統一物理理論，需要先驅散這14朵烏雲

自從文明開始以來，人類並不滿足於將事件看做互不相關不可理解。他們渴求理解世界的根本秩序。

—— 霍金，《時間簡史》

李·斯莫林在《物理學的困惑》一書中寫道：「在可能的時候，把過去認為不同的兩樣事物結合起來，作為一個實體的不同方面——這是科學最大的驚奇和快樂。」

過去，我們經歷了許多這樣激動人心的時刻。例如，牛頓將掉落的蘋果和行星的運行聯繫在一起；麥克斯韋實現了電、磁和光的統一；愛因斯坦將時間和空間統一成時空；狄拉克將狹義相對論和量子力學聯繫在一起；溫伯格等人則統一了四種基本力中的兩種——弱核力和電磁力。每一次的統一，都讓我們對自然有了更深刻的理解。

如今，物理學家在追求對自然的統一和連貫的描述中，希望更進一步，能找到一個可以將所有不同現象都連接在一起的「萬有理論」。但在實現這個宏偉的目標之前，我們面臨的是物理學上空漂浮的朵朵烏雲。

宇宙是如何開始的？

當我們提及宇宙時，很容易就把它想像成在時間和空間上都是無限的。但事實卻並非如此，隨著時間的流逝，那些遙遠的星系會逐漸遠離我們。這就意味著宇宙正在膨脹。一個自然的推論便是，如果今天的宇宙變得越來越大、越來越冷，那麼它可能有一個更小、更熱以及更緻密的過去。這便是大爆炸理論背後的思想。宇宙大爆炸模型做出了許多跟當時的觀測相符的預言，特別是在上個世紀六十年代發現的宇宙微波背景（CMB），為該理論提供了強有力的證據。

當科學家第一次觀測到CMB時，他們發現它是完全均勻的，並且在各個方向都有著同樣的溫度——大約2.7開爾文。隨著儀器的進步，科學家觀測到了CMB的微小漲落——天空中有些區域的溫度高一點，有些區域的溫度低一點。CMB溫度的變化反映了原始物質密度的微小變化。隨著時間的推移，且在引力的作用下，那些密集的區域會變得越來越密集。星系、恆星以及行星也因此誕生。

但是，在大爆炸的框架下，有一些現象是完全無法解釋的。例如為什麼宇宙各處的溫度都一樣？宇宙又是為什麼如此平坦？如果宇宙早期曾達到如此高的能量，為什麼我們沒有看到理論所預言的一些高能遺留物（比如磁單極子）？

為了解決這些問題，阿蘭·古斯提出了一個革命性的理論：宇宙暴脹。它說的是在宇宙誕生之後，經歷了一次指數式的膨脹。但是，暴脹理論也面臨著問題。第一個重要的問題需要由觀測來回答，即是否有暴脹的直接證據。第二個需要同時由理論和觀測來回答，即暴脹的起源之謎。到目前為止，宇宙的起源之謎，依舊是最最基本的大問題。

解決方案：永恆暴脹、宇宙大反彈、SMASH模型。

為什麼宇宙中充滿了物質，而不是反物質？

粒子物理學的標準模型是迄今為止最成功的理論之一，它描述了宇宙中的萬物，包括已知的所有粒子，以及它們之間是如何相互作用的。但是，標準模型卻告訴我們，我們不應該存在。這是因為，根據標準模型的預測，在宇宙大爆炸之後，應該有等量的物質和反物質被創造了出來，這就意味著正反物質的相遇會導致湮滅的發生，從而毀滅了宇宙的形成。但結局很明顯，物質贏得了138億年前的那場宇宙級湮滅之戰，因為我還在這裡寫這篇文章，而你此刻正閱讀這篇文章。你、我、行星、恆星、星系……皆在。這是為什麼？這個問題是現代物理學中最大的懸念之一。

