唐·王勃在《滕王阁诗序》中感叹:“呜乎!胜地不常,盛筵难再。” 这句话穿越千年,竟意外贴合了当代物理学界的一种复杂心境。

打开网易新闻 查看精彩图片

2023年,物理学家杨振宁先生第二次在公开场合反对中国建设大型对撞机,一句“高能物理盛宴已过”,如一颗石子投入平静的湖面,引发了整个科学界乃至大众的激烈争议。

表面上,这场争议的焦点是“大型对撞机是否值得建”;但本质上,它关乎的是一个更深刻的命题:人类探索宇宙真理的脚步,是否已经陷入了瓶颈?那些曾经照亮文明前路的科学天才,如今是否再无用武之地?

人类历史上,从不缺乏顶尖天才的身影。

正是因为有了他们的存在,人类才得以摆脱蒙昧,构建起壮丽的文明大厦,书写出一个个震撼人心的科学神话。

回首近现代史300年,这是科学“群星闪耀”的黄金年代,他们的名字如璀璨星辰,照亮了人类认知宇宙的道路:

哥白尼打破地心说的桎梏,伽利略用望远镜开启天文观测的新纪元,牛顿奠定经典力学的根基,费马、欧拉、高斯用数学搭建起科学的骨架,黎曼、伽罗瓦为现代物理学埋下伏笔,麦克斯韦统一电磁力,希尔伯特提出23个数学难题指引方向,爱因斯坦颠覆时空认知,玻尔、狄拉克、哥德尔、图灵、费曼推动量子力学的发展,拉马努金以天才直觉点亮数学星空,杨振宁、外尔、威藤、霍金在当代物理学前沿续写传奇……

打开网易新闻 查看精彩图片

他们并非个个家喻户晓,有的甚至命运多舛:拉马努金出身贫寒,未接受过系统教育,却凭一己之力推导出欧洲百年数学史的核心定理,32岁便英年早逝;黎曼才华横溢,却一生被病痛折磨,39岁便匆匆离世,留下的手稿成为后世物理学的重要基石;麦克斯韦低调内敛,其统一电磁学的伟大成就,在他去世后才被世人广泛认可。但无论岁月如何风云变幻,无论他们的命运如何坎坷,我们最终必须承认:正是这些人,用思考力洞穿了宇宙的奥秘,构成了人类文明不断向前的基石。

他们本来和我们一样,只是宇宙中一粒微不足道的尘埃,是沧海一粟,是时光中的过客。

但他们的大脑,却拥有超越时空的力量——他们能从苹果落地的瞬间,洞察万物之间的引力联结;能从光线的传播中,破解时空弯曲的密码;能从微小的粒子运动中,探寻宇宙诞生的真相。他们用公式、演算和实验,把人类对宇宙的认知,从“天圆地方”的猜想,推向了“宇宙大爆炸”“多维空间”的科学认知。

但如果有一天,这样的天才再无用武之地了呢?

杨振宁先生的“盛宴已过”,并非危言耸听,而是一位顶尖物理学家对当代物理学前沿的深刻反思。他反对中国建设大型对撞机,本质上是对“基础粒子研究”这一物理学最前沿领域,失去了曾经的信心——这可是物理学终极理论的希望之所,是人类试图破解“万物之理”的核心阵地。

当一位站在物理学之巅的科学家,对当代最前沿的研究方向不再信任,这背后,是整个物理学界的集体困惑与忧伤,被称为“物理学的忧伤”。

更值得深思的是,这并非杨振宁先生一个人的观点,而是很多顶尖物理学家的共识:如今的理论物理学,已经开始走入空想主义的泥潭,那个被科学家们追寻了百年的“科学圣杯”——大统一理论,距人类愈发遥远。

打开网易新闻 查看精彩图片

依靠大型对撞机对基础粒子的研究,从而推动物理学向前跃进,似乎已经走入了死胡同。

我们不妨静下心来,回望近60年的物理学发展:近60年来,再无获得全球科学界共识的伟大物理学理论问世;近60年来,也再无一位伟大的物理学家被奉为“科学灯塔”,指引人类前行;近60年来,更无任何激动人心的全新理论得到实验验证。

于是,有人发出了这样的疑问:真的有一个超级文明,将我们的物理学锁死了吗?

要回答这个问题,要理解“盛宴已过”到底是危言耸听,还是智者箴言,我们不妨回首人类物理简史,从宇宙的本原开始,重新梳理物理学的发展脉络,读懂那些天才们的探索与坚守,也读懂当代物理学的困境与迷茫。

要理解物理学的前沿与困境,首先要回到最根本的问题:宇宙是从什么时候开始的?它最初的样子,是什么模样?

打开网易新闻 查看精彩图片

现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论(英文名为Big Bang),这一理论并非空想,而是有两大坚实的实验数据作为支撑:哈勃红移和宇宙微波背景辐射。简单来说,哈勃红移现象告诉我们,宇宙中的星系都在不断远离我们,这意味着宇宙正在不断膨胀;而宇宙微波背景辐射,则是宇宙大爆炸后留下的“余温”,就像一场大火熄灭后,空气中残留的热量,它遍布整个宇宙,证明了宇宙曾经经历过一次剧烈的爆炸。

很多人会好奇:那宇宙大爆炸之前是什么?是谁点燃了这场“大爆竹”?

打开网易新闻 查看精彩图片

其实,这些问题并不属于科学的范畴,而属于哲学的领域。科学研究的是“可观测、可验证”的现象和规律,而“爆炸之前”的世界,无法被观测,也无法被验证,因此超出了科学的研究范围。

如果一定要死磕这个问题,就连牛顿这样的科学巨匠,也会用“上帝是第一推动力”来勉强解释——这并非牛顿迷信,而是在当时的科学水平下,无法找到更合理的答案。

宇宙创世的刹那,开始于一个极其微小的时间单位:10的负43次方秒,这个时间被称为“普朗克时间”,是人类目前已知的最小时间存在。

打开网易新闻 查看精彩图片

或许你无法想象这个时间有多短:我们平时眨一下眼睛,大约需要0.1秒,而普朗克时间,相当于0.1秒的10的42次方分之一——也就是说,把10的42次个普朗克时间加起来,才相当于我们眨一下眼睛的时间。

这里需要特别注意:普朗克时间并不是一个“测量值”,而是一个“定义值”。它的计算公式是“普朗克长度除以光速”,其中光速是一个固定的定义值(c=299792458m/s=299792.458km/s),普朗克长度则是人类已知的最小长度单位(10的负33次方厘米)。

这两个数值,都是科学家们通过理论推导得出的,无法通过现有技术直接测量——因为人类目前的技术和工具水平,还远远不能企及到这个数量级。

根据目前科学界的共识,我们可以梳理出一份详细的“宇宙创世时间表”,每一个节点,都藏着物理学的奥秘,每一个数字的背后,都是无数天才物理学家和数学家呕心沥血的结晶:

