终极理论（物理学术语）

爱因斯坦最后的问题

1955年4月17日是星期日，爱因斯坦从普林斯顿医院的病榻上坐起来，开始了他一生的最后一次计算。几个小时以后，20世纪最伟大的科学家去世了。他的床边放着他最后的、也是失败的一项努力，即创造自己的“统一场理论”——对于宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。

当时爱因斯坦寻求这样一项理论已经有30多年，但却没有获得成功。在他去世以后将近半个世纪的今天，他的梦想可能即将成为现实。世界上的一些最杰出的理论物理学家认为，他们瞥见了一项宏大的理论，其涵盖范围甚至远远超出爱因斯坦的想像。

寻根溯源

该理论宏大的称号和更加宏大的目标，掩盖了其在1831年夏季在一个维多利亚女王时代的实验室中的起源。当时在伦敦的皇家学会，伟大的英国物理学家迈克尔·法拉第正在研究电和磁之间的关系。他当时已经知道，电流通过导线产生磁场。他想要知道的是，相反的情况是否也是如此——磁力能够产生电吗?

在一些起步时的失败以后，他获得了成功，制造了有史以来的第一个发电机。在此过程中，法拉第发现了某种具有深远意义的事情——尽管表面现象不同，但是电和磁仅仅是同一个基本现象的不同的方面。

虽然法拉第的试验技能使他得以瞥见这一统一性，但是他缺乏揭示其全部辉煌成果所需的十分重要的智力工具：数学。1861年，苏格兰理论家詹姆斯·麦克斯韦成功地把法拉第的发现转换成数学语言。其成果就是现在著名的麦克斯韦电磁方程组。这些方程阐明了电与磁实质上的统一性。

虽然这是一项杰出的成就，但是它回避了一个明显的问题——宇宙的这种统一性是否包括各种力当中人们所最熟悉的引力呢？这正是爱因斯坦在1915年发表自己完全新颖的引力设想——称为“广义相对论”——以后不久开始应对的挑战。

但是他很快就发现，这一难题比他所想像的要难得多。第一个重大障碍是找到一条把广义相对论、他自己的引力理论和麦克斯韦的方程结合成为一个统一的模式的途径。根据广义相对论，引力是我们周围的空间与时间的物质结构本身扭曲的结果。与此形成对照，麦克斯韦的方程则把电磁力看作一种穿越四维领域流动的“力场”。

1919年，爱因斯坦认识到可以统一这两项截然不同理论的一条重大线索。当时德国数学家卡卢扎证明了有一系列方程能够把这两项理论综合起来，但是只有在宇宙包含一个额外的第五维情况下才能做到。

这种观点的确令人震惊，但是它是否并不仅仅是一种好奇的想法呢？这额外的一维在哪里?1926年，瑞典数学家克莱恩提出了一项答案。他认为，它也许卷曲成太小的形状，以致无法察觉，就像一根头发过于窄小，以致看起来似乎只有一维。

虽然爱因斯坦的直觉使他确信它很重要，但是他无法把卡卢扎和克莱恩的发现转变成自己所寻求的引力和电磁力的统一理论——始终存在尚未解决的零星问题或者滑稽的结果，他还尝试了另外一些方法，但是效果同样欠佳。在爱因斯坦忙于解决自己的统一场理论的同时，人们发现了两种更基本的力——把原子核相互连接起来的所谓的核强力，以及造成放射性的核弱力。更加糟糕的是，这两种力可以用“信使”粒子传导的理论来完美解释——而这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。

然而令人难以置信的是，爱因斯坦对卡卢扎和克莱恩想法的看重最终被证明是正确的——尽管其证明方式就连爱因斯坦自己理解起来也会很吃力。

最后的局外者：引力

理论家们发现，超对称剔除了这些亚原子粒子之间表面上的所有差别，以揭示其基本的统一性。但是他们还发现，它为他们提供了有关万物终极理论的另外一项更加具有深远意义的线索——这一线索暗示怎样才能把大一统场理论的超力与惟一剩下来的局外者引力相统一。

