巅峰挑战：用一个方程式解释宇宙

提起爱因斯坦，大家的脑海里总会浮现出这样一张脸：满头飘逸的白发，沧桑的皱纹，深邃的眼神……

其实，爱因斯坦发表狭义相对论时只有26岁，完成广义相对论时也不过35岁。那时的爱因斯坦是这样的小鲜肉：

1919年，光在太阳的引力场中弯曲的现象被观测到，广义相对论正式被实验证实。当年40岁的爱因斯坦光速“出圈”，成为世界级学术明星。

然而，就在1919年4月，正在人生巅峰的爱因斯坦收到了一封改变命运的来信，从此走上了一条不归路，为之奋斗40年竟徒劳无功，最终变成了我们今天熟知的沧桑模样：

寄信人是一个不为人知的年轻数学家：西奥多·卡鲁扎。

在短短几页里，他用纯数学方法向爱因斯坦证明了：如果把广义相对论的方程从四维（三维空间+一维时间）增加到五维，不仅可以由此推导出四维时空的相对论方程，还同时得到了描述电磁场的麦克斯韦方程组！

你不需要成为爱因斯坦，也能看出其中的玄机：相对论描述的是时空的弯曲，也就是引力场。如果从描述引力场的相对论方程可以推导出电磁场方程，那是不是意味着，看似毫无干系的引力和电磁力，其实是一种东西？

难道人类发现的所有物理规律，其实只是盲人摸象、各执一词？

难道宇宙的所有规律，都蕴藏在一个方程式中？

难道我们所知的宇宙，其实只是一个更高维宇宙的冰山一角？

从那一天起，爱因斯坦看到了物理学的终点线上，那座闪闪发光的圣杯在向他召唤。

那是宇宙的终极蓝图。

万物归一的终极理论

20世纪初，物理学家开始意识到，也许所有的物理学都可以统一为一个方程。它被称为“统一场论”、“万有理论”、“终极理论”，是所有物理学家心目中的圣杯。

用一个方程解释宇宙万物的终极理论，真的存在吗？

虽然卡鲁扎早在100年前就发现了线索，但直到爱因斯坦逝世的40年间，这条道路竟毫无进展。

在人类已知的宇宙版图内，共存在着四种力：引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。

引力是什么，对于被地球牢牢地绑在地面上、每天盼望着天上能掉苹果的我们，自然不必多说；电磁力在我们的生活中也很常见：带静电的两个小纸片会同性相斥、异性相吸，手机能连上5G信号，包括摩擦力、阻力、压力、表面张力等都是电磁力的作用；至于强力和弱力，只有到达原子核这样的微观尺度才能发现。

令科学家一直困惑不已的是，为什么四种力之间的差别如此之大？

比如，在相同的距离上，电磁力比引力强1036倍，一枚小小的冰箱贴就能抵挡整个地球的引力。但是，一旦距离拉远，电磁力就会迅速衰减，而引力从地球到太阳、到银河系、乃至整个宇宙的尺度都能发挥作用。“弱力”听上去很弱，但它也比引力大1025倍。四种力中最强的是名副其实的“强力”，比引力大1038倍，能克服电磁力的强大斥力，将质子和中子紧紧粘合为原子核。相信看过《三体》的同学，多年以后仍能回想起，地球舰队被强相互作用材料制成的“水滴”撞得灰飞烟灭的恐惧。

卡鲁扎虽然在更高的维度上把引力和电磁力合二为一，但他能做的也就到此为止。对于剩下的强力和弱力，就连爱因斯坦也束手无策。

爱因斯坦之后，卡鲁扎-克莱因方程逐渐变成了一种既无法证实、也无法证伪的“玄学”。人们不禁开始怀疑，把宇宙四大力合为一体的“终极理论”，是否只是爱因斯坦的大梦一场。

然而就在这时，有人却从另一个方向上取得了突破。

标准模型的诞生

统一所有四种力很难，强如爱因斯坦都搞不定——那如果尝试另一种思路呢？

比如，把引力撇开放一边，先试试剩下的三种力如何？

迈出第一步的，正是斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）。

1967年，温伯格成功完成了弱力和电磁力的统一，把弱力和电磁力变成了同一种力——电弱力的不同表现。这个模型还预言了一种当时尚未发现的轻子相互作用：中性流，并且于1973年被实验证实，温伯格也因此与格拉肖和萨拉姆分享了1979年度诺贝尔物理学奖。

