我们生活在一个奇妙的世界,这个世界同时被两种截然不同的规则支配着。
当我们仰望星空,看到月亮环绕地球,地球环绕太阳,我们感受到的是一种宏大、平滑、具有确定性的秩序。这套规则由爱因斯坦的广义相对论描绘,它把引力解释为时空的弯曲,就像一个保龄球压弯了弹力床垫。这套规则统治着宇宙的宏观尺度,从我们扔出的篮球轨迹,到遥远星系的碰撞。
但是,当我们俯察微观,审视构成我们身体、构成手机屏幕的原子和粒子时,一切都变了。世界变得模糊、跳跃、充满概率。在这里,广义相对论完全失效了。另一套规则,被称为标准模型,接管了一切。它描述了引力之外的三种基本力,电磁力、强核力和弱核力。它告诉我们,世界的基本构成是粒子,它们通过交换别的粒子来传递力量。这套规则是量子力学的杰作。
于是,我们便有了这道物理学上最深刻的裂痕。一套规则管大,一套规则管小。
这就像我们手里有两本指南。一本是驾驶巨型邮轮的航海图,极其精准;另一本是修理精密手表的说明书,也同样分毫不差。但问题是,这两本书是用两种完全不同的语言写成的,它们的基本逻辑互不相通。
物理学家们一个世纪以来的梦想,就是找到一部统一的法典,一本能同时解释邮轮和手表的终极手册。这就是万物理论。
几十年来,这条路充满了荆棘。我们尝试了各种方法,试图把时空弯曲的宏观引力塞进微观粒子的世界,但每次计算的结果都是荒谬的无穷大。这道鸿沟似乎无法逾越。
直到最近,来自芬兰的一组研究人员,为我们提供了一个截然不同的新思路。这个思路是如此根本,以至于它没有尝试去修补那座断桥,而是提议,或许我们从一开始就不需要两座桥。或许,从始至终,都只有一条路。
要理解这个新思路的颠覆性,我们必须先花一点时间,真正感受一下那两套规则的根本差异。
先说广义相对论,这是宏观世界的王者。它在1915年诞生,核心思想是时空可以被质量所弯曲。我们感觉到的引力,实际上只是我们在弯曲时空中运动的自然路径。这是一个关于几何的理论。它优雅、连续、平滑。就像一个雕塑家在打磨一块光滑的大理石。
这套理论的预言极其精准。从水星的近日点进动,到光线在太阳引力下的弯曲,再到今天我们手机里GPS导航系统必须依赖的卫星时间修正,广义相对论已经深深融入了我们的宏观技术。
然后,我们转向微观世界的标准模型。这是物理学的另一座高峰,它在20世纪后半叶逐渐完善。它根本不关心时空的几何。它关心的是粒子和场。
在标准模型的世界里,一切都是由基本粒子构成的。它们之间的相互作用,是通过交换所谓的规范玻色子来完成的。比如,两个电子为什么会互相排斥?因为它们在不断地交换光子。
这套理论的基础,叫做规范理论。这个词听起来很吓人,但它的核心思想是一种对称性。想象一个巨大的、遍布全球的货币系统。规范理论就像是说,无论你是在北京用人民币,还是在纽约用美元,货币背后的交换规则和价值法则是统一的,并且可以在不同地点进行独立的调整。标准模型就是用这套极其精密的数学语言,统一了电磁力、弱核力和强核力。
它的成就同样辉煌。它预言了多种粒子的存在,并且都在后来的实验中被精确找到。我们今天使用的电脑、手机、互联网,所有电子技术的基石,都建立在对量子世界的理解之上。
好了,现在我们把这两位王者放在一起。
一个是离散、跳跃的粒子交换,它描述其他三种力。
当物理学家试图用标准模型的方法去描述引力,把引力也看作是交换某种粒子(引力子)时,数学计算就崩溃了。计算式中出现了无法消除的无穷大。这表明,我们不能简单地把引力看作是另一种规范理论。
反过来,试图把量子力学纳入广义相对论的几何框架,也同样困难重重。
这就是物理学的百年僵局。我们知道黑洞的中心是什么样的,也知道宇宙大爆炸的奇点是什么样的,这两个地方都是质量极大、体积极小,它们是两套规则必须同时起作用的地方。但只要我们把两个理论的公式放在一起,它们就会打架。
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面对这个僵局,大多数人的想法是,广S型相对论是对的,但它在微观尺度需要被修正,需要被量子化。我们必须想办法把那个光滑的时空大理石打碎,变成一块块量子的积木。这条路就是我们熟知的弦理论、圈量子引力等等,它们都非常复杂,并且至今没有得到实验的验证。
但是,芬兰的研究人员提出了一个大胆的设想。
他们问:我们是不是从一开始就搞错了?
万一,引力从根本上就不是时空的几何属性呢?
万一,爱因斯坦的广义相对论,只是引力在宏观尺度上的一种表现形式,一个近似值呢?
万一,引力在最深的层面上,和其他三种力一样,也是一种规范理论呢?