打开网易新闻 查看精彩图片

10的负43次方秒:十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。其中,六维宇宙迅速崩溃,收缩成10的负32次方公尺(比普朗克长度还要小);而我们今天所在的四维宇宙,则开始迅速爆炸,此时的宇宙温度高达10的32次方度——这个温度有多高?我们可以做一个类比:太阳核心的温度大约是1500万度,而宇宙大爆炸初期的温度,相当于太阳核心温度的6.7×10的24次方倍,如此高温下,任何物质都无法存在,只有纯粹的能量。

10的负35次方秒:大一统作用力崩解。在宇宙诞生的最初瞬间,所有的自然力都是统一的,被称为“大一统作用力”,它包含了后来我们所知的所有作用力。但在这个时间节点,大一统作用力开始分裂,为后续不同作用力的出现奠定了基础。

打开网易新闻 查看精彩图片

10的负9次方秒:电弱对称崩解,此时宇宙的温度下降到10的15次方度。电弱作用力分裂成电磁力和弱核力,这两种作用力,后来成为塑造宇宙万物的重要力量——电磁力构建了原子、分子,弱核力则主导了放射性衰变。

10的负3次方秒:夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时宇宙温度为10的14次方度。夸克是构成质子和中子的基本粒子,它们的凝聚,为后续原子核的形成提供了基础,也是物质形成的第一步。

3分钟:质子与中子开始凝聚成稳定的原子核。此时宇宙温度下降到10的9次方度,质子和中子不再高速运动,开始结合形成氢核、氦核等简单的原子核,这是宇宙中第一批“物质核心”。

30万年:电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现。此时宇宙温度下降到3000度左右,电子的运动速度减慢,开始围绕原子核旋转,形成了稳定的原子——这是宇宙中第一个真正意义上的“物质”,也是我们今天所见万物的基础。

打开网易新闻 查看精彩图片

30亿年:第一个似星体(quasar)出现。似星体是宇宙中最明亮、最遥远的天体之一,它的出现,标志着宇宙开始进入“星系形成”的阶段。

50亿年:第一个星系出现。星系是由大量恒星、行星、气体和尘埃组成的天体系统,它的出现,让宇宙变得更加有序,也为生命的诞生提供了可能。

100~150亿年:太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。我们的太阳系,只是宇宙中无数星系中的一个,而地球,只是太阳系中一颗普通的行星,但正是这颗普通的行星,孕育了生命,孕育了人类,也孕育了探索宇宙的智慧。

打开网易新闻 查看精彩图片

看到这份时间表,你可能会觉得不可思议:这些时间、长度、温度的数值,都如此极端,无法直接测量,科学家们是如何得出这些结论的?

答案很简单:依靠天才的思考力和严密的科学推理。这份时间表里的每一个数字,背后都是一堆严密的公式和演算,都是无数物理学家和数学家耗费毕生心血的结晶——他们没有办法直接观测到宇宙诞生初期的样子,但他们可以通过现有的物理规律,反向推导宇宙的过去,就像侦探通过现场的痕迹,还原案件的真相一样。

这就是科学的魅力,也是天才们的价值所在:他们能用思考力,穿越时空,触摸宇宙的本原;能用公式和演算,把无法观测的未知,变成可理解、可验证的科学结论。而这份创世时间表,也为我们指明了物理学的前沿方向——寻找宇宙诞生之初的奥秘,就是当代物理学最核心的研究课题。

打开网易新闻 查看精彩图片

回顾了宇宙的极简历史,我们不禁要问:如今,物理学最前沿的研究领地在哪里?答案其实很简单:寻找最古老的问题的答案,就是物理学最前沿的研究方向。而这个最古老的问题,就藏在宇宙创世时间表的第一个事件中——十维宇宙分裂。

打开网易新闻 查看精彩图片

要理解十维宇宙,我们首先要明白“维度”的概念。维度,简单来说,就是“空间的方向”,我们可以通过几个通俗的例子,轻松理解不同维度的空间:

一只在直线上行走的毛毛虫,它只能前后移动,无法左右、上下移动,所以,我们把直线或曲线叫做“一维空间”;一只阿米巴扁平虫,它可以在平面上前后、左右移动,但无法上下移动,所以,我们把平面或曲面叫做“二维空间”;一只鸟在我们的世界里,可以上下、前后、左右自由移动,所以,我们的空间叫做“三维空间”;而如果我们加上“时间”这个维度——我们的世界不仅有空间的三维,还有时间的一维,合称“四维时空”,这就是我们日常生活所能感知到的世界。

打开网易新闻 查看精彩图片

依此类推,还会有五维、六维,甚至更高维度的空间。但很多人会疑惑:我们明明只能感知到四维时空,更高维度的空间真的存在吗?

其实,我们无法感知到高维度空间,并不代表它不存在——人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的,它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。

就像阿米巴扁平虫,它只能感知到二维空间,无法理解三维空间的存在;如果有一个三维空间的物体(比如一个球体)穿过它所在的二维平面,它只会看到一个“从点到圆、再到点”的变化,无法理解这个物体的完整形态。

打开网易新闻 查看精彩图片

同样,多维空间(四维以上)的生物,看我们的世界,可能也会像我们看二维平面上的圆圈一样——内外一目了然,因为他们拥有更高维度的“上帝视角”。

这让我们反思:我们所能感知的所谓“真实”,是不是也受限于我们自己的认知条件?我们眼中的宇宙,是不是只是宇宙真实面貌的冰山一角?

而当代物理学最前沿的理论,恰恰就与高维度空间有关——这就是“超弦理论”和“M理论”,它们的目标,都是完成爱因斯坦未竟的夙愿,构建终极的“大统一理论”,把宇宙中所有的作用力和物质,都统一到一个理论框架中。

打开网易新闻 查看精彩图片

超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它“垂直”的,还有一个很小很小的六维流形——这个六维空间非常微小,小到我们无法直接观测,它蜷缩在普朗克长度的尺度上,就像我们平时看到的一根头发,从远处看是一维的,但如果放大来看,就会发现它有宽度和厚度,是三维的。

在这个十维空间中,有一种最小单位的“弦”纵横其中。

我们可以用一个类比来理解:十维空间就像是宇宙这座大琴的音箱,而这些弦,就是琴上的琴弦。拨动这些弦,会产生不同的音高与音色,而这些不同的振动模式,就对应着宇宙中的不同基本粒子——电子、光子、中微子、夸克等等,都是这些弦的不同振动模式。

打开网易新闻 查看精彩图片

也就是说,宇宙万物,本质上都是“弦”的振动产生的,就像一首壮丽的交响乐,每一个音符,都是弦的振动。

而最新的“M理论”,则是由当代物理巨匠威滕提出的,它结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论,试图藉由单一个理论,来解释所有物质与能源的本质与交互关系。如果说超弦理论是“分岔的小路”,那么M理论就是“汇聚的大道”——它把不同版本的超弦理论统一起来,为构建大统一理论,提供了更坚实的基础。