从此，从量子力学的微观小粒子出发，向最终完成四大基本作用力的统一之路，正式拉开了序幕。

在温伯格发表电弱统一论文的当年，这个理论几乎无人问津。从1967年到1971年的五年间，这篇具有划时代意义的论文，其引用次数竟然为零（今天的引用次数超过1万）。

不过短短几年后，它就成了学术界备受关注的明星。越来越多的人看到了它的潜力，粒子物理学家们纷纷加入，在温伯格模型的基础上添砖加瓦，建成了今天高能物理的大厦：标准模型。

和爱因斯坦几乎单枪匹马创立相对论的奇迹不同，标准模型是物理学家们群策群力的产物。温伯格关键性的“弱电统一”，也是建立在此前杨振宁和米尔斯建立的“杨-米尔斯”规范场论的基础上，更不用提和温伯格分享诺奖的另外两位了。

今天，普通人听到“量子力学”，第一反应往往是“薛定谔的猫”、“双缝干涉”、“测不准原理”等等。甚至有不少人觉得，好像物理学发展到了爱因斯坦和薛定谔时代就停滞了——那是因为他们不知道标准模型。

“薛定谔的猫”只是100多年前量子力学初创时期的思辨，而温伯格开创的标准模型，把量子力学变成了科学史上最成功、规模最大、也最烧钱的理论。一台粒子对撞机，耗资动辄几十亿、甚至上百亿美元，就是为了让科学家验证标准模型所预言的61种粒子！

粒子对撞机内部

我们对科学理论的最大幻想，无非是希望它既可以囊括一切、又可以预言一切，还能和现实完美匹配。以此衡量，标准模型的成功无出其右。

迄今为止，标准模型已经做到了：

统一四大基本作用力中的三种：电磁力、弱力、强力。

预言了61种基本粒子，已经全部被实验证实。

根据标准模型的理论计算结果，和实验数据惊人地吻合，误差小到小数点后十几位。

不过，标准模型真的无懈可击吗？

当然不是。1998年，第一个挑战标准模型的实验结果出炉：日本中微子探测器“超级神冈”发现，中微子存在静止质量，而标准模型预言中微子静止质量为零！

不过，经过不断完善之后，标准模型仍然屹立不倒。就连几十年来都没找到的希格斯玻色子，也在2012年7月被欧核中心的大型强子对撞机所发现，从此标准模型预言清单上的61个基本粒子被划掉了最后一条。

“上帝粒子”—— ATLAS 探测器模拟的希格斯粒子衰变艺术效果图

杨振宁先生曾多次公开表示，不支持建造更大规模的粒子对撞机，因为高能物理“盛宴已过”，用类似实验不太可能做出能挑战、甚至颠覆标准模型的结果。标准模型就好比一位开了上帝视角的旅行家，在地图上预先标好了所有景点的定位，我们这些吃瓜群众能做的仅仅是打卡拍照、转发朋友圈而已。

现在，61个景点已经打卡完毕，在朋友圈的一片点赞声中，总有不知天高地厚的少年，不甘心地问：

“这就是终点了吗？”

一步之遥

尽管标准模型空前成功，然而在科学家这群耿直boys当中，对它看不顺眼的却有很多。

据温伯格自己回忆，当年他对某个同事讲完标准模型之后，没想到同事直言不讳说出了这样的感想：“这不是对物理的解释，只是描述！”

常被“纯血”理论物理学家诟病的是：标准模型中的许多参数，比如粒子质量、相互作用强度，并非从理论本身推算而得，而是根据实验结果反向“凑”出来的。也就是说，就连温伯格自己，也没法解释模型参数为什么恰好是这个值，只能说“因为这样就可以和实验吻合了呀！”

还有最致命的一点：标准模型始终没能统一引力。

正如爱因斯坦当年至死也无法将引力和其它三种力统一，这似乎意味着，物理学大厦的两大支柱——量子力学和广义相对论之间，仍然存在着一道看似一步之遥、实则深不见底的鸿沟。

很多人意识到，要从根本上“融合”量子力学和相对论，也许不可能再靠对二者的修修补补，只能从头开始建立更本质的新理论，比如超弦理论和量子引力。不过遗憾的是，它们在实验上几乎得不到支持，要想超越标准模型，还有很长的路要走。

会有新的理论来走完这最后一步吗？

会有下一个温伯格、下一个杨振宁、甚至下一个爱因斯坦吗？

当那一天来临，人类会开启“上帝视角”，看到宇宙蓝图的全貌吗？

让我们拭目以待。

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