一些理论家当时已经尝试了利用量子场理论让引力参加进来。这些大胆的尝试当中最有希望的全都包括超对称，以及额外的维——恰恰是这一想法在半个世纪以前使爱因斯坦着迷。他们所缺乏的是某种将会把引力与其它的力相统一，而又不会释放出数学“妖魔”的重要成分。这种成分是一种十分大胆的、就连爱因斯坦也不敢想像的东西——超弦。

1984年，加利福尼亚理工学院的约翰·施瓦茨和伦敦大学的迈克尔·格林等理论家的成果使同行震惊，他们宣布能够把引力与其它的力统一起来，而又不会遇到通常的问题。惟一的条件是，粒子不再被看作仅仅是点，而是称为超弦的极小的物体。这些像线一样的物体要比原子核小得多，它们还必须拥有超对称性(因而成为“超弦”)，并且存在于10维之中。

这是一项惊人的断言，促使大批理论家纷纷对超弦进行进一步的研究。虽然只能有一种万物终极理论，但是理论家们提出的超弦理论却足足有5种，而且没有任何明确的方法能够在它们之间做出选择。超弦似乎仅仅是某种更加宏大的东西的一个影子。

力的统一

由于爱因斯坦已赴黄泉，他统一引力与电磁的努力也被扔进了垃圾堆。人们的注意力转向统一电磁力和新近发现的核弱力。20世纪20年代，物理学家们认为自己已经发现了做到这一点的方法，即运用所谓的量子场理论。

根据这一理论，每种基本作用力都有自己特殊的信使粒子。50年代物理学家们开始探索电磁力的携带者(光子)和核弱力的携带者(W粒子)之间的相似之处。查明这些相似之处不是简单的事情——主要由于W粒子与无质量的光子相比，不知要重多少倍。但是到60年代末，三位理论家——美国的温伯格和格拉肖以及英国的萨拉姆——已经独立地制订了理论，表明这两种力实际上仅仅是单独一种电弱力的不同的方面。更加美妙的是，这种统一使得人们预言到一些新的现象，并且有可能通过试验来检验。70年代当这些预言开始得到证实的时候，物理学家们欢欣鼓舞——物理学自一个世纪多以前麦克斯韦取得突破以后又一次成功实现统一。

到此时，哈佛大学的格拉肖已经开始寻找揭示力的基本统一性的其它途径。1973年，他发现了把电磁力、核弱力和核强力统一起来的一个数学公式。它称为“大统一理论”(GUT)，开辟了有关自然界的基本作用力的广阔视野，认为所有这三种力都曾经是一种在大爆炸刚刚结束的时候统治着宇宙的单一的“超力”的一部分。随着宇宙冷却下来，它们分裂开来，从而创造了我们今天所看到的宇宙。

这一理论再一次做出了预言，但是这回对这些预言加以证实是比较困难的。理论家们于70年代初发现的“超对称”是一项把构成物质的粒子——譬如电子和质子——与携带着力的粒子——譬如光子——统一起来的数学特性。

霍金放弃“终极理论”

著名物理学家、英国剑桥大学教授霍金宣称放弃对“终极理论”的追求，过去他认为人们很快就能找到一个至少能在原则上描述、预测宇宙中所有事物的终极“万有理论”，而他认为，人们永远都获得不了这样的理论。霍金这一最新论断在科学界引起不小震动，可以说仁者见仁，智者见智，科技日报对此也有文章进行过报道。本文将探寻霍金放弃终极理论的原因。

是终级的起点

还是终极的完成

终极理论这个概念包含有两个相反的含义：

一个含义是：理论的“起点”达到终极。例如：《几何学》是从“点”概念开始，推导出“线”、“面”“体”等，直至推导出几何学全部学科体系，“点”就是这门学科达到终极的“起点”。相对几何学这门学科，这就是“终极起点”的“终极理论”概念。

