爱因斯坦临终前一道题（爱因斯坦）

编注：这篇文章并不是详细介绍某一理论学说的，它只是在有限的内容里，尽可能地梳理为何科学研究会从广义相对论一直走到超弦理论。以及为何当时科学家们要如此去开展相关研究。文章用词尽量简单化，但是很多专业词如果不是很理解，没有关系的，大胆读下去即可，以后有时间再去细细研究即可。最后，祝你好运！

麦克斯韦毋庸置疑是伟大的，普朗克也毋庸置疑是伟大的，而爱因斯坦更是公认的伟大。但是，伟人们在给我描绘美好图景的同时，也会让我们看到美中不足。

爱因斯坦在他晚年时，一直努力尝试将广义相对论和量子力学进行统一，但可惜的是，直到他去世时也没能得到一个结果！

测不准原理

为何爱因斯坦要将广义相对论和量子力学进行统一呢？在当时，爱因斯坦的广义相对论可谓是一门精致的不能再精致的理论。

它在解释大型天体等各种宏观宇宙现象时精准性可谓是无一例外。但是，就在这时，量子力学研究里传来了“测不准原理”的消息。

什么叫测不准？要知道，如果我们向空中抛出一个物体，物体将会在空中做抛物线运动。在抛物线的各个时间点上，我都只要获得足够的参数，我们就可以测的物体的运动位置和运动速度，也就是说物体在空中的运动轨迹是可以预测的。

爱因斯坦

上帝掷骰子吗？

何为经典物理？即时间是个单一不变的量，物体的行为都只有一种历史模式。而量子力学却认为粒子的行为可以有无数个历史模型。

换句话说，经典物理认为，物体运动的每个时刻都只有一种路径选择，而在量子力学中，粒子运动的每个时刻却可以随机有无数种选择。

换句话说，量子力学认为，微观粒子的路径运动是随机的，不可预测的，就好比掷骰子一样。这也是为什么爱因斯坦在驳斥量子力学时说了一句“上帝是不会掷骰子的！”的原因。

但是，这句话却并没有给爱因斯坦带来足够证据，反而让其成为反面典型一直在流传。因为很多科学家都认为上帝是掷骰子的。

显然在解释测不准原理，量子力学可以解释的非常说的通。但是量子力学也有着它自身的局限，比如量子力学无法去解释广义相对论下的引力的本质。

在广义相对论中，爱因斯坦将引力的本质刻画成扭曲的空间下的不同势能。

扭曲的时空

爱因斯坦认为，我们的宇宙空间就像一张平铺的鱼网，而天体就想一颗颗有重量的铁球，如果谁的质量大，那么它将在鱼网中下陷的越深，也就是对铁球周围的空间的扭曲成都越大。而万有引力就是这些扭曲空间下不同的类重力势能。

显然，在解释万有引力上，量子力学是乏力的。

于是有意思的现象出现了，同一个宇宙，居然需要用两套看似完全不同的理论进行单独解释。我们很难去相信，宇宙的宏观面和微观面居然不是同一种事物。也正是在这种背景下，爱因斯坦尝试将二者进行统一的，只不过天妒英才，他走的太早！

既是波，也是粒子

量子场论

于是重担，自然也要顺延给后来者。

所以，从上世纪中期一直到现在，现代物理都在努力解决这个分歧。

科学家疯狂地对宏观世界进行量子化理论研究，于是诞生了著名的量子场论。

我们知道，场是一种波，无论是广义相对论还是电磁学都是场论，而量子论下的世界是粒子，这种完全看似矛盾的现象，但是却真实的发生在同一个宇宙身上。

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我们知道，自然界中存在四种基本力：

1、引力：万有引力，简称引力，引力发生在任何两个物体之间，引力虽然很小，但是作用范围却极远。

2、电磁力：电荷之间的相互吸引力，相同电荷相互排斥，相异电荷相互吸引。

3、强核力：简称强力，将原子核内质子和中子束缚在一起的力，此外，还包括束缚质子和中子自身的力。

4、弱核力：简称弱力，是原子核发生裂变和聚变时产生的力，是可以改变粒子但不致使原子核发生崩解的力。

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力这种概念，是场论，如果能将上述中的4种基本力都能用量子论来表述，那宏观世界的量子化就得到成功，现代物理将完全摆脱经典物理对它的限制，自然我们也会有了一个统一的理论，该种理论可以同时解释宏观世界和微观世界。

天才：费曼

• 电磁力的量子化过程

于是，第一个量子化过程开始了，它是电磁力。

在1940年，物理学家费曼（这个人真是一位天才！）和一些科学家将电磁力的作用机制描述为微观粒子间类似相互传球的过程。

费曼认为，场其实就是一种粒子，这种粒子叫做玻色子，电子之间力的作用就是玻色子在电子之间相互跳跃带来动量（产生力）并同时被吸收的过程，而电子等这类物质被称为费米子。

在这个解释中，力这种场被完美的粒子化，于是在接下来的若干年的实验中，费恩曼准确的预言了一系列现象，这使得费曼家喻户晓，而费曼创造的理论还有一个非常好听的名字：量子电动力学（QED）！

如果故事到这就结束了，那一切该多好，但是宇宙是非常有意思的，在你以为一切都已经非常完美的时候，他就得让你明白你的想法其实只是一种偏见。

QED虽然解释了一系列现象，但是它还是很难处理数学上的问题，即使费曼创造性的发明了费曼图，这也仍然难以解释无数历史模型下的电子在玻色子交换过程中产生的无穷大问题。

