克保持在質子和中子內部。弱核力則負責某些類型的核衰變。
每個已知的亞原子力具有攜帶該力的相關粒子或粒子們：膠子攜帶強核力，光子控制電磁力，W和Z玻色子控制弱核力。還有一個幽靈般的能量場，稱為希格斯場，它穿透宇宙並為夸克、輕子和一些攜帶力的粒子提供質量。總之，這些建構組元和力場構成了標準模型。
應用夸克和輕子以及已知的攜帶力的粒子，人們可以建立原子、分子、人、行星、甚至是宇宙中所有已知的物質。毫無疑問，這是一項巨大的成就，也是對萬物理論的一種很好的近似。
然而事實並非如此。科學家的目標是找到一個單一的建構組元和一個可以解釋宇宙物質和運動的力場。標準模型有12個粒子（六個夸克和六個輕子）和四個力場（電磁，重力，以及強、弱核力）。此外，還沒有已知的重力量子理論（意思是我們當前的定義僅涵蓋涉及尺度如普通塵埃更大的物質的重力），因此，重力甚至根本不是標準模型的一部分。所以，物理學家繼續尋找更為基礎和深層的理論。要做到這一點，他們需要減少建構組元和力場的個數。
找到一個較小的建構組元將是比較困難的，因為這需要建造比人類有史以來曾經建造過的更強大的粒子加速器。新加速器設備上線的時間需要幾十年，而其功能將僅能提供相對現有設備來說適度的增強。因此，科學家必須反過來推測一個較小的建構組元可能會是什麼樣子。一種流行的觀點被稱為超弦理論，它假定最小的建構組元不是粒子，而是一個小而振動的「弦」。就如同大提琴的弦可以演奏不止一個音符；不同的振動模式就是不同的夸克和輕子了。通過這種方式，單一類型的弦就可以成為最終的建構組元。
但問題是沒有證據證明超弦確實存在。此外，為了能觀察到它們所需的預期能量稱為普朗克能量，這是千兆倍（10的15次方倍）於我們目前所能產生的。非常大的普朗克能量與所謂的普朗克長度密切相關，這是一個不可思議的微小長度，使得量子效應在這尺度之下變得如此之大，以至於無法測量任何更小的尺寸。同時，小於普朗克長度（或大於普朗克能量），光子或光粒子之間重力的量子效應變得很重要，相對論不能再起作用。這可能是用來理解量子引力效應的尺度了。當然，這一切都是推測來的，但它反映了我們目前的最佳預測。而且如果它是真的話，在可預見的未來，超弦必須保持是純理論性的。
過多的力場也是一個問題。科學家希望能「統一」這些力場，說明它們只是單一種力的不同表現形式。（ 艾薩克．牛頓爵士就是這樣做的，他展示使物體落在地球上的力和控制天體運動的力是一樣的；詹姆斯．克拉克．馬克斯威爾表明，電力和磁力實際上是一個統一力場的不同行為，叫做電磁力。）
在20世紀60年代，科學家們能夠證明弱核力和電磁力實際上是合稱為電弱力的兩個不同面像。現在，研究人員希望電弱力和強力可以統一到所謂的大統一力量中。 然後，他們希望大統一的力量將來能夠與重力統一起來，形成萬物理論。
然而，物理學家懷疑這種最終的統一是否能發生在普朗克能量上，這也是因為這是相對論中，它的量子效應的能量與尺度已經不再是可以忽略的了。並且，正如 我們所看到的，這個能量比我們希望短期內在粒子加速器能實現的能量高得多的。為了理解當前理論與萬物理論之間的鴻溝，如果我們代表粒子的能量，我們可以視自己為細胞膜的寬度，而普朗克能量則是像地球那麼大。雖然可以想像到對細胞膜有透徹了解的人，也許可以預測細胞內的其他結構──像DNA和線粒體這樣的東西──但是人們不可能準確預測到地球是怎樣的。他們有多大可能來預測火山、海洋或地球的磁場呢？
簡單的事實是，如果粒子加速器中當前可實現的能量與普朗克能量之間存在如此大的差距，正確地推論出萬物理論似乎是不可能的。
但這並不意味著物理學家應該全部退休並改行從事山水畫──仍然有有意義的工作等著完成。我們仍然需要了解不明原因的現象，如暗物質和暗能量，它們佔已知宇宙的95%，並利用這種理解創造出更新、更完整的物理理論。這個較新的理論不會是一個萬物理論，但會比目前的理論框架更好。我們必須得一遍又一遍地重複這一過程以求進步。
有點失望嗎？我也是。畢竟，我一直致力於揭示宇宙的一些秘密，但也許有些觀點是有道理的。第一次統一的力場是在1670年代用牛頓的萬有引力理論完成的。第二個是在19世紀70年代與馬克斯威爾的電磁學理論。在半個世紀前發展的電弱力統一理論則是相對之下較新的成果。
鑑於我們在這個旅程中邁出了第一個重要的成功步驟已經過去了350年，也許展現在我們前面的這條道路比那更長也就不那麼令人驚訝了。將會有一種天才的見解導致在未來幾年內完全發展出萬物理論的想法是一個神話。我們陷入了漫長的困境中──即使是今天科學家的孫子也不會看到它的終結。
這將是一個多麼艱難的過程啊。
本文原作者唐林肯是一名費米實驗室物的理學研究員。他是《大型強子對撞機：希格斯玻色子的非凡故事和其他將會打擊你心靈的東西》（約翰霍普金斯大學出版社，2014年）的作者，他開展了一系列科學教育的視頻。最初發表在《生命科學》上 。
（編譯：心宇）
（責任編輯：姜啟明）
（文章來源：新三才編譯首發）
