当代物理的理论与实验之辩

在上一篇文章《跟打算报考物理系的同学聊一聊当今物理形势》里我跟大家聊了这么一个事：近代物理是理论和实验相互促进相互发展的，更新的理论能够带来更精密的仪器，而更精密的仪器和巧妙的实验反过来又可以去验证更深层的理论。但是，这个实验本身是受限于时代的，因此科学理论本身就具有一定的时代局限性。

麦克斯韦在1865年预测了电磁波，赫兹在1887-1888年验证了电磁波，这中间经过了20多年；爱因斯坦在1916年根据广义相对论预言了引力波，但是这个引力波一直到2016年，也就是不多不少，刚好整整100年之后才被LIGO探测器发现。

这是一个很直观的例子，电磁波和引力波分别是麦克斯韦方程组和广义相对论的预言了最为精华的部分。但是，麦克斯韦预言电磁波之后，23年之内赫兹就发现了电磁波，35年之内马可尼和特斯拉就利用电磁波发明了无线电，从此人类进入了无线电时代，通讯方式发生了翻天覆地的改变。而引力波预言之后的100年人类才勉强依靠最先进的仪器发现引力波，要利用引力波，把引力波变成宇宙间的通讯方式还不知道要过多久。

没错，这些正在告诉我们一个无可辩驳的事实：当代物理学的理论研究已经远远超过了现在的实验水平。

理论的统一之路

我们再来简单的回顾一下物理学理论的发展：首先是牛顿统一了天上和地上的力，然后麦克斯韦统一了电、磁、光，接着爱因斯坦统一了电磁学和经典力学之间的矛盾，并且升级了引力的理论到广义相对论。爱因斯坦在统一电磁力和引力的道路上绞尽脑汁但是没有找到方法，而此时又出现了强力和弱力。杨振宁沿着爱因斯坦的路继续探索，提出了非常重要的非阿贝尔规范场（又叫杨-米尔斯场），此后经过许多物理学的通力合作，终于成功的把电磁力、弱力和强力都统一在杨-米尔斯场里了。

如果说物理学走到这里，理论和实验起码还算旗鼓相当，理论能够根据实验去做模型的修改，实验也还能勉强验证新理论是否正确。但是接下来的发展，理论就开始一路狂飙，把实验甩得影子也没有了，实验在后面冷冷的看着：你跑啊，你跑啊，没有我实验的支撑，我看你的理论要飙到哪里去！

20世纪物理学爆发了相对论和量子革命，但是量子力学和相对论在深层却是不相容的，但是二者分别在各自的领域（相对论在宏观，量子力学在微观）表现得非常完美，因此，一定有一个更加深刻的理论能够统一协调相对论和量子力学，让相对论和量子力学只是这个理论分别在宏观和微观的不同表现。所以，统一量子力学和相对论，统一引力和其他的力就成了理论物理的一个重点。

孤独的爱因斯坦

但是这个事在20世纪上半页却不是什么主流，只有爱因斯坦一直孜孜不倦的朝这个目标挺近，但是他也失败了，他无法统一各种力，也无法调和相对论和量子力学。爱因斯坦也因为这种工作一直被主流物体学家不理解，他们认为爱因斯坦在浪费时间，浪费自己的智力，甚至到有许多人说：爱因斯坦后期跟牛顿后期一样，都对物理学没什么贡献，甚至说即便没有爱因斯坦的后30年，物理学也不会有什么变化！

无知刻薄到何种程度才会说出这样的话啊！我一直不相信这种话是科学家说的，这非常像一些卫斗士的口吻。

上篇文章我说了，牛顿后期不搞物理是真的因为那个时代的物理已经没什么好研究了的，牛顿把那个时代能研究的都研究完了，所以他后期去搞炼金。爱因斯坦选择的统一场道路是一条最为艰辛的路，能看到成功的希望非常渺茫，用爱因斯坦自己的话说：反正他现在已经功成名就了，所以即便在统一场论里研究不出什么东西来，他也不会有什么大的损失，但是一些年轻的物理学家却可能因此断送自己的前程，所以这种事在别人看来“吃力不讨好”的事情更应该我爱因斯坦来做了。

爱因斯坦在当时是绝对的科学巨星，超级偶像，所以爱因斯坦的行为也感召了一些物理学家，其中就包括了外尔和当时同在普林斯顿的青年杨振宁。爱因斯坦跟那些被他感召的物理学家们在统一场路上披荆斩棘，这个理论这个想法不行就换一个再试，不行再换，爱因斯坦直到直到生命的最后一刻都在进行着这项工作。虽然很绝望，但是他一直没有放弃。

不过我们也应该很庆幸，这些统一场路虽然绝大部分都出师未捷身先死，但是有一路军队却存活了下来，并且逐渐释放出强大生命力，并最终成为了20世纪下半页的理论物理最重要的思想。

这只幸存的军队就是外尔和杨振宁这一路，杨-米尔斯场的巨大成功让科学家们又重新对统一场，统一量子力学产生了极大兴趣。然后，就不得不提名声大振的超弦理论了。

超前的超弦理论

能够去当物理学家的都是一帮绝顶聪明的人，一旦有一大波人决定要去做这个事，再困难的事情，多多少少的都会撞出一条出路的。

在统一量子力学和相对论，统一引力的道路上出现了非常多的模型，但是能经住考验的不多，许多模型提出来之后很快又被验证是错误的。这样一路磕磕碰碰，经过一系列大筛选，现在还存活着并且看起来希望最大的就是超弦理论。

超弦理论的脑洞有多大，我稍微说一些概念你们自己感受一下：超弦理论说组成我们的世界最基本的元素是一根根一维的弦（非常小，普朗克长度那个级别的），不同的粒子只是弦不同震荡方式的表现；我们生活的宇宙不是四维，而是十一维（按照M理论），只不过只有四个维度展开了，其他几个维度都被压缩在非常小的地方（普朗克长度那个大小），量子力学里面出现的不确定性就是其他几个被压缩维度造成的（看，超弦居然从根本上解释了量子力学的不确定性，虽然无法验证，但是爱因斯坦肯定更喜欢这种假设，这样投骰子的上帝又死了~）。

超弦理论确实很美，他能够调和相对论和量子力学的矛盾，但是它本身也还有很多问题让物理学家头疼不已，同样也让Sheldon头痛不已。

但是，理论上的问题其实也都还好，总有办法解决的，超弦理论最大的问题来自实验上。上面我们已经说了，超弦理论假设的弦是普朗克长度的，超弦理论假设的多维空间也是被压缩在普朗克长度。

普朗克长度是什么概念？它大致等于1.6x10的-35次方米，是一个质子大小的10^22分之一，我们现在最先进的扫描隧道显微镜也还只能勉强观测到原子级别，也就是撑死10^-10级别，这距离普朗克长度的-35还差了太多太多了。

所以，我们可以认定，即便超弦理论是正确的，我们要验证它的正确性，要看到它说的弦和多维度，还是几百年或者几千年之后再来讨论这个问题吧。所以，超弦理论是一个注定无法在短时间里被证明的理论，这时候，你或许会跟Sheldon一样有一个疑问：我是否愿意为一个永远无法得到证明的理论耗尽一生？因为如果只是讲理论的实用性，那么量子力学和相对论对目前的人类来说已经足够精确，足够用来指导人类的文明征程了。

这也是所有当代理论物理学家的困惑！

下一篇我们再来好好聊聊这种困惑，这也是所以即将踏入物理世界的人都要面临的问题。

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