另一个含义是：终极地“完成理论”。理论已把所有问题都解决，没有不可证明的问题，如霍金放弃的“终极万有理论”，这是“终极完成”式的“终极理论”概念。

绝大多数科学家追求的“终极理论”都是指“终极的起点”。因为宇宙之大，未知无尽，不可能有“完成的理论”。牛顿曾经说过：“自然哲学的任务，是从现象中求论证，从结果中求原因，直到我们求得最初的原因为止。”

温伯格说：“终极理论只能在一个意义上说是终极———它把某一种科学探索引向终点：那是一种古老的探索，探索那些不可能有更深层原理来解释的原理。”这个“不可能有更深层原理来解释的原理”就是“起点”。

霍金过去也是追求“终极的起点”，他曾宣称：存在一种可以把所有自然规律都以一个单一的、优美的数学模型表示出来的“终极理论”，也许简洁到在一件T恤衫上就能打印出来。

霍金又放弃了这一追求，理由是“一个物理理论乃是一个数学模型。因此如果有数学命题不能证明的话，那就有物理问题不能预测……我很高兴我们寻求知识的努力永远没有终点，我们始终都有获得新发现的挑战。”这反映出霍金追求的目标从“终极的起点”转向了“终极的完成”。

霍金对“终极理论”的理念上产生反转，使他自己陷入自相矛盾之中，最终滑向不可能实现的“终极完成”式的“终极理论”。

时间与空间

是相联还是撕裂

牛顿认为定律不是孤立的，所有定律之间都有因果关系，因此只要找出一个核心定律（最初因），就能从它推导出所有定律。第一层先推导出数个外围定律；第二层，每个外围定律又推导出数个定律；第三层，第四层……最后就把所有实验定律一一推导出来，而实验定律又可以推导出宇宙万物。这就是牛顿的终极理论，也是爱因斯坦“用单纯的演绎方法”建立世界体系的构想。

这里内层定律是“原因”，被推导出来的外层定律是“结果”，定律之间是因果相连。实际上科学并不是从核心开始的，而是从外层的实验向内层核心寻找。通过实验可以找出实验定律，但是再向内层找定律，就无法采用实验方法，只能从实验定律（结果）向内层找它的根定律（原因），这就是牛顿的“从结果中求原因”。这是反向推理求根的过程：数个实验定律归根于一个第三层定律，数个第三层定律又归根于一个第二层定律，直到最后全部回归到核心定律（最初因），这就是“直到我们求得最初的原因为止”。从最初因开始推理所以称“起点”；推理过程称“演绎”。

在他的终极理论构想中，各种定律从核心定律向外一层一层推理，各种定律分别在不同层次上。

而霍金及许多科学家要把不同层次的定律合成一组数学式，这显然是办不到的，不同层次的问题根本不可能合在一起。“核心定律”向外像树那样一枝又一枝分出支节，当分解到物理定律时，已变的千差万别，毫不相连，这就导致定律无法在下层直接合并。如：量子化定律与引力定律是二个分支无法直接合并，然而霍金却要把这两个定律直接合并，建立“量子—引力”理论。

霍金认为终极理论最大的困难是无法将万有引力与另外三种力合并，其实根本不必合并，因为按照牛顿方法只要沿着分支找主干，就能将所有分支定律统一。

霍金是直接把定律合并，而牛顿是把定律因果排序找最初因。这是两种完全不同的方法，反映了二者终极理论构造不同。

宇宙主体构架是量子化结构（不连续的量子世界），构件之间采用“连续的”过度（相对论及牛顿世界）；相对论及牛顿的“时间”与“空间”相联，是“确定性”状态，当“时间”与“空间”撕裂，是“非确定性”状态；而在“撕裂”状态下又产生两个极端，量子力学（微观世界）及天文学（宏观世界）。“决定论”是“时间”与“空间”相联的结果，“非决定论”是由于“时间”与“空间”撕裂导致。由于不清楚它们之间的因果关系，霍金被迫放弃终极理论。

