宇宙中的四種「力」

再讓我們來看看第二個問題——宇宙中的「力」。

我如果問你「力」是什麼，你可能馬上想到力不就是力氣、力量、力度嗎，我如果問你受力的大小怎麼理解？你可能會揮起拳頭這麼一比畫，說拳頭往沙包上打去，打得越狠，沙包受到的力就越大。可是，這些力都不是物理學家眼中這個宇宙中最根本的力。我們一拳打在沙包上，一個小球撞向另外一個小球，或者一顆子彈洞穿標靶，這些是動量守恆定理在起著作用，我們只要知道物體的運動速度和質量，就可以計算撞擊後發生的一切事情。

什麼才是最根本的力呢？我們根據牛頓定理就知道，力是改變物體運動狀態的作用，那麼到底是什麼作用在改變著物體的運動狀態呢？兩個小球相撞，雖然兩個小球各自的運動狀態都被改變了，可是從整個系統的角度來看，兩個小球仍然符合動量守恆，其實並沒有什麼「力」摻和在這起小球相撞事件中，只不過是「速度」從一個小球轉移到了另外一個小球身上。

宇宙中的第一種基本的力是萬有引力。你想想，我們平常所感受到的力其實究其本質都是引力在起作用，比如我們每個人自身感受到的重力，其實就是地球對我們的引力，大氣壓力是空氣的重力，靜止在高山上的石頭滾落，是引力在起作用。

接著，人們又發現了宇宙中的第二種力，那就是電磁力，兩塊磁鐵異性相吸，同性相斥，尤其是當你感受同性相斥的效應時，你尤其能實實在在地感受到磁力的存在。我們看到的火車開動，電梯升降，甚至煤氣灶把水燒開，這些現象究其根本，其實，都是電磁力在起著作用。

除此之外，還有沒有第三種力了呢？在愛因斯坦活著的時代，沒有了。在愛因斯坦的時代，物理學家們發現，宇宙中一切運動的物理現象，究其根本就是只有兩種力在起著作用：引力和電磁力。不論是什麼樣的運動狀態的改變，你研究到最後，發現到頭來歸根結底是引力和電磁力的作用。

引力我們先有牛頓的萬有引力公式後有廣義相對論修正了的引力公式來描述，電磁力我們有優美的麥克斯韋電磁方程組來描述。而且我們發現引力比電磁力弱得多得多，比如把一根塑料棒在頭上擦兩下，就能把桌上的紙片輕而易舉地吸起來，也就是說在頭上擦兩下產生的電磁力就遠遠地大於整個地球對紙片產生的引力。不過引力也有一個厲害的地方，那就是引力是長程力，無論距離多遠，都能影響到，雖然衰減的速度跟距離的平方成反比，但是那也比電磁力要長得多，電磁力雖然很強，但是能影響的距離很短，力的大小隨距離衰減得非常快。

愛因斯坦在生命的最後30年中，一直致力於把引力和電磁力統一到一個數學表達式中，這被稱之為「統一場理論（GUT）」。愛因斯坦認為如果統一了引力和電磁力，他就找到了這個宇宙中最深的奧秘，並且他堅信利用他發現的廣義相對論能夠找到這個統一場理論。然而，悲壯的愛因斯坦就像隻身去炸碉堡的董存瑞，苦苦追尋了30年，直到去世，也沒有把這個理論堡壘給炸掉。其根本原因還在於，廣義相對論這個炸藥包在統一場理論這個堡壘面前，仍然顯得太藐小了。在愛因斯坦之前的所有物理學家都習慣於「自大而小」地尋找理論，也就是先從最大的宏觀上找到一個近似的理論，然後逐步地去修正它，使之和實驗值符合得越來越精確。在後愛因斯坦時代，人們開始意識到可能這個方法根本就錯了，或許「自小而大」才是根本解決之道。

在愛因斯坦死後，人類對微觀世界的了解越來越多，尤其是有了威力巨大的粒子加速器之後，人類對原子的了解突飛猛進。於是，又有兩種最基本的力被發現，一種叫做弱核力，它是產生物質的放射性現象的根本原因；另一種叫做強核力，這種力把質子和中子結合成了原子核。說到這個強核力，看過《三體2》的朋友都對那個威力無窮的「水滴」印象深刻吧，那個「水滴」又叫「強相互作用力探測器」，「強相互作用力」指的就是「強核力」，它是人類迄今為止發現的最強的「力」，它有多強，看看《三體2》就印象深刻了。

現在，上帝把這四種力擺在人類的面前，就好像是四塊「七巧板」，上帝說這四塊板子其實原本是一個完全沒有縫隙的完整正方形，我用一種巧妙的手法把它分割成了四塊，請你們人類思考一下該如何還原回去。