當物質和反物質相遇時，會發生湮滅，所有的能量都會以光子的形式釋放。1968年，物理學家Andrei Sakharov意識到，如果宇宙滿足三個條件，那麼物質和反物質不對稱性就是不可避免的。這三個條件分別是：重子數不守恆、違反C對稱（電荷共軛對稱）和CP對稱（電荷共軛與宇稱聯合對稱性）、以及存在偏離熱平衡的相互作用。| 圖片來源：RealLifeLore/YouTube

解決方案：輕子數不對稱產生機制、電弱重子數產生機制、Affleck-Dine機制、普朗克/大統一重子數產生機制、非對稱暗物質、SMASH模型。

在高能下，三種量子力會統一在一起嗎？

我們知道，自然界中有四種基本力——引力、弱核力、電磁力和強核力——在支配著宇宙萬物。科學家已經在大約100GeV的高能量之下，利用粒子對撞機實驗使電磁力和弱核力統一成「電弱力」。這樣的實驗模擬了宇宙大爆炸後的兆億分之一秒（10-12秒）的環境。那麼，在更高的能量下，比如在在宇宙誕生後的10-36秒的環境下，電弱力能夠與強核力統一在一起嗎？科學家想要知道，數學的對稱群SU(3)、SU(2)和U(1)——它們分別對應於強核力、弱核力和電磁力——是否可以被納入到一個更大的對稱群中？

電磁力、弱核力、強核力能夠在GUT尺度下統一在一起嗎？| 圖片來源：Symmetry Magazine

解決方案：SU(5)、SU(10)、SU(6)、E(6)、E(8)等。

相比於其他三種基本力，為什麼引力要弱的多？

為什麼標準模型中的基本粒子的質量要比普朗克質量小那麼多？這個問題就是所謂的「等級問題」。我們似乎可以說粒子物理學是一個等級森嚴的領域。四種基本力的強度懸殊，由強到弱（即從強核力到引力）形成等級。物理學中的不同質量也形成等級，最頂層的是普朗克質量，最底層的就是真空能量。

從理論上說，標準模型的粒子的質量應當約為普朗克質量，大概在能量1019GeV。但問題是，這比宇宙中已被探測到的質量最大的粒子都要高出17個數量級。特別是希格斯玻色子，它的質量應該非常大，因為它跟如此多的粒子相互作用。

為什麼在電弱（下標ew）統一能量尺度與普朗克（下標pl）能量尺度之間存在高達17個數量級的差別。

而我們現在已經知道，希格斯玻色子的質量只有125GeV，這跟普朗克能量尺度相差十幾個數量級，而不是理論所期待的在同一個等級。因此，我們要問，為什麼粒子的質量是我們現在觀測到的質量，而不是接近普朗克質量？

解決方案：超對稱理論、多重宇宙、大額外維度、Relaxion、小希格斯。

愛因斯坦的引力理論如何與量子力學結合？

物理學家一直希望能夠將四種基本力統一到一個框架中。特別是當我們談及宇宙大爆炸或黑洞奇點的時候就會意識到，廣義相對論和量子力學必須合二為一才能揭開宇宙更深層的秘密。這樣的理論，被稱為量子引力理論。

但至今還沒有人能夠構建一個正確的量子引力理論，其困難之處在於，四種力無法在同一個尺度下運作。特別是引力，目前還沒有能有效描述引力在量子尺度下行為的理論。物理學家雖然已經提出了一些量子引力理論的候選者，但它們都面臨著無法被檢驗的困境。

在宇宙早期的高能之下，四種基本力都可以被統一在一起。| 圖片來源：symmetry magazine

解決方案：弦理論/M理論、圈量子引力、因果動態三角剖分、因果集理論、漸進安全引力。

為什麼強相互作用不違反CP對稱？

試想一下有一個鏡像世界，在那裡所有的一切都與我們這個世界相反。例如太陽會西邊升起，從東邊落下……但基本上沒有任何其它東西會改變，我們只要把左邊和右邊的概念對換一下就會跟我們身處的這個世界沒有任何區別。在這種情景下，我們說宇稱（P）是守恆的。現在，我們繼續試想一下一個由反物質構成的反世界，如果在反世界裡的物理定律與我們這個世界完全一樣，那麼我們說電荷共軛（C）是對稱的。