在这种情况的推导下，电子的电荷和质量居然会出现无穷大的情况，这显然是与实际不符的！于是，QED被迫进行重正化。

所谓重正化，实际上就是在无穷大的结果中减去一个无穷小的量，并得出一个多余的常量，这个常量就是电子的质量和电荷。

幸运的是，人们成功的进行了重正化。重正化虽然解决了无穷大的问题，但是在数学上却给人无限质疑，因为在这个过程中，电子的质量和电荷几乎可以是任何数值。

不过，总体而言，这种重正化还算是成功的，换句话说，电磁力的量子化基本完成。

• 强力、弱力的量子化过程

于是，在接下来的几十年中，科学家们进行了对强力、弱力的量子化过程，结果也可以算是成功。尤其是在对弱力的量子化过程中，弱力被很好地进行了解释和预言，而它的研究者萨拉姆和温伯格也成功问鼎诺贝尔奖。

• 问题关键：引力的量子化过程

如果说前3种力的量子化过程算是艰难，那比起引力的量子过程简直是小巫见大巫！

由于量子论中存在“测不准”原理，如果将场的数量值、变化速率与粒子的位置、速度对应起来的话，我们就会发现，场的数量值和变化速率中的任何一个变量被测的越准确，则另一个变量就会变得越不准确，这对于研究简直就是一种灾难！

但是在这个尝试过程中，人们发现一个结论：宇宙不存在真正意义上的真空！

因为真空就意味着场的大小和它的变化速率二者都恰好为零，但是由于测不准原理，宇宙不允许场的大小和它的变化速率二者都是精确的，所以宇宙空间不存在绝对的真空。

但是，它可以有一种最小能量状态，我们姑且称其为真空。

但是这种真空是在量子扰动或真空波动的范畴内的，换句话说，粒子和场在存在与不存在之间来回转换。我们可以把真空波动想象为几对粒子，它们在某时刻一起出现，然后分开，最后彼此湮灭。

费曼，把他们的这种关系称为闭环！这些粒子被称为虚粒子，与我们世界的真实粒子相对应，可喜的是，这些虚粒子已经被实验所捕捉到了。

但问题是，这些虚粒子也具有能量，并且数量无限多，自然能量也无限多。

于是，无穷大的问题再一次出现在这个过程中，此时除非能够进行重正化，否则引力量子化进程又会陷入困境。

但是后来证实，重正化根本无法进行，因为广义相对论中不存在足够多的可重正化参数。在这种情况下，如果此理论还要被看作是合理的话，它只有一条路可走，即把所有的无穷化从理论中剔除。

弦论：粒子由振动的能量弦构成

弦论的“超引力”

1976年人们发现一个可能解决这个问题的方案。它被称为“超引力”，其中的“超”不是说这种理论超级厉害，也不是一种特地附加的前缀，“超”指的是对称性。

我们知道，如果一个系统的性质在某种特定变换下，它能保持不变，那么它就具有对称性。举例而言，天空中的正方体，我们将正方体进行180度的反转，结果发现正方体在性质上和没有反转前一样，这就是对称性。

超对称性，指的是一种更加微妙的对称，它可以不受空间变换的影响。在超对称被提出的过程中，人们发现，力粒子和物质粒子（也就是力和物质本身），事实上是同一事物的两面。

这就意味着，每个物质粒子，比如电子、夸克应该具有与其相配的粒子。这就使得解决无穷化成为一种可能。

“超对称”概念的建立，就来源于弦理论。

根据弦理论，粒子不是点，而是具有长度但没有高度和宽度的振动能量线。

弦论也导致无穷，但是人们认为在其正确的版本中，所有的无穷都会被取消。

除此以外，弦论还有一个非常亮眼的特征：弦论要保持连贯的话，他必须拥有10到11个维度。

这是一个令人震惊的结果！我们知道目前可感知到的维度只有4维，假如它正确，那其他的维度去哪了，为什么我们觉察不到。

对此，弦论认为，在宇宙大爆炸的过程中，前四维度随着空间、物质、能量一起突破了原先很小的尺度范围，而其他维度则继续被卷曲在原来那个微小尺度内。

霍金在电影《万物理论》宣传会上

万物之理论（TOE= Theory of Everything）！

但是弦论对于这些额外维度的卷曲方式似乎没有得到统一，目前至少存在五种弦论学说以及数百万种卷曲方式。

这种情况对于相信弦论的人来说是很尴尬的，但是，到了1994年，人们开始发现不同的弦论以及额外维度的不同卷曲方式，其实就是描述四维时空中的同一现象的不同方法。

现在，弦论学家，已经确信五种不同的弦论仅仅是一个更基本理论的不同近似。

而这个更为基本的理论称为M理论，M理论可以认为是超弦理论的更高级版本，M代表什么，有很多种说法，但不得不提M理论有另一个名称，膜理论。

但是命名M的威顿自己说，他没有按“膜”的英文大写字母M来解释它，他原本提倡这种理论叫M理论，其实M是Mother的意思，意思就是所有宇宙事物的母亲，万物之理论（TOE= Theory of Everything）！

宇宙？粒子？

总结

从这一路走来，一路艰辛相伴。万物理论的前提假设，只是人们倾向的认为，统一的事物应该可以用一种理论来描述。

但是，这是否真的正确？这真是一个值得争论的问题。

但是，为什么一路走来，很多弦论科学家在犹豫之后，还一直坚持了下来呢？

坚持对于科学家是需要胆量和勇气的！

我想，一方面是因为他们在4种力的量子化过程中看到了世界的统一性，而且各种迹象也倾向地表明了这种思想的正确性。

但是，世界就是世界，他不会为了人类而改变自己。在这种前提下，我们只能去认识更多，发现更多。

但是，我们始终倾向认为，宇宙的本源应是一种无比简单纯粹的规律法则，只是我们还没发现而已，而万物理论绝对是对此进行冲击的一次伟大尝试！

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作者:蚊子与茶杯

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