上帝留給了人類兩道終極思考題，一道題是請用一個統一的理論解釋所有基本粒子的起源和成因；另一道題是請把宇宙中的四種基本作用力用一個統一的數學公式描述。

經過3000年的科學攀登，經過無數的磨難和坎坷，我們曾經掉在陷阱裡面幾百年出不來，也曾經被困在迷宮中差點找不著出路，終於，這一天來臨了。我們，這個居於銀河系邊緣的一個毫不起眼的叫做太陽系中的一顆美麗藍色行星上的兩足生物，站到了上帝的面前。上帝說如果你們能解開這兩道題目，那麼請接受我最誠摯的敬意，從此我收回我以前的一句玩笑話「人類一思考，上帝就發笑」。

我們朝上帝微微一笑：「不論你發不發笑，我們都不會停止思考。」

超弦理論

上帝有時候對人類挺好，經常會給我們一點好運氣，弦理論的發現也是這樣。物理學界流傳著這樣一句話——「弦理論是21世紀的理論偶然落到了20世紀，被好運氣的物理學家們拾到了。」

1968年，有一個叫做維尼齊亞諾（GabrieleVeneziano）的年輕物理學家，他任職於大名鼎鼎的歐洲核子研究中心（簡稱CERN，這裡面出過很多牛逼哄哄的人物，包括互聯網之父蒂姆·伯納斯·李），我們前面提到的那個全世界最大的粒子加速器LHC也是這個機構建造的。

大多數物理學家都是數學家，這個維尼齊亞諾也不例外，他對數學是相當的有興趣。有一天，他閑來無事開始把玩200多年前大數學家歐拉發明的一個函數——所謂的歐拉β函數，給一個x值，算出一個y值，再給一個x值，再算出y值，然後寫在紙上，就好像小孩子孜孜不倦地把積木擺來擺去一樣。

你可能覺得物理學家真變態，這有啥好玩的？我們大多數人都對數字很討厭，避之唯恐不及，所以我們大多數人就只能噹噹普通老百姓，當不了神奇的「家」。維尼齊亞諾玩著玩著，突然發現眼前這些數字怎麼越看越熟悉啊，你是不是想起來了，我們在第三章中提到赫茲在看到電磁波的速度是31.5萬公里／秒這個數字的時候想到了斐索實驗中光速也是這個數字，於是人類了解了光的本質。

物理學有時候就充滿了這種驚奇和意外，維尼齊亞諾手中的這些數字讓他突然就聯想到了全世界各地彙集過來的粒子對撞中產生的大量的原子碎片的各種數據，它們似乎有著極其驚人的關聯。冥冥之中，似乎200多年前的歐拉獲得了上帝的啟示，寫下了這個歐拉β函數，歷經200多年的時空穿越，維尼齊亞諾偶然發現了這個函數的驚人秘密。但問題是，這個函數雖然很管用，但是沒有人能知道這個函數到底代表著什麼物理意義，就好像一個小孩背會了九九乘法表，可以輕鬆地幫奶奶算出菜價，但是小孩卻完全不知道這個像歌謠一樣的九九乘法表是怎麼來的，表示什麼意義，維尼齊亞諾面臨的尷尬就跟這個小孩是一樣的。

要把一團亂麻給理成一根線，最關鍵也是最難的是要找到線頭，現在，揭示微觀世界秘密的線頭被找到了，就是這個歐拉函數。兩年之後，芝加哥大學、斯坦福大學、玻爾研究所的幾位科學家幾乎同時發現，如果用小小的一維的振動的弦來模擬基本粒子，那麼它們之間的核作用力就能精確地用歐拉函數來描寫。這根弦非常非常小，小到在我們現有的所有實驗條件下，它表現出來的都仍然像一個點，實在太小了。

然而，弦理論的這條路非常的坎坷，似乎一堆剛剛冒出一點火星的柴堆，還沒躥出第一個火苗就被當頭澆了一盆涼水。弦理論最初的幾個預言被實驗數據無情地推翻，全世界的物理學家們在一片欷歔中都不情願地把弦理論扔進了廢紙簍，只有謝爾克、格林和施瓦茲等幾個少數物理學家仍然沒有放棄。他們覺得弦理論所展現出來的數學之美實在是太令人印象深刻了，哪怕在實驗數據上有瑕疵，他們也不願意放棄，他們願意去修正理論而不是扔到垃圾桶中。經過10多年的努力，終於在一篇里程碑式的文章中，他們解決了矛盾，並且向世人宣告弦理論有能力成為萬物理論。這篇文章在物理學界一石激起千層浪，許多物理學家放下手頭的工作，激動地閱讀格林和施瓦茲的文章；讀罷，很多人都馬上停掉了手裡的研究項目，轉而一頭奔向這個終極理論的戰場，有什麼事情能比得上探求統一全宇宙的理論更令人激動呢？