物理学家已经弄清楚的宇宙基本粒子包括电子、中子、夸克等等，是构成物质的基础。它们都没有下层粒子。弦理论则推翻了这种说法。根据弦理论，如果可以通过更精确的手段来检测这些粒子，会发现它们不是一个点状体，而是一个细小的一维圆环。每个粒子包含一个振荡的细丝，就象一个无限细的橡皮圈，物理学家称之为弦。

虽然没有办法观察到弦的存在，但用弦理论来代替点状粒子理论可以有效地解决量子理论和广义相对论之间的不相容性（按推导，两种理论不能同时成立）。弦理论解开了本世纪物理学家们的戈耳迪之结。这是一个巨大的成就，但这只是弦理论引人注目的原因之一。

梦想王国

在爱因斯坦时代，强力和弱力还没有被发现，但他发现了引力和电磁力这两种完全不同的力的存在，这使他很困惑。爱因斯坦无法接受自然界建立在这种多余的设计的基础上。这使他开始了30年的艰苦研究，来建立一种统一力场理论，希望能找到一种更高级的原理来包容这两种力。这种堂吉诃德式的追求真理的方式，使爱因斯坦与主流物理学相隔绝，而当时主流物理学所热衷于研究的是刚刚兴起的量子理论。1940年他在给朋友的信里写道，“我成了一个孤独的老家伙，大家所知道的只是我常常不穿袜子，看起来象个古董。”

爱因斯坦完全超越了他的时代。半个多世纪以后，他的统一力场理论的梦想成了现代物理学界的圣杯。很大一部分的物理学界和数学界的人士越来越相信，弦理论可能是这个问题的真正答案。通过这种单一的理论－所有事物在其最微观的层面上都是由振动的弦联结而成－弦理论提供了一种包容所有力和物质的架构，可以合理地解释一切。

例如，弦理论认为现存粒子的性质－与四种自然存在的力（强力和弱力、电磁力和引力）相关联的基本粒子和力场粒子具有不同的质量和其它性质－可以解释为弦的不同振动方式。如同小提琴或钢琴上的弦一样，它们以一种特有的共振频率进行振动，弦的圆环的这种振动方式产生的效果就象人的耳朵可以听到不同的音符。而每种粒子的质量和力场可以通过弦的振动方式来测定，这比制造音符还方便。电子是某种振动方式的弦，上夸克则是另一种振动方式的弦，依此类推。

实验数据还远远不够，弦理论中粒子的所有属性都可以由一种唯一的物理特征来体现：基本弦圆环的共振方式，就象音乐。这种理论在自然力场上同样适用。力场粒子也是和某种特定的弦振动方式相关联，以此类推，所有的事物－物质和力都在微观层面由弦振动的理论统一起来，就如同琴弦弹奏出不同的“音符”。

终结所有理论的理论

在物理学的历史上，我们第一次建立起了一种可以解释所有构成宇宙的基本物理学特征的理论框架。因为这个原因，弦理论常常被描述成“万能理论”或者“终极”、“最终”理论。这种夸张的词汇是为了突出这个最高层次的物理学理论－一种存在于所有理论之中，不需要也无法进行更进一步解释的理论。

实际上，许多弦理论学家采用的是更现实的方法，他们只是把“万能理论”当作一种有限的理论，用来解释基本粒子和它们之间的相互作用力的属性。简化主义者则称这种理论根本没有界限，原则上可以应用于万事万物，从大爆炸到白日梦，所有一切都可以用物质基本成分之间的微观物理学过程来描述。简化主义者认为，如果你知道了所有物质的内部成分，那你就了解了一切。

