愛因斯坦臨終前一道題（愛因斯坦）

2023-04-26 08:32:33 3

編註：這篇文章並不是詳細介紹某一理論學說的，它只是在有限的內容裡，儘可能地梳理為何科學研究會從廣義相對論一直走到超弦理論。以及為何當時科學家們要如此去開展相關研究。文章用詞儘量簡單化，但是很多專業詞如果不是很理解，沒有關係的，大膽讀下去即可，以後有時間再去細細研究即可。最後，祝你好運！

麥克斯韋毋庸置疑是偉大的，普朗克也毋庸置疑是偉大的，而愛因斯坦更是公認的偉大。但是，偉人們在給我描繪美好圖景的同時，也會讓我們看到美中不足。

愛因斯坦在他晚年時，一直努力嘗試將廣義相對論和量子力學進行統一，但可惜的是，直到他去世時也沒能得到一個結果！

測不準原理

為何愛因斯坦要將廣義相對論和量子力學進行統一呢？在當時，愛因斯坦的廣義相對論可謂是一門精緻的不能再精緻的理論。

它在解釋大型天體等各種宏觀宇宙現象時精準性可謂是無一例外。但是，就在這時，量子力學研究裡傳來了「測不準原理」的消息。

什麼叫測不準？要知道，如果我們向空中拋出一個物體，物體將會在空中做拋物線運動。在拋物線的各個時間點上，我都只要獲得足夠的參數，我們就可以測的物體的運動位置和運動速度，也就是說物體在空中的運動軌跡是可以預測的。

愛因斯坦

上帝擲骰子嗎？

何為經典物理？即時間是個單一不變的量，物體的行為都只有一種歷史模式。而量子力學卻認為粒子的行為可以有無數個歷史模型。

換句話說，經典物理認為，物體運動的每個時刻都只有一種路徑選擇，而在量子力學中，粒子運動的每個時刻卻可以隨機有無數種選擇。

換句話說，量子力學認為，微觀粒子的路徑運動是隨機的，不可預測的，就好比擲骰子一樣。這也是為什麼愛因斯坦在駁斥量子力學時說了一句「上帝是不會擲骰子的！」的原因。

但是，這句話卻並沒有給愛因斯坦帶來足夠證據，反而讓其成為反面典型一直在流傳。因為很多科學家都認為上帝是擲骰子的。

顯然在解釋測不準原理，量子力學可以解釋的非常說的通。但是量子力學也有著它自身的局限，比如量子力學無法去解釋廣義相對論下的引力的本質。

在廣義相對論中，愛因斯坦將引力的本質刻畫成扭曲的空間下的不同勢能。

扭曲的時空

愛因斯坦認為，我們的宇宙空間就像一張平鋪的魚網，而天體就想一顆顆有重量的鐵球，如果誰的質量大，那麼它將在魚網中下陷的越深，也就是對鐵球周圍的空間的扭曲成都越大。而萬有引力就是這些扭曲空間下不同的類重力勢能。

顯然，在解釋萬有引力上，量子力學是乏力的。

於是有意思的現象出現了，同一個宇宙，居然需要用兩套看似完全不同的理論進行單獨解釋。我們很難去相信，宇宙的宏觀面和微觀面居然不是同一種事物。也正是在這種背景下，愛因斯坦嘗試將二者進行統一的，只不過天妒英才，他走的太早！

