物理学的忧伤

盛宴已过，

天才再无用武之地？

人类历史上，有一群顶尖天才存在。

正是因为有了他们的存在，人类才拥有壮丽文明和科学神话。

回首人类近现代史300年，这是科学“群星闪耀”的年代，他们的的名字是：哥白尼、伽利略、牛顿、费马、欧拉、高斯，黎曼，伽罗瓦、麦克斯韦、希尔伯特、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、哥德尔、图灵、费曼、拉马努金、杨振宁、外尔、威藤、霍金…………

他们并非个个家喻户晓，有的甚至命运多舛，但无论岁月如何风云变幻，最后我们必须承认，正是这些人构成了人类文明不断向前的基石。

是的，他们本来和我们一样，只是宇宙中一粒尘埃，但他们的思考力，却能洞穿整个宇宙。

但如果有一天，天才再无用武之地了呢？

最近，物理学家杨振宁先生说高能物理“盛宴已过”，第二次在公开场合反对中国建设大型对撞机，再次引发强烈争议。表面上杨振宁反对中国建设对撞机，但实际上是对“基础粒子研究”失去信心，这可是物理学最前沿的领域，也是物理学终极理论的希望之所，也就是说，一个顶尖物理学家对当代最前沿的物理学研究方向不再信任，这就是“物理学的忧伤”。

这决不是某一个人的观点，而是很多物理学家的共识：理论物理学已经开始走入空想主义，“科学圣杯”距人类愈发遥远，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，已经走入了死胡同。

近60年来，再无获得共识的伟大的物理学理论问世；

近60年来，也再无伟大的物理学家被奉为“灯塔”；

近60年来，也再无激动人心的新人理论得到验证；

很多时候，我们甚至怀疑，真的有一个超级文明将我们的物理学锁死了！

回首人类物理简史，看看“盛宴已过”到底是危言耸听，还是智者箴言？

一切回到宇宙本原，重新来思考物理学的一切。

宇宙是从什么时候开始的呢？现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论，英文叫做Big Bang！

“哈勃红移”和“宇宙微波背景辐射”这两大实验数据支持了这一理论：宇宙就是源于一个大爆竹。

当然你可能会问，那爆炸之前是什么呢，点燃爆炸的人又是谁呢？这些问题属于哲学的范畴，不属于科学的领域，如果一定要死嗑这个问题，牛顿会用“上帝是第一推动力”来忽悠你的。

创世时间表

# 10E－43秒，十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃，缩成10E－32公尺。四维宇宙（我们今天所在的宇宙）则迅速爆炸，此时的温度高达10E32（10的32次方）度；

# 10E－35秒，大一统作用力崩解；

# 10E－9秒，电弱对称崩解，此时的温度是10E15度；

# 10E－3秒，夸克开始凝聚，中子与质子出现，此时的温度是10E14度；

# 3分钟，质子与中子开始凝聚成稳定的原子核；

# 30万年，电子开始凝聚在原子核周围，第一个原子出现；

# 30亿年，第一个似星体(quasar)出现;

# 50亿年，第一个星系出现；

# 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。

不管你信不信，这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。

表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值，没有任何一个是可以直接测量的，因为目前咱们人类的技术和工具水平，还远远不能企及到那个数量级。

但是，人类的天才们做到了——这个时间表里面的每一个数字的背后，都是一堆严密的公式和演算，都是无数的物理学家和数学家呕心沥血的结晶，这些结论是基于科学本身做出的演绎和推理，而不是凭空想像。

回顾宇宙极简史之后。

现在要问的是，物理学最前沿的研究领地在哪里？

今天，寻找最古老的问题的答案就是物理学最前沿的研究方向

我们从创世时间表的第一个事件谈起：十维宇宙分裂。

维度和多维宇宙

一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动，所以，我们把直线或曲线叫做：一维空间；

一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动，所以，我们把平面或曲面叫做：二维空间；

一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动，所以，我们的空间叫做是：三维空间；

（加上时间一维，我们的世界是四维的，合称时空。）

依此类推……

如果，有人告诉你，多维空间（四维以上）的人，看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然，就像我们看二维平面上的圆圈一样？因为我们拥有第三维的“上帝视角”。