打开网易新闻 查看精彩图片

无论是超弦理论,还是M理论,都野心勃勃地想要统一广义相对论与量子力学——这是物理学界的两大支柱理论,但它们之间却存在着不可调和的矛盾:广义相对论擅长描述宏观世界(比如星系、宇宙的演化),而量子力学擅长描述微观世界(比如基本粒子的运动),但当我们试图用这两个理论来解释“宇宙大爆炸初期”“黑洞内部”等极端场景时,它们就会失效。而大统一理论,就是要找到一个“万能公式”,既能解释宏观世界,也能解释微观世界,把所有的自然力都统一起来。

打开网易新闻 查看精彩图片

这,就是当代物理学最前沿的研究方向——追寻终极的大统一理论,破解宇宙的终极密码。而要实现这个目标,我们首先要做的,就是统一宇宙中的四种自然力。

构建大统一理论的核心,就是统一宇宙中的四种自然力。

打开网易新闻 查看精彩图片

经过两千多年的探索,科学家们发现,我们宇宙中的所有现象,无论多么复杂,都可以简化成四种相互作用力——万有引力、电磁力、强相互作用力(强核力)、弱相互作用力(弱核力)。理论上,宇宙间所有的现象,包括十维空间的奥秘,都可以用这四种作用力来解释。

要理解大统一理论的意义,我们首先要清晰地认识这四种自然力,它们各自有着不同的特点和作用,共同塑造了我们的宇宙:

电磁力:我们最熟悉的一种力,它包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电磁力的作用规律很简单:电荷(或磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。它是由光子传递的,作用力的大小与电量成正比,与距离成反比,属于“长程力”——也就是说,它可以在很远的距离上发挥作用。在四种力中,电磁力的强度排名第二。

打开网易新闻 查看精彩图片

电磁力与我们的日常生活息息相关:我们家里的电灯、电视、手机,依靠的是电磁力;我们看到的光,是电磁力的一种表现形式;我们使用的指南针,利用的是地球的磁场(电磁力的一种);甚至我们的身体,也是由原子构成的,而原子内部,电子与原子核之间的作用力,也是电磁力。可以说,没有电磁力,就没有现代文明,就没有我们今天的生活。

强核力:它是四种力中最强的一种,也是最“神秘”的一种——它的作用范围非常小,只有原子核内部(10的负15次方米以内),属于“短程力”。强核力是夸克之间的吸引力,由胶子传递,它的主要作用是束缚质子和中子于原子核中,防止原子核分裂。

打开网易新闻 查看精彩图片

强核力虽然作用范围小,但它的能量极其巨大——恒星燃烧的能量,就是来自强核力(核聚变反应,本质上是强核力将轻核融合成重核,释放出巨大的能量);氢弹的爆炸,也是运用了强核力的原理,其威力比原子弹大得多。如果没有强核力,原子核就会分裂,原子就无法稳定存在,宇宙中也就不会有任何物质,更不会有生命。

弱核力:它是四种力中强度排名第三的力,同样属于“短程力”,作用范围比强核力还要小(10的负18次方米以内)。弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类衰变的力,由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,主要作用在夸克级的粒子上。

打开网易新闻 查看精彩图片

弱核力虽然强度不高,但它在宇宙的演化中扮演着重要角色——它可以让中子转化为质子,从而促进原子核的形成;在恒星内部,弱核力也参与了核聚变反应,为恒星提供能量。此外,放射性元素的衰变,也与弱核力有关,而放射性元素的应用,已经深入到医疗、能源、工业等各个领域。

万有引力:我们最熟悉的另一种力,它是四种力中最弱的一种,却是作用范围最广的一种——它可以跨越星系,作用于宇宙中的每一个物体,属于“长程力”。万有引力是由引力子传递的,作用力的大小与物体的质量成正比,与距离的平方成反比。

打开网易新闻 查看精彩图片

万有引力塑造了宇宙的宏观结构:地球绕着太阳转,是因为太阳对地球的万有引力;月球绕着地球转,是因为地球对月球的万有引力;星系的形成和稳定,也是因为万有引力的作用。我们平时感受到的“重力”,其实就是地球对我们的万有引力——它让我们能够站在地球上,不会飘向太空;它让苹果落地,让雨水下落,让我们的生活得以正常进行。

看到这里,你可能会问:我们已经清楚地认识了四种自然力,为什么还要费力去统一它们?统一自然力,对人类来说,到底有什么意义?

答案很简单:一旦人类将所有的作用力整合成一个作用力,就相当于掌握了宇宙的“终极密码”。

到那时,人类将能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序;我们可以任意地组合与改变粒子,制造出前所未有的物质形态;我们甚至能左右空间的维度数,成为宇宙的主宰——这听起来像是科幻小说,但却是科学家们追寻大统一理论的终极目标。

回望人类掌握“力”的历史,我们就能明白,每一次对“力”的突破,都带来了人类文明的飞跃:

人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%的时间里,人类能够掌握的能量,只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力——这意味着,我们只能依靠自身的力量,采集食物、搭建简陋的住所,生活在蒙昧之中。

十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力——工具的出现,让人类能够更高效地获取食物、抵御野兽,开始逐步摆脱蒙昧,进入原始社会。

打开网易新闻 查看精彩图片

牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组——现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百马力,进入了工业时代,生产力得到了前所未有的提升,人类的生活方式发生了翻天覆地的变化。

打开网易新闻 查看精彩图片

麦克斯韦方程组的诞生,启迪了爱迪生等发明家——人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,电灯、电话、电报等发明相继出现,极大地改变了人们的生活,让人类文明进入了一个新的阶段。

爱因斯坦的相对论,为人类打开了核能利用的时代——人类掌握的能量,提升到了足够摧毁自己所居住的行星的程度,核能的应用,既为人类提供了新的能源,也带来了新的挑战。

可以说,人类文明的每一次进步,都伴随着对“力”的认知的突破。而统一四种自然力,就是人类对“力”的终极突破——它将让人类从“掌握自然”,走向“掌控宇宙”,开启一个全新的文明时代。

而在追寻统一自然力的道路上,涌现出了一批又一批的天才物理学家,他们前赴后继,用智慧和汗水,为人类搭建起通往终极理论的桥梁。

在人类追寻统一自然力的道路上,黎曼是第一个真正意义上的“开拓者”。1854年6月10日,数学天才黎曼在德国哥廷根大学发表了《关于几何基础的假设》,这篇演讲,撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学,也彻底推翻了牛顿的“超距作用”原则。

打开网易新闻 查看精彩图片

在黎曼之前,欧几里德几何学被认为是“绝对真理”,它的核心假设是“平面几何”,比如“三角形三个内角之和等于180度”“两条平行线永远不会相交”。

这些结论,看起来符合我们的常识和直觉,因此被人们奉为圭臬,沿用了两千多年。而牛顿的“超距作用”原则,则认为:两个物体之间的引力,不需要任何媒介,就可以瞬间传递——比如太阳对地球的引力,不需要任何东西作为媒介,就能瞬间作用到地球上。

但黎曼却认为,欧几里德数学的根基,只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。

他提出:如果身处弯曲表面的世界,欧式几何的结论就不成立了——比如在一个球面上,三角形三个内角之和大于180度;两条平行线,最终会相交(比如地球的经线,在赤道上是平行的,但最终会在两极相交)。

打开网易新闻 查看精彩图片

更具革命性的是,黎曼彻底推翻了牛顿的“超距作用”原则。他认为:作用力并非来自物体之间的“吸引”,而是源自于几何学——作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。

在牛顿早已被奉为“科学之神”的年代,说出这样的结论,需要何等的气魄!