既是波，也是粒子

量子場論

於是重擔，自然也要順延給後來者。

所以，從上世紀中期一直到現在，現代物理都在努力解決這個分歧。

科學家瘋狂地對宏觀世界進行量子化理論研究，於是誕生了著名的量子場論。

我們知道，場是一種波，無論是廣義相對論還是電磁學都是場論，而量子論下的世界是粒子，這種完全看似矛盾的現象，但是卻真實的發生在同一個宇宙身上。

我們知道，自然界中存在四種基本力：

1、引力：萬有引力，簡稱引力，引力發生在任何兩個物體之間，引力雖然很小，但是作用範圍卻極遠。

2、電磁力：電荷之間的相互吸引力，相同電荷相互排斥，相異電荷相互吸引。

3、強核力：簡稱強力，將原子核內質子和中子束縛在一起的力，此外，還包括束縛質子和中子自身的力。

4、弱核力：簡稱弱力，是原子核發生裂變和聚變時產生的力，是可以改變粒子但不致使原子核發生崩解的力。

力這種概念，是場論，如果能將上述中的4種基本力都能用量子論來表述，那宏觀世界的量子化就得到成功，現代物理將完全擺脫經典物理對它的限制，自然我們也會有了一個統一的理論，該種理論可以同時解釋宏觀世界和微觀世界。

天才：費曼

電磁力的量子化過程

於是，第一個量子化過程開始了，它是電磁力。

在1940年，物理學家費曼（這個人真是一位天才！）和一些科學家將電磁力的作用機制描述為微觀粒子間類似相互傳球的過程。

費曼認為，場其實就是一種粒子，這種粒子叫做玻色子，電子之間力的作用就是玻色子在電子之間相互跳躍帶來動量（產生力）並同時被吸收的過程，而電子等這類物質被稱為費米子。

在這個解釋中，力這種場被完美的粒子化，於是在接下來的若干年的實驗中，費恩曼準確的預言了一系列現象，這使得費曼家喻戶曉，而費曼創造的理論還有一個非常好聽的名字：量子電動力學（QED）！

如果故事到這就結束了，那一切該多好，但是宇宙是非常有意思的，在你以為一切都已經非常完美的時候，他就得讓你明白你的想法其實只是一種偏見。

QED雖然解釋了一系列現象，但是它還是很難處理數學上的問題，即使費曼創造性的發明了費曼圖，這也仍然難以解釋無數歷史模型下的電子在玻色子交換過程中產生的無窮大問題。

在這種情況的推導下，電子的電荷和質量居然會出現無窮大的情況，這顯然是與實際不符的！於是，QED被迫進行重正化。

所謂重正化，實際上就是在無窮大的結果中減去一個無窮小的量，並得出一個多餘的常量，這個常量就是電子的質量和電荷。

幸運的是，人們成功的進行了重正化。重正化雖然解決了無窮大的問題，但是在數學上卻給人無限質疑，因為在這個過程中，電子的質量和電荷幾乎可以是任何數值。

不過，總體而言，這種重正化還算是成功的，換句話說，電磁力的量子化基本完成。

強力、弱力的量子化過程

於是，在接下來的幾十年中，科學家們進行了對強力、弱力的量子化過程，結果也可以算是成功。尤其是在對弱力的量子化過程中，弱力被很好地進行了解釋和預言，而它的研究者薩拉姆和溫伯格也成功問鼎諾貝爾獎。

問題關鍵：引力的量子化過程

如果說前3種力的量子化過程算是艱難，那比起引力的量子過程簡直是小巫見大巫！

由於量子論中存在「測不準」原理，如果將場的數量值、變化速率與粒子的位置、速度對應起來的話，我們就會發現，場的數量值和變化速率中的任何一個變量被測的越準確，則另一個變量就會變得越不準確，這對於研究簡直就是一種災難！

但是在這個嘗試過程中，人們發現一個結論：宇宙不存在真正意義上的真空！

因為真空就意味著場的大小和它的變化速率二者都恰好為零，但是由於測不準原理，宇宙不允許場的大小和它的變化速率二者都是精確的，所以宇宙空間不存在絕對的真空。

但是，它可以有一種最小能量狀態，我們姑且稱其為真空。

但是這種真空是在量子擾動或真空波動的範疇內的，換句話說，粒子和場在存在與不存在之間來迴轉換。我們可以把真空波動想像為幾對粒子，它們在某時刻一起出現，然後分開，最後彼此湮滅。