1984年至1986年，被物理界稱為「第一次超弦革命」。為什麼在弦理論前面又增加了一個「超」字呢？格林和施瓦茲認為每一個基本粒子必須要有一個「超對稱」的夥伴，電子有一個超夥伴叫做超電子，光子的超夥伴叫做光微子等等。弦理論和超夥伴的假想一結合，立即發揮出巨大的威力，就好像脫去普通西裝，露出內褲外穿的超人本身，從此，弦理論升級為超弦理論。超弦理論認為，任何基本粒子都不是一個點，而是一根閉合的弦，當它們以不同的方式振動時，就分別對應於自然界中的不同粒子。我們這個宇宙是一個十維的宇宙，但是有六個維度緊緊蜷縮了起來。就像遠遠地看一根吸管，它細得就像一條一維的線，但是當我們湊近一看，發現其實是一根三維的管，其中的二維捲起來了。那六個維度的空間收縮得如此之緊，以至於你必須要放大一億億億億多倍（1後面34個零）才能發現，其實所有的粒子都不是一個點，而是一個六維的「橡皮筋圈」，不停地在空間振動，發出曼妙的音樂。

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圖10-3超弦假想圖

在第一次超弦革命爆發到現在，已經過去了20多年，物理學界又有了很多很多的進展，例如從超弦理論中又派生出M理論，現在正在大熱。這個理論把十維的宇宙又擴展了一維，變成了十一維的宇宙（十個空間維加上一個時間維），再往下講就不是這本書力所能及的了，畢竟這僅僅是一本介紹相對論的閑書，甚至都不能稱之為一本嚴謹的科普書。如果你對超弦理論還想了解得更多，推薦閱讀B．格林〔美〕著《宇宙的琴弦》。

偉大的設計

我們這本書的旅程到這裡差不多就要到達終點了，然而終點並不意味著結束，恰恰意味著一個新的起點，這個宇宙留給我們的兩道終極思考題還沒有找到答案。

1999年，霍金在一次演講中公開宣稱，他願意1賠1的賠率跟任何人打賭，人類將在20年之內找到萬物理論。現在離霍金的賭局結束還有8年的時間，這未來的8年中物理學界還會有些什麼激動人心的發現，誰也無法預知。

超弦理論作為目前萬物理論的唯一候選仍然面臨諸多的挑戰，前途似乎非常的坎坷，即便是像LHC這樣全世界最大的粒子加速器，也只能探測到100億億分之一米大小的尺度，探測更小的尺度需要更高的能量，這意味著把能量聚集到單個粒子的加速器也必須做得很大很大，而弦的尺度比我們今天能探測到的尺度還要小17個數量級。因此，如果用今天的技術，至少要把我們的加速器造得跟銀河系那麼大才有可能探測出一根根的弦。但是我們不是要等到直接「看」到弦的那一天才能證明出超弦理論是否正確，仍然可以有很多的間接證據和實驗信號來驗證超弦理論。

從第一隻古猿直立身體仰望星空到我們今天建造出LHC這樣的龐然大物，不過最多180萬年，和宇宙140億年的歷史來比，就如同一個百歲老人的一生中不到七分鐘的時間。然而正是在這七分鐘里，我們的哈勃太空望遠鏡已經能看到140億光年外的宇宙盡頭；我們的LHC能探測到比我們肉眼能看到的尺度小一億億倍的東西；我們發明的理論大到能推測宇宙的膨脹係數，描述星系的運動軌跡；小到可以解釋令人難以置信的量子的行為。現在，或許就差那麼最後一步，人類將站到一個全新的高度來審視我們所處的這個神奇宇宙。難怪霍金在《大設計》中發出尼采式的宣言：

它（萬物理論）將是人類長達3000年以上智力探索的成功終結，我們將找到這個宇宙中最偉大的設計！

霍金的理想或許已經真的離我們不遠了，在我的有生之年很有可能可以等到物理學家向我們宣布找到萬物理論的那一天，我從內心深處為生活在這個充滿挑戰的時代而感到慶幸。唯一遺憾的是，我除了靜靜地等待，什麼也做不了，但是如果我親愛的讀者中有即將選擇自己人生方向的學子的話，那麼請接受我對你的羨慕，你將有機會投身到這場尋找大設計、解答上帝的兩道終極思考題的智力探索中，未來之路剛剛在你腳下展開，你的這一步或許決定了我能不能在有生之年看到答案！