物理學界，統一路在何方？

談到物理學史的時候，我們常常說到20世紀初物理學天空中的兩朵烏雲，一朵發展為量子力學，一朵發展成了相對論。一百多年來，這兩個理論分別在理論物理學中的兩個極端：微觀世界和宇觀世界中叱吒風雲。然而，當它們碰到一起的時候，卻顯得水火不相容，似乎弄得物理學家們啞口無言，手腳無措。

歷史總是呈現某種螺旋式的循環。有時候，事情轉來轉去又回到看起來是非常古老的問題。如今我們碰到的問題是：世界是由什麼構成的？100多年前，人們就相信所有的物質都是由原子組成的，但那時候對原子結構的細節卻還知道很少，直到1911年盧瑟福提出原子的行星模型，才使得人們能夠在腦海中對原子勾畫出一個具體直觀的圖像。而這五、六十年來粒子物理的發展，使我們了解到更深層的物質結構。

粒子物理的標準模型告訴我們，我們能觀察到的所有一切物質，包括地球、太陽、星星，都是由12種基本粒子組成的，其中包括6種夸克和6種輕子，可以將它們分成4個家族。

然而，近年來宇宙學的長足進展，給理論物理學提出了許多新問題。特別是宇宙學家們對宇宙物質成分絕大部分是暗物質和暗能量的新看法，完全是標準模型未曾預料到的。物理學家們好像又回到了100多年之前的困惑，不過這次面對的不是原子，而是暗物質和暗能量。這些奇怪的「暗貨」，構成宇宙96%的成分，主宰了宇宙的動力學，關係著宇宙的過去和未來。物理學家接受它們的存在，卻不知道它們到底是什麼。

科學的規律永遠如此，任何時候都有數不清的疑問和困惑。正如人們所說的：疑問和困惑才能啟發靈感，危機就是轉機和生機。或許，暗物質和暗能量就是新時代天空中的兩片烏雲，它們有可能引發物理理論新的革命。當感覺「山窮水盡疑無路」時，才有可能迎來「柳暗花明又一村」的景象。

也有學者認為，相對論和量子理論本來就只是20世紀尚未完成的物理學革命的第一步。從這兩個理論的研究繼而提出的「引力量子」統一理論才是21世紀物理學中真正的難題。只有徹底解決這個問題，才能解決宇宙學中的暗物質和暗能量等等問題。這似乎又有些類似於愛因斯坦後半生所追求的統一之夢，當然，此夢非彼夢，時間已經過去了大半個世紀，無論是在基礎物理學的理論方面，還是在宇宙學天文學的實驗觀測方面，都有了許多愛因斯坦無從預料的進展和結果。

不過，追求統一理論的願望是一致的。也許這是一個只能無限逼近，但卻永不可及的遙遠目標，是上帝精心策劃的造物秘密之一，它讓物理學家們前仆後繼，孜孜以求，永不放棄，追尋那個渺茫又美麗的夢。不過，物理學家們心甘情願，義不容辭，因為他們從尋夢中滿足了自我，得到了無窮的樂趣。

物理學家們企圖從不同的途徑來邁向大統一之路，有的人從量子理論開始，想將相對論包括進來，這條路發展出了弦論；有的從廣義相對論出發，企圖將經典引力理論量子化，然後再修正量子理論；有的人則傾向於乾脆放棄原來的兩個理論，另闢捷徑。這多條道路有時分道揚鑣，有時又會聚在一起。無論走哪一條路，起碼的要求是既要考慮愛因斯坦理論中 「新穎的時空觀」，也得兼顧量子論中的「奇談怪論」，需要既是物質的理論，又是時空的理論；既能詮釋微觀粒子的運動，又能解釋宇宙演化的歷史；能夠包羅各種理論，解釋所有實驗結果，這是一個艱巨的任務。

前進的方向很多，曙光也許就在前方。何時才能到達勝利的彼岸呢，取決於年輕一代科學家的加入和努力。

來源

書名：上帝如何設計世界：愛因斯坦的困惑

作者：張天蓉

出版：清華大學出版社

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