黎曼的伟大之处,不仅仅在于推翻了传统的理论,更在于他为后续的物理学发展,奠定了坚实的基础,他的贡献可以总结为三点:

他以多维空间理论,简化了所有自然作用力——他认为,电力、磁力和重力一样,都只是高维空间弯曲产生的结果。这一观点,为后来爱因斯坦的广义相对论,提供了核心的数学基础。

打开网易新闻 查看精彩图片

他提出了“虫洞”的概念——黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例,而虫洞,就是连接两个不同时空的“通道”,这一概念,后来成为科幻小说和物理学研究的热门话题,也为人类探索时空旅行,提供了理论可能。

他以“场”来描述重力,以“度量张量”描述空间里每一个点的重力场——这一理论,为爱因斯坦构建广义相对论,提供了关键的数学工具,让“空间弯曲”的理论,能够用严密的数学公式表达出来。

令人惋惜的是,黎曼英年早逝,年仅39岁。

打开网易新闻 查看精彩图片

他生前,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度,才足以描述不同的作用力。这些重要的发展,留给了后来的麦克斯韦和爱因斯坦。

但黎曼的思想,就像一盏明灯,照亮了人类追寻统一自然力的道路,他的名字,也成为了“天才”的代名词。

提到统一自然力,很多人会首先想到爱因斯坦,但实际上,第一个成功统一两种自然力的,是麦克斯韦——一个被忽视了的、堪与牛顿齐名的大科学家。

在麦克斯韦之前,电力和磁力被认为是两种完全独立的力:科学家们已经发现了电力的规律(库仑定律)、磁力的规律(安培定律),但没有人意识到,这两种力之间,存在着内在的联系。而麦克斯韦,通过对库仑、安培、奥斯特、法拉第等科学家研究成果的系统总结,发现了电力和磁力之间的内在关联,最终建立了完整的电磁理论,将电力和磁力统一了起来。

1873年,麦克斯韦出版了电磁学专著《电磁学通论》,这本书,就像牛顿的《自然哲学的数学原理》一样,奠定了电磁学的基础,也彻底改变了人类对自然力的认知。

打开网易新闻 查看精彩图片

麦克斯韦的电磁理论,不仅统一了电力和磁力,还预言了电磁波的存在——他认为,变化的电场会产生磁场,变化的磁场会产生电场,两者相互交替,形成电磁波,而光,就是一种电磁波。

这一预言,在麦克斯韦去世后,被德国物理学家赫兹通过实验验证——赫兹成功观测到了电磁波的存在,证明了麦克斯韦理论的正确性。而电磁波的发现,直接催生了现代通信技术——无线电、电视、手机、卫星通信等,都离不开电磁波的应用。可以说,没有麦克斯韦的电磁理论,就没有现代的信息时代。

著名物理学家费曼曾说过:“从人类历史的一种长久观点看——例如从至今以后一万年间的观点来看,19世纪中最重要的事件将被判定为麦克斯韦发现的电动力学定律,同时期的美国内战将褪色而成为只有地区性的意义了。” 这句话,足以体现麦克斯韦成就的伟大。

麦克斯韦一辈子低调内敛,不擅交际,也不追求名利,因此,他的成就,在他生前并没有得到广泛的认可。但历史不会忘记这位天才,他的贡献,可以总结为三点:

建立了统一的经典电磁场理论,将电力和磁力统一起来,填补了物理学界的空白。

建立光的电磁理论,预言电磁波的存在,为现代通信技术和光学的发展,奠定了基础。

为爱因斯坦的狭义相对论铺路——麦克斯韦的电磁方程组,揭示了光速的恒定特性,这成为爱因斯坦狭义相对论的核心前提。

麦克斯韦的一生,虽然短暂(享年48岁),但他的思想,却深刻地改变了人类文明的进程。他用智慧,将两种看似独立的自然力统一起来,为人类追寻大统一理论,迈出了坚实的第一步。

提到物理学,爱因斯坦的名字,几乎无人不知、无人不晓。

打开网易新闻 查看精彩图片

他是20世纪最伟大的物理学家,也是人类历史上最具影响力的天才之一。他的狭义相对论和广义相对论,彻底颠覆了人类对时空、质能的认知,为统一自然力,做出了里程碑式的贡献。

爱因斯坦的科学探索,始于一个简单的问题:“如果你追上一束光线,它看起来是什么样子?你会不会看到一束静止的光波,冻结在时间中?”

这个问题,是他16岁时提出的,也是这个问题,让他在后50年里,带领人类走进了时空神秘之旅。

16岁的爱因斯坦,通过思考发现:世界上似乎并没有能够追上光速的东西。

26岁时,他在瑞士专利局担任低阶职员,利用业余时间,用麦克斯韦的场方程式,推导出了狭义相对论。

这一理论,用一句话概括就是:光速在任何恒动架构里,恒为常数——无论你以什么样的速度运动,你测量到的光速,永远都是299792458m/s,不会变快,也不会变慢。

打开网易新闻 查看精彩图片

这个定理,表面上看并不显眼,但却是人类心灵的最伟大成就之一。

它彻底推翻了牛顿的“绝对时空观”——牛顿认为,时间和空间是独立的、绝对的,时间会匀速流逝,空间会静止存在;而爱因斯坦则认为,时间和空间是相互关联的,是相对的——速度越快,时间就会越慢,空间就会越收缩。

这就是著名的“时间膨胀”和“长度收缩”效应,后来,这一效应被无数实验验证,成为了物理学的基本规律。

从狭义相对论中,爱因斯坦进一步导出了一个重大的结论:质量是从能量来的。这个结论,一举推翻了19世纪的两大物理发现——质量守恒定律和能量守恒定律。自此以后,质量与能量被视为单一单位:质-能(matter-energy),它们可以相互转换。26岁的爱因斯坦,同时给出了质能变动的方程式,那就是著名的 E=mc²——E代表能量,m代表质量,c代表光速。