費曼，把他們的這種關係稱為閉環！這些粒子被稱為虛粒子，與我們世界的真實粒子相對應，可喜的是，這些虛粒子已經被實驗所捕捉到了。

但問題是，這些虛粒子也具有能量，並且數量無限多，自然能量也無限多。

於是，無窮大的問題再一次出現在這個過程中，此時除非能夠進行重正化，否則引力量子化進程又會陷入困境。

但是後來證實，重正化根本無法進行，因為廣義相對論中不存在足夠多的可重正化參數。在這種情況下，如果此理論還要被看作是合理的話，它只有一條路可走，即把所有的無窮化從理論中剔除。

弦論：粒子由振動的能量弦構成

弦論的「超引力」

1976年人們發現一個可能解決這個問題的方案。它被稱為「超引力」，其中的「超」不是說這種理論超級厲害，也不是一種特地附加的前綴，「超」指的是對稱性。

我們知道，如果一個系統的性質在某種特定變換下，它能保持不變，那麼它就具有對稱性。舉例而言，天空中的正方體，我們將正方體進行180度的反轉，結果發現正方體在性質上和沒有反轉前一樣，這就是對稱性。

超對稱性，指的是一種更加微妙的對稱，它可以不受空間變換的影響。在超對稱被提出的過程中，人們發現，力粒子和物質粒子（也就是力和物質本身），事實上是同一事物的兩面。

這就意味著，每個物質粒子，比如電子、夸克應該具有與其相配的粒子。這就使得解決無窮化成為一種可能。

「超對稱」概念的建立，就來源於弦理論。

根據弦理論，粒子不是點，而是具有長度但沒有高度和寬度的振動能量線。

弦論也導致無窮，但是人們認為在其正確的版本中，所有的無窮都會被取消。

除此以外，弦論還有一個非常亮眼的特徵：弦論要保持連貫的話，他必須擁有10到11個維度。

這是一個令人震驚的結果！我們知道目前可感知到的維度只有4維，假如它正確，那其他的維度去哪了，為什麼我們覺察不到。

對此，弦論認為，在宇宙大爆炸的過程中，前四維度隨著空間、物質、能量一起突破了原先很小的尺度範圍，而其他維度則繼續被捲曲在原來那個微小尺度內。

霍金在電影《萬物理論》宣傳會上

萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！

但是弦論對於這些額外維度的捲曲方式似乎沒有得到統一，目前至少存在五種弦論學說以及數百萬種捲曲方式。

這種情況對於相信弦論的人來說是很尷尬的，但是，到了1994年，人們開始發現不同的弦論以及額外維度的不同捲曲方式，其實就是描述四維時空中的同一現象的不同方法。

現在，弦論學家，已經確信五種不同的弦論僅僅是一個更基本理論的不同近似。

而這個更為基本的理論稱為M理論，M理論可以認為是超弦理論的更高級版本，M代表什麼，有很多種說法，但不得不提M理論有另一個名稱，膜理論。

但是命名M的威頓自己說，他沒有按「膜」的英文大寫字母M來解釋它，他原本提倡這種理論叫M理論，其實M是Mother的意思，意思就是所有宇宙事物的母親，萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！

宇宙？粒子？

總結

從這一路走來，一路艱辛相伴。萬物理論的前提假設，只是人們傾向的認為，統一的事物應該可以用一種理論來描述。

但是，這是否真的正確？這真是一個值得爭論的問題。

但是，為什麼一路走來，很多弦論科學家在猶豫之後，還一直堅持了下來呢？

堅持對於科學家是需要膽量和勇氣的！

我想，一方面是因為他們在4種力的量子化過程中看到了世界的統一性，而且各種跡象也傾向地表明了這種思想的正確性。

但是，世界就是世界，他不會為了人類而改變自己。在這種前提下，我們只能去認識更多，發現更多。

但是，我們始終傾向認為，宇宙的本源應是一種無比簡單純粹的規律法則，只是我們還沒發現而已，而萬物理論絕對是對此進行衝擊的一次偉大嘗試！

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作者:蚊子與茶杯

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