後來，我們發現在某些情況下，C和P對稱都被破壞了。之後，科學家也找到了在弱相互作用中，CP對稱（物理定律在宇稱和電荷共軛聯合操作下不變）被破壞的證據。現在的問題是，支配弱相互作用的電弱理論（EWT）和支配強相互作用的量子色動力學（QCD）是非常相似的。理論上，CP破壞是可以發生在強相互作用下的，但目前在實驗中我們還沒有發現任何CP破壞的證據。在強相互作用的方程中，有一個角度θ（代表了CP破壞的量）可以取任何值。但是 θ 的值非常小——甚至有可能為零——表明CP對稱有可能在強相互作用中守恆。

QCD的拉格朗日密度。在 θ 不為零的情況下，強相互作用允許CP對稱的破壞。

為什麼CP破壞只發生在弱相互作用，而不發生在強相互作用中？我們還不知道。

解決方案：SMASH模型、Peccei–Quinn理論、Nelson-Barr機制。

為什麼真空的能量密度那麼低？

1917年，為了描述一個靜態的宇宙，愛因斯坦在場方程中引進了一個額外的常數項，稱為宇宙學常數，它提供了抵抗引力的排斥作用。然而，當哈勃發現宇宙正在膨脹的時候，愛因斯坦認為這是他一生中犯的最大的錯誤。而現在看來，這個「錯誤」或許有著更深的含義。

愛因斯坦為了描述靜態的宇宙在場方程中引入了宇宙學常數（Λ）。事實上，宇宙學常數有兩種方式可以出現在場方程中，在左邊時它充當了幾何項，而在右邊時它則充當了真空中的能量密度。

根據量子力學，真空本身會有微小的漲落，這些漲落會產生能量。物理學家認為量子真空能量可以充當宇宙學常數的角色。但是，基於量子力學計算的真空能量的值遠高於實際觀測到的能量密度——高出120個數量級，這個結果被驚嘆為「物理學史上最糟糕的理論預測」。這便是宇宙學常數問題。

解決方案：多重宇宙、循環宇宙。

導致宇宙加速膨脹的幕後推手是什麼？

1998年，兩個獨立的天文小組通過對遙遠的超新星爆發的測量得出了一個驚人的結論：宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹！科學家把造成加速膨脹的幕後推手稱為「暗能量」。但究竟什麼是暗能量？科學家對它的本質一無所知。我們只知道，暗能量佔據了宇宙總質量和能量的68.3%。了解宇宙膨脹得多快非常重要，因為它能幫助我們更好地理解宇宙如何運作、宇宙的最終命運，以及宇宙的構成。

科學家通過超新星、星系團、引力透鏡和重子聲學振蕩來探索宇宙的膨脹歷史。| 圖片來源：Sandbox Studio, Chicago

解決方案：宇宙學常數、標量場、第五種力、修正引力。

為什麼不同方法測量出的哈勃常數值不一致？

測量哈勃常數是宇宙學家最重要的任務之一，對它的精確測量能讓我們知道宇宙究竟膨脹得有多快。然而，在過去五年中，宇宙學家開始意識到，兩種主要的測量方法得到的哈勃常數並不一致！這是很令人意外的，因為這兩種測量方法都已經相當成熟了。這是目前宇宙學所面臨的最大矛盾。

測量哈勃常數(H?)的三種方式：微波背景輻射（H?=67km/s/Mpc）、雙中子星合併（H?=70km/s/Mpc）、宇宙距離階梯（H?=73km/s/Mpc）。雙中子星合併所測量的值恰好在其它兩種方法之間，但由於這只是一次性事件，因此誤差遠大於另外兩種。| 圖片來源：DOI:10.1038/nature24471