这个思路是革命性的。它不再是试图把引力这块方木头削成圆的,去适应标准模型这个圆孔。它是说,这块木头本来就是圆的,只是它在宏观上被伪装成了方形。
这就像我多年前处理两个企业部门合并的经历。一个部门是传统的制造业,讲究流程、层级和精度,就像广义相对论。另一个部门是互联网营销,讲究敏捷、扁平化和创意,就像量子力学。我最初试图让营销部门去适应制造部门的流程,结果一团糟。后来我才发现,两个部门的根本目标是一致的(创造价值),我需要做的是建立一套新的、更底层的语言(比如统一的KPI和数据看板),让两个部门都能使用这套语言来沟通。
芬兰团队做的就是这件事。他们没有触碰广义相对论的几何描述,也没有触碰标准模型的粒子描述。他们做的是,在更深的数学层面,重新构建引力理论。
他们提出了一种新的理论框架。在这个框架里,引力不再基于广义相对论那种复杂的时空对称性。相反,它基于一种和标准模型非常相似的、更简单的规范对称性。
简单来说,他们成功地用标准模型的语言,写出了一个引力理论。
在这个新理论中,引力也表现为一种力场中的相互作用,就像电磁力一样。粒子因为拥有能量,所以会在这个引力规范场中相互作用。
这带来了一个惊人的结果。当这个理论被用于宏观尺度时,它在数学上可以完全等同于爱因斯坦的广义相对论。也就是说,它能完美地解释我们观察到的所有引力现象,比如行星轨道和黑洞。它保留了爱因斯坦理论的所有成功。
但是,当这个理论被用于微观尺度时,奇迹发生了。
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为什么这把钥匙很重要?
这个新理论最重要的突破,在于它解决了那个无穷大的噩梦。
在物理学中,处理微观世界计算时出现的无穷大,有一套标准的数学工具,叫做重整化。你可以把它想象成一个极其精妙的过滤器。当计算结果出现无穷大时,我们就用这个过滤器,把那些不合理的无穷大部分过滤掉,留下有意义的、有限的物理结果。
标准模型中的三种力,都可以使用这个过滤器。它们是可重整化的。
但是,当我们试图把引力理论(广义相对论)放进这个过滤器时,它被卡住了。它无法被重整化。无穷大无法被消除。
这就是为什么我们说广义相对论和量子力学不兼容。
而芬兰团队的新理论,因为它从根本上就是用规范理论的语言写成的,所以它天生就适合这个过滤器。
研究人员们进行了初步的计算验证,这个验证过程在行话里叫做单圈计算。他们发现,在这个新框架下,引力理论似乎是可重整化的。
这是一个巨大的信号。
如果这个结论在后续更复杂的计算中(多圈计算)仍然成立,那就意味着,物理学家们第一次拥有了一个在数学上自洽的、完整的量子引力理论。
它不再是两套规则,而是一套规则在不同尺度下的不同表现。
这就好像我们终于发现,那本驾驶邮轮的航海图和那本修理手表的说明书,它们其实是用同一种语言的不同方言写成的。芬兰团队的工作,就是找到了那个底层的通用语法。
如果这个理论最终被证明是正确的,它将为我们打开通往终极问题的大门。
我们将有能力去描述黑洞的中心到底发生了什么。时空会在那里终结吗?还是会通向另一个宇宙?
我们将能够真正地回溯宇宙大爆炸的最初时刻。在那个所有物质和能量挤压在一个无限小的点的时刻,宇宙的第一推动力是什么?为什么会有物质,而不是什么都没有?
我们甚至可能找到答案,解释为什么宇宙中物质远多于反物质,这是我们得以存在的根本原因之一。
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旅程刚刚开始!
当然,我们必须保持清醒和理性。
科学的进步从来不是一蹴而就的。这个来自芬兰的新思路,目前还只是一个极其优美、极具潜力的理论框架。
它还不是一个被实验证实的理论。
这就像一个建筑师绘制出了一份革命性的摩天大楼蓝图。这份蓝图在力学上是自洽的,它解决了所有旧设计无法解决的难题。但是,这还只是一份蓝图。
首先,这份蓝图的数学基础还需要被更严格地检验。研究人员们只是完成了第一层楼的力学测算(单圈计算),他们还需要证明整栋大楼(所有圈的计算)都是稳固的。这是一个极其繁重的数学工作,需要全球的理论物理学家们共同参与。
其次,任何物理理论的最终试金石都是实验。这个新理论必须做出一些广义相对论和标准模型无法做出的、独特的、可被验证的预言。
比如,它是否预言了某种新的粒子?它对早期宇宙的微波背景辐射是否有不同于标准宇宙模型的解释?
这些实验验证可能是极其困难的,可能需要我们建造比现在强大得多的粒子对撞机,或者更灵敏的引力波探测器。这可能需要几十年的时间。
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我们可以满怀希望地说,我们可能找到了一条全新的、通往万物理论的、最有希望的登山路径。
在过去的几十年里,我们对那座高峰的探索,似乎走进了几条死胡同。而现在,芬兰的研究人员拨开了迷雾,在悬崖峭壁上指出了一条新的小径。
这让我想起几年前去一个偏远山区徒步。我们沿着地图上的主路走了很久,最后发现前方山体滑坡,路断了。所有人都在那里沮丧、徘徊。这时,一个当地的向导指着旁边一条几乎看不见的、长满灌木的小路说,从这里绕过去,虽然难走,但能通往山顶。
我们正处在一个激动人心的时刻。物理学的根基或许正在经历一场深刻的变革。这个新理论,无论它最终是否是那个终极答案,它都为我们思考引力和宇宙的方式,提供了一个全新的视角。它迫使我们重新审视那些我们以为天经地义的假设,比如引力是否等同于时空几何。
科学的伟大之处不在于它提供了永恒的真理,而在于它是一个不断自我纠错、不断逼近真理的过程。这个过程本身,就是人类智慧最壮丽的展现。
万物理论,这个物理学的终极梦想,它不是一个遥不可及的幻影。它是一代代科学家们正在攀登的高峰。而现在,我们似乎听到了来自新路径上的回响。
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