阿米巴扁平虫只能感知二维的世界，我们如何证明我们所能感知的所谓“真实”，岂不是也受限于我们自己的认知条件？

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，因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。

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。在这个十维空间中，有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法，十维空间是宇宙这座大琴的音箱，拨动这些弦造成不同的音高与音色，于是产生不同的基本粒子，进而发展出所有的物质与作用力。

最新的“M理论”，由当代物理巨匠威藤提出，结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论，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。

“超弦理论”和“M理论”都野心勃勃想统一广义相对论与量子力学，完成爱因斯坦的夙愿，构建终极“大统一理论”，这就是理论物理学最前沿的研究方向。

构建“大统一理论”着手点是统一四种自然力，必须从最基础的粒子作用开始研究，由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力，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）。理论上宇宙间所有现象，包括十维空间都可以用这四种作用力来解释。

只有四种自然力

两千年来，科学家已经发现我们宇宙的所有现象，都可以简化成四个作用力：

❶电磁力（electromagneticforce)：包括电力、磁力和光本身，合称为电磁力。电荷（磁级）正负相同为排斥力，相反为吸引力。由光子传递，与电量成正比，距离成反比。长程力，在四种力中第2强。

❷强核力 (strong nuclearforce)：是夸克之间的吸引力，由胶子传递（束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递）。在有效距离内，距离越大，力约大。短程力，在四种力中最强，也是恒星燃烧能量的自然力，氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。

❸弱核力 (weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态，是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递，较弱，短程力，作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

❹重力 (gravitational force，或称引力）：由引力子传递，与质量成正比，距离成反比。长程力，在四种力中最弱。

为何要统一自然力？

一旦人类将所有的作用力整合成一个作用力，这时会有什么突破？

人类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。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。

回看一下人类掌握“力”的历史：

→人类诞生的历史超过数千万年，在99.99%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；

→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；

→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；

→麦克斯韦尔方程式，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，极大地改变了人们的生活。

→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足够摧毁自己所居住的行星的程度。

1854年6月10日，数学天才黎曼在德国哥廷根大学发表了《关於几何基础的假设》，撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。

黎曼认为欧几里德数学根基只是常识与直觉的流沙，而不是扎实的逻辑推演结果。

比如，欧式几何说三角形三个内角之和等于180度，这个看似简单的问题，在数学史上却从来没有被严密证明过！而且，假如身处弯曲表面的世界，这个公式就不成立了。

黎曼作出了牛顿两百年来首次划时代重大突破，彻底推翻了牛顿的超距作用原则，他认为：作用力源自于几何学，作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。（在牛顿早已成神的年代，说出这样的结论需要何种气魄。）

总结一下黎曼的伟大之处：

黎曼英年早逝，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，这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。

麦克斯韦，一个被忽视了堪与牛顿齐名的大科学家。

1873年麦克斯韦出版了电磁学专著《电磁学通论》。系统总结了19世纪中叶前后，库仑、安培、奥斯特、法拉第的研究成果，建立了完整的电磁理论。

将电力和磁力统一了起来，这让后来的爱因斯坦都感受到了压力。

费曼说到：“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。”

有了电磁学，才有了现代光学、电工学、电子学，就不可能有电气化和通信技术。

麦克斯韦一辈子太低调，我们帮他总结一下“光辉成就”：

1、狭义相对论，光速恒定⇒ E＝mc²

爱因斯坦小时候就喜欢自问自答：“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，让他在后50年里，带领人类走进了时空神秘之旅。

16岁时，爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。26岁时，他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他，用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论（special relativity）。

用一句话概括狭义相对论，那就是：光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼，但确是人类心灵的最伟大成就之一！

爱因斯坦进一步导出了下一个重大的结论：质量是从能量来的。

这个结论，一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒。自此以后，质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy）。

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。

让我们再来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

狭义相对论，统一了“时-空”，也统一了“质-能”。

统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦，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

2、广义相对论，空间是弯曲的⇒力学＝几何学

爱因斯坦由一个简单问题开始：“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问题掌握了重力基本特性：在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。这就是所谓等效原理（equivalence principle）。