解決方案：引力波、新宇宙學模型。

什麼是暗物質？

地球繞著太陽旋轉，它的速度取決於距離、太陽的質量和引力強度。這裡並不需要用到複雜的廣義相對論，只要用牛頓引力就可以計算出。以太陽係為例，離太陽越遠，行星的運動速度越慢。同樣的定律也可以被應用在遙遠的星系團中。在星系團中的單獨星系會繞著共同的質心運動。在1930年代，天文學家弗里茨·茲威基發現在后髮星系團中，外層的星系運動速度遠遠超過了星系團質量所允許的。到了1970年代，薇拉·魯賓在類似銀河系的螺旋星系中發現了同樣的現象，並推斷在星系中應該存在著大量看不見的物質。

雖然我們看不見這些「暗物質」，但是我們可以觀測和測量它的引力效應，它的數量大約是普通物質（比如行星、恆星、氣體等）的5到6倍。在宇宙的138億年的演化過程中，它對星系、星系團和大尺度結構的形成至關重要。但究竟什麼是暗物質？我們並不知道。通過天文觀測，我們可以推測出暗物質不發光、不反射、也不吸收光。

兩個星系團間的碰撞合併成一個更大的星系團。這被認為是暗物質的強有力證據。| 圖片來源：NASA

解決方案：SMASH模型、WIMP、惰性中微子、超對稱理論、卡魯扎-克萊因暗物質、第五種力、修正引力，超流體等。

為什麼中微子有質量？

在宇宙中，有一種叫做中微子的粒子。它們以接近光的速度在空間中傳播，幾乎不與物質發生作用，因此它們也被稱為「幽靈粒子」。中微子共有三種「味」：電子，μ子和τ子。根據標準模型的預測，它們應該是沒有質量的。但是在1998年，物理學家卻意外地發現，中微子在傳播的過程中會從一種」味「轉換成另一種」味「。而這隻有當中微子具有質量才有可能發生。事實上，正是中微子擁有的這微不足道的質量，證明了我們需要一個超越標準模型的理論來解釋它的質量問題。

三種中微子。| 圖片來源：Johan Jamestad

解決方案：SMASH模型、額外維度。

SMASH模型全稱為「Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation，它可以同時解決物理學中的五大難題。| 圖片來源：APS

落入黑洞的信息發生了什麼？

黑洞擁有者無比強大的引力，無論任何東西，只要進入了黑洞的事件視界都無法再逃脫。1970年代的時候，霍金在思考與黑洞相關的問題時發現，如果把量子力學也考慮進來，一切都會發生變化。剛才我們說過，真空中充滿了量子漲落，這意味著粒子和反粒子對會不斷地在真空中出現，並在眨眼之間相互湮滅消失。當這發生在事件視界附近的時候，有一種結局是粒子和反粒子對會被分開，其中一個會落入事件視界內，而另一個則會攜帶些許質量逃離黑洞，使它們永遠不可能相遇並湮滅。這對於遠處的觀測者而言，黑洞就好像是在輻射一樣。輻射會使黑洞失去質量並且變得越來越小，直到黑洞完全蒸發殆盡。

在事件視界邊緣產生的粒子-反粒子對。A：一對光子相互湮滅；B：其中一個光子落入黑洞，另一個逃逸。| 圖片來源：Christoph Adami

現在，讓我們試想一個簡單的思想實驗：將一本書丟進黑洞。書中攜帶著信息，可以是關於物理的，也可以是一本浪漫的愛情小說。但就目前所知，無論是什麼掉進黑洞，釋放出來的霍金輻射都是一樣的。我們無法根據逃離的粒子重建書上的信息。顯然，信息隨著黑洞蒸發會完全丟失。但如果是這樣，它就違反了量子力學的核心原理。