简化主义者的观点引起了激烈的急论。许多人认为这是荒唐可笑的，美好的生命和宇宙竟然只是一些完全按照物理学规律跳着毫无意义的舞蹈的微观粒子。难道所有的感情比如高兴、悲伤、厌烦只是大脑中的化学反应－分子和原子之间的反应，从更微观的层次来说，是一些基本粒子间的反应，而这些基本粒子只是一些振动的弦？

为了回应这种批评，诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格在《终极理论之梦》中警告说：

在频谱的另一端是简化主义的反对者，他们对现代科学的缺乏温情感到惊惶失措。他们和他们的世界可以最终被简化为粒子或场及它们之间的相互作用，这使他们受到很大的打击。我不会回应这种批评，不会去宣扬现代科学的美丽。简化主义者的世界观是冷漠而非人的。我们必须接受这种东西并不是因为我们喜欢它，而是因为世界确实是按这种方式在运行。

有些人赞同这种没有人情味的理论，有些人则不赞同。

其他人试图用一些新的理论来驳斥，比如浑沌理论，它告诉我们当系统的复杂程度增加时，许多新的规律会开始发生作用。理解电子和夸克的行为是一回事，用这种知识来理解龙卷风的行为则完全是另一回事。大部分人同意这种观点。但两种观点的分歧在于，在整个系统中多样性以及常常发生的未预料事件比单个粒子复杂，是否真的说明有新的物理规律在起作用，或者说，是否所有的规律都起源于并依赖于－尽管通过非常复杂的方式－控制着无数基本成分的物理理论。我自己的感觉是它们并不代表新的独立的物理学理论。虽然很难用粒子和夸克的物理学理论来解释龙卷风的特性，但我认为这只是计算上的困难，而不需要提出新的物理规律。有些人对这种观点也不赞同。

科学的新起点

即使有人接受这种简化主义的逻辑，但理论上是一回事，现实却是另一回事。几乎每个人都同意，即使找到了“万能理论”也不表示心理学、生物学、地理学、化学甚至物理学的问题都可以解决或者可以相互包容。宇宙是如此丰富多彩而又复杂多变，终极理论的发现也并不代表科学的终结。

恰恰相反，发现“万能理论”－宇宙最微观层次上的最终解释，在其上不存在更高层次的理论－将为我们提供理解世界万物的最坚实的基础。这个发现标志着一个新的开端，而非终结。终极理论将树立起一个不可动摇的支柱，让我们可以永远地理解宇宙。

M终极理论

1995年，普林斯顿大学高级研究所的超弦理论家维顿提出了关于万物终极理论的第一项观点，或许这就是万物终极理论。^[1]

他称之为M理论。一些理论家争论说，“M”代表“母亲”、“神秘的”，甚至“魔术”，但是如果它代表“膜”，则它与超弦之间的联系就最为明确。这样一来，这5种超弦理论就仅仅成为11维的膜的多维的“边缘”而已。这11维当中除了4维以外全都卷曲得很小，以致我们无法看到。

今天，M理论仍然最有可能成为爱因斯坦所追求的目标，此外，它所提供的一项统一的描述不仅包括电磁力和引力，而且还包括其它基本作用力，以及这些力施以作用的所有粒子。

甚至M理论最终也可能会被证明缺乏回答所有这些问题所必需的威力。但是最起码，它使我们获得了对宇宙以及其中万物的基本统一性的叹为观止的一瞥。

《终极理论之梦》

《终极理论之梦》（DreamsofaFinalTheory）是著名物理学家、诺贝尔奖金获得者温伯格博士面向大众撰写的一部力作。该书原著出版于上个世纪90年代之初，其时正值后现代主义对科学发起猛烈攻击、超导超级对撞机计划行将下马之际。在此情形下，温伯格博士愤然而起，利用其敏锐的思想、清晰的思路和流彩的行文，为终极理论的追求进行了大力的辩护。在这部著作中，作者不仅表述了自己对于终极理论的构想，同时还就与此相关的哲学、历史和神学问题阐明了自己的立场。