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。

但是，根据费玛最短时间原理，光线会采取两点之间最短时间路径，爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论：如果我们可以观测到光线以曲线前进，那就意味着空间本身是弯曲的！（光以曲线前进这一预测，已经被后人的无数次实验反复证明。）

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。

数学家黎曼早在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，用数学形式表达了他自己的物理学新发现，这就是广义相对论（general relativity）。

让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程：

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，他终其一生研究统一场论，寻找万物之理。简单说，就是试图寻找一个公式，能够同时描述光与引力。可惜，他最终没有成功。

爱因斯坦的“大统一理论”虽然恢宏，但并未收到广泛关注和普遍认同，领一时风气之先的是另一套全新的理论：量子力学（quantum mechanics）

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。

这是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的解释自然力的理论，它的主要理论观点包括：

①作用力是由于不连续的能量包交换而产生（也就是量子：quanta）； 

②不同的作用力的产生来自于不同量子的交换； 

③我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置；

这里包括著名的海森堡测不准定理，这个听起来不怎么靠谱的定理，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。

④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。

听起来各种不靠谱？但是！这个理论不仅反复被实验证明，人们甚至根据该理论制造出了现代信息时代的基础性科技产品二极管。

量子力学以光子（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。

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”。（这也是杨振宁为什么一句话引发激烈讨论的原因，这毕竟是在世少有的大神。）

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＋电磁力。但是，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”！

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，却未对它们的来源做出任何说明。

在这里我们喘一口气，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。

在此之后，天才们所做的任何努力，我们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，不知道谁是真正的天才，天才就无用武之地，这真是一件很窝心的事情。

以下内容，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，也可以说完全沦入“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？

尽管步履蹒跚，但量子力学最终仍然整合了四种自然作用力的三种：强作用力＋弱作用力＋电磁力，而历史上最久远的“万有引力”却没有办法驯服，这是物理学上的终极难题，也是“大一统理论”的最大障碍。

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。

1976年，纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究，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。如图所示：

（图中的括弧，代表一个十一维的黎曼度量张量场。如果把它简化成四维，就是爱因斯坦的重力场；提高它的维度数，我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组和标准化模型；最终，在十一维度，统合了代表四种作用力的所有方程组。） 

超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力，但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向宇宙统一理论慢慢征途上的一块铺路石。新的，也是最强大有力的物理学计划已经登场，它就是：超弦理论（Superstring Theory）

1968年，超弦理论被意外发现。当时，两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心（CERN）意外发现19世纪数学家欧拉完成的欧拉贝塔函数，竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。

弦论可以用来描述引力和所有基本粒子，如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子，实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式，正如小提琴上的弦。

所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。

每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位，即普朗克长度（10E -33厘米）。

按照超弦理论，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深，可以解释所有的自然基本定律。

简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海，那么基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐！弦，是能够储存大量数据的最精简的方式之一。

超弦理论，以及在其基础上发展起来的弦场理论，统合了所有的自然律和作用力，菲尔兹奖章（诺贝尔奖没有设立数学奖，菲尔兹是数学界的最高奖项）获得者威藤说：“所有物理学上的伟大思想，都是超弦理论的副产品。”

超弦理论似乎包含了所有的物理学知识，极其广博精深。许多科学家认为这是21世纪的物理学，意外落入20世纪，但人类还没有发明21世纪的数学来精确描述它。

解开这个秘密的，是堪比当年黎曼的另一位数学天才拉马努金。他发现了一个重大秘密：我们只能在二十六维与十维中定义弦论，否则就无法用弦论整合已知的物理定律。

生于1887年的印度，少时坎坷，甚至没有通过升高三的考试。26那年，他给著名数学家哈代写了一封信，信中包含了120个定理。这位贫穷孤立的印度哥们，完全不知道欧洲数学界的任何研究资讯，纯粹凭个人才智、按照自己的方法，重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律。

拉马努金的研究成果包含了三册四百多页的笔记，其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数（Ramanujan funcation），这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明：弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说，产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙，它的维度数一定是十！

好吧，我们暂且认为，拉马努金这位天才给了超弦论数学解释。

1994年开始了弦论的第二次革命。

创立者威滕等人认为，从11维的M理论可以找到手征性的起源。他们将M理论中的一个空间维数收缩成一条线段，得到两个用该线段联系起来的10维时空。

作为“物理的终极理论”而提议的理论，M理论希望能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。其结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。

