走向統一理論

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自古以來，人們一直在問，物質是由什麼組成的，宇宙由什麼構成，又是怎樣起源的，生命因何而存在，我們從哪裡來，又要到哪裡去。在上帝粒子——希格斯粒子發現之後，標準模型逐漸得到了實驗驗證。儘管超對稱理論等新物理的研究一直火熱，但是目前尚無定論。而目前唯一未知的基本粒子就是引力子。我們知道，標準模型是由量子場論描述的，而廣義相對論則是經典理論。廣義相對論方程左邊是時空的彎曲，右邊則是物質的分布，而其真空解為引力波。2016年引力波的直接探測是對愛因斯坦的廣義相對論的直接驗證，也催促我們尋找引力子，研究量子引力理論，尋找統一理論。在本文中，小編並不准備全面介紹統一理論的研究，而是在某幾個方面進行簡單介紹。

說起統一場論，我們馬上會聯想到愛因斯坦。這位理論物理的巨人，在普林斯頓大學的主要研究目標就是建立統一場論，他也將自己的幾乎一半的生命奉獻給了這個遙不可及的夢想。如今，統一理論已經成了理論物理學家的聖杯。在上世紀60年代格拉肖、溫柏格、薩拉姆三位科學家提出弱電統一理論，將弱相互作用和電磁相互作用統一在一個理論框架之內。隨後，強相互作用也被納入到其中，建立了大統一理論。但是引力相互作用仍然在其外徘徊。頗具諷刺意味的是，儘管牛頓萬有引力是人類最早發現的基本作用力，到現在已經300多年，但是人類對於引力的認識仍十分膚淺。到了1916年，愛因斯坦建立廣義相對論，人類對於引力的認識有了非常大的進步。但是目前人類對於所生存的時空到底是彎曲的還是平坦的仍在爭論中。引力如何量子化，是否應該量子化仍在討論中。

究竟什麼時候我們能建立一個超越愛因斯坦引力理論？諾貝爾物理學獎得主喬治·斯穆特2016年寫的一篇文章《General Relativity and Cosmology: Unsolved Questions and Future Directions》中簡單總結了人們的觀點，從牛頓萬有引力到愛因斯坦廣義相對論花了200多年的時間，愛因斯坦廣義相對論到現在已經100多年了。悲觀的觀點認為，現在還沒到正確的時候；樂觀的觀點則認為，是時候建立超越愛因斯坦廣義相對論的理論的時候了。

這其中，比較有名的是弦論。普林斯頓大學的愛德華·威騰是研究弦論的巨星，是唯一一位以物理學家身份獲得菲爾茲獎的人，他在1995年提出的M理論天下聞名，能夠利用對偶（Duality）將五種弦論聯繫起來（對偶即數學上的等價性）。對偶是目前研究的熱點，例如規範理論之間的對偶等。廣義來說，科學家研究對偶已經很久了，電和磁的類比研究可以看做是「遠古時代」的對偶理論，當然這是同一種基本作用力的不同表示。

「Dual」一詞翻譯成對偶是一個非常好的翻譯，因為這個不僅是音譯還是意譯。如果你學過群論的話，可以用群的同態或同構關係來理解對偶。如果沒學過，那就用全等三角形和相似三角形來理解對偶。也就是說，物理意義不同的系統，其物理量以及其之間的關係，可以用某種方式對應起來。由此就可以通過研究比較好研究的能夠嚴格求解的系統，來間接研究另一個系統。

20年前馬爾德西納提出了AdS-CFT對偶（引力理論與規範理論的對偶，即將AdS時空中的一個引力理論和其邊界的無引力的量子場論等價起來，在AdS時空中，一切信息都包含在邊界上，邊界上的量子糾纏與全息理論十分類似），而近年科學家們對於全息理論的研究為這一思想注入了新的活力。惠勒曾經說過，大千來自比特（一切都是信息），引力理論與規範理論的對偶似乎就在暗示我們這句話的正確性，即信息儲存在量子糾纏中。這篇論文已經被引用約800次。當然，它目前已經可以看做一個新的學科，其分支里還有ER=EPR等有趣的理論。

2017年8月，著名理論物理學家薩斯坎德提出了一個醞釀已久的猜想，即GR=QM，也就是廣義相對論=量子力學。當然他不是拍腦門一想就發布新的理論，而是早有了多年的研究。今年年初，他又用類似的文體在預印本上面發表了幾篇文章，繼續闡述他的瘋狂的猜想。