打开网易新闻 查看精彩图片

我们可以简单追寻一下狭义相对论的推导过程:光速恒定⇒时间变慢⇒质量不恒定⇒“质量-能量”相互转换⇒ E=mc²。

这一过程,看似简单,却蕴含着极其严密的数学推理和深刻的物理思想。

狭义相对论,不仅统一了“时-空”,将时间和空间结合成一个不可分割的整体,还统一了“质-能”,揭示了质量和能量的内在关联,为人类利用核能,提供了理论基础。

统一了“时-空”以及“质-能”之后,爱因斯坦并没有停下脚步,他进一步思考“时空”与“质能”之间的关系——也就是狭义相对论所忽略的加速度,还有重力。这,关乎了他的下一个巨大成就:广义相对论。

广义相对论的诞生,源于一个简单的问题:“如果一个人处于自由落体状态,他就不会感觉到自己的体重?” 爱因斯坦透过这个简单的问题,掌握了重力的基本特性:在加速度架构下的自然律,和重力场的定律是一样的。

这就是所谓的“等效原理”。

打开网易新闻 查看精彩图片

透过等效原理,爱因斯坦重新思考关于光速的问题:光速会受重力影响,重力场会扭曲光线的行进路线。

但根据费玛最短时间原理,光线会采取两点之间最短时间的路径——如果光线的行进路线是曲线,那就意味着,空间本身是弯曲的!

这个结论,在当时看来,是极其震撼的——人们一直认为,空间是平坦的、静止的,而爱因斯坦却告诉我们,空间是可以弯曲的,而造成空间弯曲的原因,就是质能的存在。就像一张平坦的床单,如果你在上面放一个重物,床单就会被压弯;同样,宇宙中的天体(比如太阳、地球),由于质量巨大,会让周围的时空发生弯曲,而光线经过这些天体时,就会沿着弯曲的时空行进,因此看起来是弯曲的。

打开网易新闻 查看精彩图片

后来,这一预测被后人的无数次实验反复证明:1919年,英国天文学家爱丁顿在日全食期间,观测到了远处恒星的光线经过太阳时发生弯曲,与爱因斯坦的预测完全一致,这也让广义相对论被科学界广泛认可;2019年,人类首张黑洞照片问世,照片中黑洞周围的光线弯曲,再次验证了广义相对论的正确性。

爱因斯坦进一步得出结论:质能的存在,造成周围时空的弯曲;而时空的弯曲,就表现为我们所感受到的重力。这一观点,与黎曼的思想不谋而合——黎曼早在1854年就提出了作用力与空间弯曲的关系,并提出了重力场论。

爱因斯坦利用黎曼的研究成果,用数学形式表达了自己的物理学新发现,这就是广义相对论。

我们可以再追寻一下广义相对论的推导过程:光线以曲线前进+光线走两点间最短时间路径⇒空间是弯曲的⇒“质-能”造成“时-空”弯曲⇒力学=几何学。

广义相对论,将重力解释为时空的弯曲,彻底颠覆了人类对重力的认知,也为统一自然力,迈出了重要的一步。

爱因斯坦的伟大,止步于他的第三次尝试。

在狭义和广义相对论之后,他终其一生,都在研究“统一场论”,试图寻找一个公式,能够同时描述光与引力,将电磁力和万有引力统一起来,完成大统一理论的构建。可惜,他最终没有成功——当时的物理学水平,还不足以支撑他完成这一伟大的目标。

但爱因斯坦的努力,并没有白费。

他的狭义相对论和广义相对论,成为了现代物理学的两大支柱,为后来的量子力学、超弦理论等前沿理论,提供了重要的基础。他的思想,不仅改变了人类对宇宙的认知,也激励着一代又一代的物理学家,继续追寻大统一理论的梦想。

爱因斯坦的“大统一理论”虽然恢宏,但并未受到广泛关注和普遍认同——在他晚年,另一套全新的理论,开始领一时风气之先,这就是量子力学。

打开网易新闻 查看精彩图片

量子力学,是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的理论,它专注于描述微观世界(基本粒子的运动规律),并成功整合了四种自然作用力中的三种:强作用力、弱作用力和电磁力。

1925年,以玻尔、玻恩、薛定谔和海森堡为代表的一组科学家,已经对原子运动给出了几近完整的数学描述,我们称之为量子力学。

打开网易新闻 查看精彩图片

这一理论的出现,彻底颠覆了人类对微观世界的认知,它的主要理论观点,听起来甚至有些“反常识”,但却被无数实验反复验证:

作用力是由于不连续的能量包交换而产生(也就是量子)——在微观世界中,能量并不是连续的,而是以一个个“能量包”的形式存在,这些能量包,就是量子。

不同的作用力,来自于不同量子的交换。

不同的作用力的产生,来自于不同量子的交换——比如,电磁力是由光子交换产生的,强核力是由胶子交换产生的,弱核力是由希格斯粒子交换产生的。

我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置——这就是著名的海森堡测不准定理。

打开网易新闻 查看精彩图片

这个定理听起来不怎么靠谱,但却是半个世纪以来,最经得起任何实验挑战的一个定理,至今,还没有任何一个实验结果,违背了这一条定理。

简单来说,在微观世界中,粒子的运动是“不确定”的,我们无法同时精确测量它的速度和位置——测量得越精确,另一个量的误差就越大。

粒子有可能以有限机率,进行穿隧或量子跳跃,并穿越不可浸透的障碍物——这意味着,在微观世界中,粒子可以“穿墙而过”,这在宏观世界中,是完全不可能的,但在微观世界中,却真实存在。

打开网易新闻 查看精彩图片

这些观点,听起来各种不靠谱,但量子力学,不仅被反复实验证明,还深刻地改变了我们的生活——人们根据量子力学,制造出了现代信息时代的基础性科技产品:二极管、晶体管、芯片等。我们今天使用的手机、电脑、电视、芯片,都离不开量子力学的原理。

打开网易新闻 查看精彩图片

可以说,没有量子力学,就没有现代的电子信息产业,就没有我们今天的数字化生活。

量子力学在统一自然力方面,取得了重大的突破。它以光子(也就是光的量子)为例,认为弱作用力和强作用力,是源于能量量子的交换,并称之为“杨-米场”——这是杨振宁和他的学生米尔斯于1954年发现的理论,也是量子力学的核心理论之一。

到1970年代,杨-米场已经可以解开所有核子物质的秘密,可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据。在解释电子与光的交互作用时,其精确度达到千万分之一,号称是有史以来最精确的理论!