也許你會想，難道信息不會隨著霍金輻射一起出來嗎？問題就在於黑洞內的信息是不能跑出來的，因此唯一的可能就是霍金輻射里複製了書中的信息。這樣就有兩份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞裡面，不過這也違反了量子理論。

黑洞信息丟失悖論的誕生使我們面臨著一個尖銳的矛盾：要麼對量子力學進行修正，允許信息丟失；要麼修正廣義相對論，允許信息從黑洞內部逃逸出來。到目前為止，我們並不知道答案是什麼，或許只有等到量子引力的出現，才能最終解決這個問題。

解決方案：互補原理、全息原理、ADS/CFT對偶、火牆、ER=EPR、軟毛理論。

我們是否無意中控制了所有事情的發生？

在日常生活中，如果我們想知道一個物體的位置，只需要知曉其緯度、經度、和高度即可。但在量子世界中，僅有這三個數字是遠遠不夠的。為了描述一個電子的位置，你需要遍布在整個空間里的無窮多個數字。這種數字的無限集合被稱為「波函數」。用來描述波函數會如何在空間中傳播的方程，叫薛定諤方程。

但是，波函數的確非常奇怪。它為什麼需要這麼多的信息，要動用遍布在整個空間的無窮多個數，來描述一個物體的位置？令人費解的是，當我們真正去尋找電子時，它卻只出現在一個位置上。而當找到電子之後，更奇怪的事情發生了：電子的波函數會暫時停止遵從薛定諤方程。相反的，它會「坍縮」，除了在找到電子的位置，其餘所有無窮個數字都會變為零。

在進行測量後，粒子會坍縮在隨機的一個點上。| 圖片來源：Iceberg Fernandez

所以，究竟什麼是波函數？為什麼它們只在有些時候遵從薛定諤方程？明確地說，為什麼它們只在沒人「看著」的時候遵從薛定諤方程？這些懸而未決的問題在量子物理學的中心戳出了一個洞。最後一個問題尤其「臭名昭著」，還被有賜予了一個特殊的名稱：「測量問題」。 測量問題似乎應該阻礙量子物理學的發展。「觀看」或「測量」究竟是什麼意思？這是否意味著我們是現實的共同製造者？對此，物理學家並沒有統一的看法。

解決方案：多重宇宙。

空間和時間的本質是什麼？

亨利·龐加萊曾經說過：「三維語言看起來比四維更加適合用來描述我們的世界。」在1917年時，物理學家保羅·埃倫費斯特也曾寫過一篇富有啟發性的論文。在文章中他枚舉了許多證據證明三維是描述我們這個世界最完美的維度。如果再加上時間維度，就是我們熟悉的四維時空。但是時空真的只有四維嗎？如果是，為什麼恰好是四維的？一個真正令人滿意的理論應該能夠提供一個合理的解釋。另外，我們也想要解釋為什麼時間只有一個坐標？

還有一個深刻的問題是，時空的起源是什麼？有一些理論推測，或許我們可以從一些更基本的框架中推導出時空。或許時空是從一些更深層次的量子現象中產生的，那麼時空的量子本質是什麼？

Amplituhedron，一種新發現的數學對象，類似於在更高維度中的多面體寶石。它大大簡化了粒子間相互作用的計算，並且向時空是現實世界中的基本成分這一概念發起挑戰。| 圖片來源：Andy Gilmore

解決方案：全息理論、Amplituhedron、量子泡沫。

到目前為止，還沒有任何一個理論能夠作為萬有理論解決所有的問題，這其中也是因為這些候選理論極難被實驗驗證。而即使有一天我們成功的找到了一個萬有理論，它也可能不是終極理論。如果我們能夠從過去在尋求統一的道路中學習到些什麼，那就是每一次把不同理論結合在一起的時候我們都會學到新的東西。這也正是統一能夠給我們帶來最大的驚喜。

本文轉載自公眾號「新原理研究所」

《環球科學》經典專刊回歸

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