科学界对这个理论如此有信心,以至于称之为“标准模型”。

这也是杨振宁先生一句话,就能引发激烈讨论的原因——他是“杨-米场”的提出者,是量子力学“标准模型”的奠基人之一,是在世少有的物理学大神,他对高能物理的判断,具有极高的权威性。

量子力学经过50年的发展,成功整合了四种自然作用力的三种:强作用力、弱作用力和电磁力。但遗憾的是,包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为,标准模型一定不是最终的大一统理论——主要原因是,该模型并不包括“万有引力”。

打开网易新闻 查看精彩图片

可以这么说:量子力学只是根据次原子粒子的部分外表特性,做了整理和总结,却未对它们的来源,做出任何说明;它可以描述微观世界的粒子运动,却无法与描述宏观世界的广义相对论兼容;它整合了三种自然力,却始终无法驯服“万有引力”——这,就是量子力学的局限,也是当代物理学的一大困境。

在这里,我们可以喘一口气,从实验物理的角度来看,物理学基本到此终止了。

在此之前,天才们所做的努力,我们都可以用实验去进行验证——即使玄妙如量子力学,也是可以被验证的;即使抽象如广义相对论,也可以通过观测光线弯曲、黑洞照片等方式,证明其正确性。

但在此之后,天才们所做的任何努力,我们都没有办法去验证对错。

如果不能验证对错,我们就不知道谁是真正的天才,不知道谁的理论是正确的——而不知道谁是真正的天才,天才就无用武之地。

这,就是一件很窝心的事情,也是“物理学的忧伤”的核心所在。

以下的内容,人类已经没有办法来验证自己是对是错:你可以说物理学死了,也可以说它完全沦入了“空想科学主义”的泥潭。但我们相信,天才就在我们身边,但我们不知道他是谁;我们相信,终极理论一定存在,但我们不知道,该如何去验证它。

统合量子理论和引力,以创造出一个“大一统理论”,这个问题,挫折了20世纪最聪明的心智,包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎。他们终其一生,都在追寻这个目标,但都未能成功。直到20世纪后期,科学家们才提出了一些新的理论,试图驯服万有引力,完成大统一理论的构建——其中,最具代表性的,就是超重力论、超弦理论和M理论。

1976年,纽约州立大学石溪分校的三位物理学家(施瓦茨、谢尔克、温伯格),写下了超重力理论。这个理论,对黎曼的“度量张量”模型进行了深入研究,几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。

他们发现,在一个十一维的度量张量模型里,包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力:爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。

打开网易新闻 查看精彩图片

简单来说,这个十一维的模型,就像一个“万能容器”——如果把它简化成四维,就是爱因斯坦的重力场(描述万有引力);提高它的维度数,我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组(描述电磁力)和标准化模型(描述强作用力和弱作用力);最终,在十一维度,这个模型可以统合代表四种作用力的所有方程组。

超重力论的提出,曾让物理学界看到了大统一理论的曙光——它第一次尝试将万有引力与其他三种自然力真正纳入同一个理论框架,打破了广义相对论(描述引力)与量子力学(描述其他三种力)之间的壁垒。

按照这一理论的设想,十一维空间中,除了我们能感知到的四维时空,剩余的七维空间同样蜷缩在普朗克尺度下,与超弦理论中的六维流形类似,只是维度数量和卷曲方式有所不同。这些额外的维度,就像隐藏在宇宙角落的“秘密通道”,承载着万有引力与其他三种力的联结密码。

然而,看似完美的超重力论,很快就暴露了致命的缺陷。

科学家们在对这一理论进行量子化处理时发现,它无法解决“无穷大”的难题——在计算量子引力的过程中,会出现无数无意义的无穷大数值,这意味着理论本身存在逻辑漏洞,无法与实验观测相契合。更关键的是,超重力论无法解释夸克、轻子等基本粒子的质量来源,也无法兼容当时已被验证的部分量子力学实验结果,这让它逐渐陷入了困境。

尽管超重力论最终未能成为终极的大统一理论,但它并非毫无价值。

它首次明确了“高维度空间是统合四种自然力的关键”这一核心思路,为后续超弦理论的发展奠定了重要基础。它证明了,要驯服万有引力,就必须跳出四维时空的局限,从更高维度的视角重新审视宇宙的本质——而这一思路,也成为了后来物理学家们追寻终极理论的核心方向。

当超重力论的困境日益凸显,物理学家们开始寻找新的突破口,超弦理论便在这样的背景下应运而生。

如果说超重力论是“在十一维空间中搭建统一框架的尝试”,那么超弦理论就是“用更基础的‘弦’来重构宇宙万物的探索”——它不仅继承了高维度空间的核心思想,更试图从最根本的粒子结构出发,解决超重力论无法攻克的难题,真正实现四种自然力的统一。

打开网易新闻 查看精彩图片

1968年,欧洲核子研究中心(CERN)的实验室里,两位年轻的理论物理学家正在致力于破解基本粒子强相互作用的奥秘。

这是微观物理领域的核心难题之一,当时的物理学家们尝试了无数方法,都未能找到一个能完美描述这种相互作用的理论框架。

就在他们一筹莫展之际,一个意外的发现打破了僵局——他们偶然发现,19世纪数学家欧拉早已完成的欧拉贝塔函数,竟然与描述基本粒子强相互作用所需的全部特质高度契合,仿佛这个诞生于百年前的数学公式,就是为解读微观世界而量身打造。

这个偶然的契合,直接催生了超弦理论的雏形。

与传统物理学认为“粒子是宇宙基本元素”的观点不同,超弦理论提出了一个颠覆性的猜想:我们眼中的电子、光子、中微子、夸克等所有基本粒子,看似是独立的点状粒子,实际上都是由极其微小的一维“弦”构成,这些弦的不同振动模式,就对应着不同的基本粒子。

打开网易新闻 查看精彩图片

这就像小提琴上的琴弦,同样一根弦,通过不同的振动频率,能发出不同音调的声音;而宇宙中的“弦”,通过不同的振动模式,便形成了我们所熟知的各种基本粒子,构成了整个物质世界。

打开网易新闻 查看精彩图片

这些宇宙弦的尺度极其微小,其典型长度约为物理学中的基本长度单位——普朗克长度,即10的-33次方厘米。

打开网易新闻 查看精彩图片

这个尺度有多小?我们可以做一个直观的对比:原子核的直径约为10的-13次方厘米,而普朗克长度比原子核还要小万亿万亿倍,小到现有任何观测设备都无法直接探测。

理论学家认为,普朗克长度是基本尺寸的极限,在比它更小的尺度里,已知的物理学定律会崩塌,时空会呈现出混沌的“量子泡沫”状态。

按照超弦理论的描述,粒子并非宇宙的核心,物理定律就如同琴弦振动的合音定律,所有自然基本定律,都可以通过弦的振动规律得到统一解释。

我们可以用一个生动的比喻来理解:如果把整个宇宙看作是一片由宇宙弦组成的浩瀚海洋,那么基本粒子就像是海洋中不断涌现又不断湮灭的泡沫,它们的生灭起落,都是弦振动的自然结果。我们所感知到的现实物质世界,所见的星辰大海、山川草木,乃至我们自身,本质上都是宇宙弦演奏的一曲壮丽交响乐。

更令人惊叹的是,弦本身还是能够储存大量数据的最精简方式之一,这也为未来人类探索宇宙信息提供了全新的思路。

打开网易新闻 查看精彩图片

随着超弦理论的不断发展,科学家们在其基础上提出了弦场理论,进一步完善了这一理论体系。

超弦理论与弦场理论的结合,成功统合了自然界的所有基本规律和作用力——无论是宏观世界的引力,还是微观世界的电磁力、强相互作用力、弱相互作用力,都能在这个理论框架中得到合理的解释。

被誉为“数学界诺贝尔奖”的菲尔兹奖章获得者、著名物理学家威滕,曾对超弦理论给予了极高的评价:“所有物理学上的伟大思想,都是超弦理论的副产品。”这句话虽然略显绝对,却也道出了超弦理论在物理学发展中的核心地位。

超弦理论的出现,让物理学家们看到了实现“大一统”的希望,但一个巨大的难题随之而来:这个看似包罗万象的理论,缺乏坚实的数学基础。

许多科学家坦言,超弦理论更像是一门属于21世纪的物理学,却意外落入了20世纪,而人类目前的数学水平,还不足以精确描述它的核心内涵,无法为其提供严谨的理论支撑。

解开这个困局的,是一位堪比黎曼的数学天才——拉马努金。

打开网易新闻 查看精彩图片

这位生于1887年的印度数学家,有着一段极具传奇色彩的人生:他少时命运坎坷,家境贫寒,甚至没有通过升高三的考试,无法接受系统的高等教育。但凭借着与生俱来的数学天赋,他在孤立无援的情况下,仅凭个人才智,按照自己的思维方式,独立探索数学的奥秘。

26岁那年,拉马努金鼓起勇气,给当时著名的数学家哈代写了一封信,信中包含了120个全新的数学定理。令人震惊的是,这些定理中,很多都是欧洲数学界花费百年时间才逐步推导出来的成果,而这位从未接触过欧洲数学研究的印度青年,竟然凭借一己之力,完成了这场跨越时空的“数学重逢”。

拉马努金的研究成果,被整理成三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个极具创新性的数学公式。后人在这些笔记的基础上,总结出了著名的拉马努金模函数——这是一个奇特的数学表达式,包含了高达二十四次的乘幂,看似复杂难懂,却为超弦理论提供了关键的数学支撑。

正是这个模函数,证明了一个至关重要的结论:超弦理论只有在十维时空里才是自洽的,也就是说,能够产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,其维度数必然是十维。

这一发现彻底解决了超弦理论的数学困境,也重塑了人类对宇宙维度的认知。我们日常感知到的宇宙,是三维空间加一维时间的四维时空,而拉马努金的数学推导告诉我们,宇宙的本质远比我们想象的复杂,剩下的六个维度,被卷曲成了极其微小的尺度,蜷缩在普朗克长度的范围内,我们无法通过日常观测感知到它们的存在。

就像一根细细的吸管,从远处看,它是一维的线,但近距离观察,才能发现它其实是三维的圆柱体——宇宙的额外维度,就如同吸管的横截面,被压缩到了极致,难以被察觉。

拉马努金的天才之处,不仅在于他凭借一己之力推开了数学的新大门,更在于他的研究,为超弦理论找到了坚实的数学根基,让这门看似“空中楼阁”的理论,有了被进一步研究和发展的可能。

可以说,没有拉马努金的模函数,就没有超弦理论的后续发展,这位贫困而孤独的天才,用自己的智慧,为人类探索宇宙真理点亮了一盏明灯。

1994年,超弦理论迎来了第二次革命,这场革命的核心,便是M理论的诞生。以威滕为首的一批顶尖物理学家提出,超弦理论并非完美无缺,之前提出的五种不同版本的超弦理论,其实都是某个更宏大理论的不同侧面,而这个更宏大的理论,就是M理论。

打开网易新闻 查看精彩图片

作为被提议为“物理终极理论”的学说,M理论的核心目标,是用一个单一的理论,解释宇宙中所有物质与能源的本质,以及它们之间的所有相互作用。它成功整合了之前的五种超弦理论,并且引入了十一维时空的超引力理论,将宇宙的维度从十维提升到了十一维。

打开网易新闻 查看精彩图片

威滕等人认为,从十一维的M理论中,可以找到“手征性”的起源——这是粒子物理中的一个关键概念,也是之前超弦理论无法完美解释的难题。

他们提出,将M理论中的一个空间维度收缩成一条线段,就能得到两个用这条线段连接起来的十维时空,这就完美契合了超弦理论的十维时空要求,也解决了不同版本超弦理论之间的矛盾。

为什么是十一维时空?

这背后有着严谨的物理逻辑:广义相对论并没有对时空的维度规定上限,在任何维度的黎曼流形上,都能建立起引力理论;但超引力理论却对时空维度设定了一个明确的上限——十一维。

更令人振奋的是,科学家们已经证明,十一维不仅是超引力理论所能容许的最大维度,同时也是能够纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维度,而这个等距群,正是描述微观粒子相互作用的核心数学结构。

这意味着,十一维时空是兼顾引力与微观粒子作用的最佳维度选择,也是M理论能够统合所有自然规律的关键。

M理论的诞生,让人类距离“大一统理论”的梦想又近了一步。作为弦论第二次革命的核心推动者,威滕也因此获得了极高的声誉,被美国《生活》周刊评为二战后排名第六的“最有影响的人物”——能与他并列的,都是改变世界的顶尖人物,这也足以看出M理论在物理学界的巨大影响力。

从黎曼提出的几何理论,到麦克斯韦的电磁理论,再到爱因斯坦的广义相对论、量子力学、超引力理论,直至超弦理论、M理论,人类历史上一代又一代伟大的智慧头脑,前赴后继地投身于探索宇宙真理的事业中。

他们用毕生的心血,一点点揭开宇宙的神秘面纱,展示出物理学的恢弘气象。而时至量子力学诞生,物理学迎来了发展的高潮,人类对宇宙的认知,也达到了前所未有的深度。

然而,就在物理学家们以为即将实现终极梦想之际,一道难以逾越的鸿沟横亘在了他们面前——这就是物理学界所说的“大沙漠”。

打开网易新闻 查看精彩图片

物理学发展到今天,要想进一步突破,验证超弦理论、M理论等前沿学说,就不得不依赖大型粒子对撞机的实验结果,但大型对撞机的发展,却陷入了两难境地。

著名物理学家杨振宁先生生前曾明确表示,大型对撞机“盛宴已过”,并且告诫自己的学生“你不要走这个方向”。

杨振宁的观点并非没有道理:大型对撞机的造价极其高昂,动辄需要百亿美元,即便是财力雄厚的国家,也难以承担这样的投入;而且,随着对撞机能量的不断提升,投入与产出的性价比越来越低,很难再获得突破性的发现。

但与此同时,一个无法回避的事实是,当代30%的诺贝尔物理学奖得主,都来自高能物理领域——这个领域,正是探索基本粒子、追寻大一统理论的核心阵地。

对于无数怀揣物理梦想的年轻一代来说,基本粒子领域就像是直抵宇宙真理的圣地,谁不想追随爱因斯坦的脚步,捧起那象征着物理学终极荣誉的“科学圣杯”?基本粒子的世界,隐藏着宇宙诞生、物质起源的核心秘密,探索它,就是探索人类存在的本质。

因此,尽管面临诸多困难,依然有无数物理学家投身于高能物理研究,试图突破现有困境。

打开网易新闻 查看精彩图片

矛盾的核心,始终围绕着大型粒子对撞机展开。对于粒子物理研究而言,要想观测到更微小的粒子,探索更深处的物理规律,就必须让对撞机的能量不断提升,而能量的提升,必然意味着对撞机的规模不断扩大——只有更大的对撞机,才能将粒子加速到更高的能量,模拟宇宙早期的高能状态,从而观测到隐藏的物理现象。

这是因为,根据海森堡的“不确定性原理”,一个粒子的位置和动量无法同时被确定,要想看清越小的东西,就需要“光源”发出的粒子波长越短;而根据光速与波长、频率的关系,以及能量与频率的关系,波长越短,意味着粒子携带的能量越大。

因此,要想窥探微观粒子的核心奥秘,就必须用携带巨大能量的探测粒子,而大型粒子对撞机,就是实现这一目标的唯一工具。

目前,人类最先进的大型强子对撞机,在2013年验证了标准模型中最后一个粒子——希格斯玻色子,之后便再没有重大的突破性发现。而要验证超弦理论、M理论等前沿学说,需要的能量量级高达10的24次方电子伏特,而大型强子对撞机所能产生的能量,仅为10的13次方电子伏特——这之间相差了11个数量级,这段巨大的能量差距,被物理学家们称为“大沙漠”。

更令人绝望的是,要跨越这片“大沙漠”,所需的对撞机规模超乎想象:如果采用常规的直线加速器,要达到10的24次方电子伏特的能量,需要的加速器长度高达7光年;即便是采用更先进的尾波加速器,也需要47亿公里的长度,这与科幻小说《三体》中描述的环日加速器规模相当。

而如果要达到量子引力能级,需要的常规加速器长度甚至可能达到几十万光年——这相当于一个环银河系加速器。以人类目前的科技水平,要建造这样规模的加速器,几乎是不可能完成的任务。

对于整个人类文明而言,我们可以暂时搁置这个难题,等待科技水平的提升;但对于那些投身于前沿研究的天才物理学家来说,他们却没有那么多时间等待。

生命有限,而探索无限,他们穷尽一生追寻的真理,或许需要百年甚至更久才能得到验证,这种“生不逢时”的遗憾,成为了当代物理学家无法摆脱的困境。

每每谈及20世纪的“哥本哈根学派”,每看到1927年索尔维会议的那张合影,无数物理学爱好者都会心生敬畏、顶礼膜拜。那张照片中,聚集了爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等顶尖物理学家,他们是量子力学的奠基人,是那个时代物理学的“黄金一代”。

有人说,这一代人之所以被奉为传奇,并非仅仅因为他们的天赋超群,更因为他们赶上了一个好时代——经典物理学的大厦在20世纪初轰然倒塌,他们恰好站在一片物理学的“新大陆”上,每一次探索,都能发现全新的宇宙奥秘。

更重要的是,他们提出的理论,都能够通过当时的实验得到验证:爱因斯坦的广义相对论,被日食观测所证实;量子力学的诸多猜想,也能通过简单的实验得以佐证。

即便到了今天,我们依然在用“黑洞”照片,印证着爱因斯坦的远见卓识。

打开网易新闻 查看精彩图片

那个时代,理论与实验相互支撑,物理学家们的每一个猜想,都能很快得到答案,这种“心想事成”的探索体验,是当代物理学家难以想象的。

而到了21世纪,物理学的前沿领地,无论是超弦理论,还是M理论,都需要在亚原子领域的极端条件下才能得到验证。

这些理论描绘的宇宙图景极其壮丽:从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈,到太空中飞旋双星高雅的华尔兹;从宇宙大爆炸的原初火球,到星河璀璨的壮丽漩涡,每一个细节都充满了诗意与美感。但遗憾的是,这些优美的理论,至今无法通过实验得到证实,没有人知道,这些猜想究竟是宇宙的真相,还是物理学家们的“美好幻想”。

这意味着,再伟大的当代物理学家,即便其学识能力不逊色于牛顿、爱因斯坦,也很难在自己的有生之年,看到自己的理论得到验证。

威滕就是如此,他作为M理论的创建者,被认为是当代最伟大的物理学家之一,其综合学识能力被广泛认可,但他穷尽一生研究的M理论,在他的有生之年,或许永远无法得到实验佐证,世人也无法在当下见证他的丰功伟绩。

超弦理论也面临着同样的困境,它虽然被认为是统合所有自然规律的最佳候选理论,却因为无法通过实验验证,被世俗之人贴上了“空想科学”的标签。

就像一首优美却无人能听懂的乐曲,即便旋律再动人,也难以获得广泛的认可。

有人说,“再厉害的肖邦,也弹不出物理学家的悲伤”,这句话,道尽了当代物理学家的无奈与遗憾。

杨振宁先生从现实主义的角度,告诫年轻学者不要投身于大型对撞机相关领域,自然有他的道理。

在他看来,与其投入巨额资金建造大型对撞机,却难以获得突破性发现,不如将资源投入到其他更具性价比的物理研究领域。

毕竟,如果一个理论始终无法通过实验验证,再优美、再严谨,也会逐渐堕入玄学的领域,失去科学的本质。

或许,我们目前还无法建造足以验证超弦理论、M理论的大型对撞机,或许,当代物理学家们穷尽一生也无法见证自己的猜想得到证实,但他们的探索,依然有着不可磨灭的意义。

他们用自己的智慧,为人类打开了通往全新宇宙图景的大门,为后代物理学家的研究奠定了坚实的基础。

宇宙的奥秘无穷无尽,人类的探索永无止境。或许在百年之后,随着科技的飞速发展,人类能够建造出足以跨越“大沙漠”的粒子对撞机,能够验证那些如今看似“空想”的理论,能够真正实现爱因斯坦等老一辈物理学家的“大一统”梦想。

而到那时,人们一定会记得,在21世纪,有一群伟大的物理学家,在困境中坚守,在迷茫中前行,用自己的一生,追寻着宇宙的终极真理。