广义相对论没有对时空维数规定上限，在任何维黎曼流形上都能建立引力理论。超引力理论却对时空维数规定了一个上限——11维。更吸引人的是，已经证明，11维不仅是超引力容许的最大维数，也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。

由于弦革命的巨大影响力，其主要研究者爱德华·威滕(Edward Witten)被美国《生活》周刊评为二战后排名第六的“最有影响的人物”。

每个时代都不缺乏天才，对这个世界作凝视沉思，就像寻求生命的自我解放一样，吸引着每一个具有哲学气息的物理学家。

写到这儿，这一段物理诗史基本可以告一段落。

从黎曼、麦克斯韦、爱因斯坦的引力场，到量子力学，到超重力论，到超弦理论，到M理论，人类历史上这些伟大的智慧头脑，前赴后继探寻宇宙的真理，展示物理气象。

时至量子力学，物理学达到了高潮。

物理学发展到了今天，如果人类要进一步向前，不得不依赖于大型的粒子对撞机的实验结果。

虽然杨振宁先生称大型对撞机“盛宴已过”，并且告诫学生“你不要走这个方向”，但当代30%的诺贝尔物理学奖得主都在高能物理这个圈子，这又是一个必须面对的事实。

从物理学本身来看，基本粒子又是一个如此迷人的领域，直抵宇宙真理之地，对于那些拥有物理梦想的年青一代来讲，谁不想追随爱因斯坦的脚步，捧起那大一统的“科学圣杯”?

所以矛盾的集中点仍然在于大型加速器，对于粒子物理来说，加速器只有越造越大才能支撑基础物理的进步，但是动辄百亿美元的造价任何富豪都得掂一下自身斤两。

大型强子对撞机最近的立功时间最近在2013年，验证了标准模型中最后一个粒子希格斯玻色子，我们很难知道，下一代80-100km级的加速器会带来什么新的发现？

越到后面将会越难，上帝似乎想封锁亚原子领域的一切。

海森堡在“不确定性原理”指出，一个粒子的位置和动量不能同时被确定。所以，要看到越小的东西，就需要“光源”发出的粒子波长越短。由于光速等于波长和频率的乘积，而能量等于普朗克常量与频率的乘积，因此，粒子波长更短意味着能量更大。  

也就是说，要看清小小的基本粒子，需要用携带巨大能量的探测粒子才行。于是我们需要把探测粒子加速到很高的能量，能完成这种工作的装置就是粒子加速器。  

大一统理论能量量级目前预测为10^24eV，而大型强子对撞机对撞产生10^13eV，这之间的11个数量级被物理学家称为“大沙漠”。

如果用常规直线加速器，要达到10^24eV则需要7光年长。用尾波加速器则需要47亿公里，和三体中的环日加速器差不多长。要想达到量子引力能级的话用常规加速器可能需要几十万光年，也就是传说中的环银河系加速器，以人类目前的能力想要造出能够打破“大沙漠”的加速器，基本是不可能的，你能造出几光年的加速器吗？做不到啊！既然做不到，那么，倒不如先搁置咯。

人类可以暂时搁置，但对于这些天才的物理学家来说，他们又哪里等得起呢？

每每谈到上世纪的“哥本哈根学派”，我们都会对那一代人顶礼膜拜。

每每看到1927索尔维会议的那张照片，我们都会匍匐在地高山仰止。

但有另一种观点说：黄金一代并非那么优秀，只是因为经典物理学大厦在20世纪初倒塌之后，他们正好站在新大陆上，发现了一个不一样的宇宙！

而这所有的一切，都可以用实验来证明他们的理论，直到今天，我们还用“黑洞”照片来证明爱因斯坦的“远见卓识”，他们赶上了一个好时代。

到了21世纪，无论是超弦理论，还是M理论，这些物理学家集中的前沿领地，都要在亚原子领域才能获得验证，不知道100年后能不能获得证明？

也就是说，再伟大的物理学家，你也得将自己冰封起来才有可能见证自己的猜想。

所以，尽管M理论已取得累累硕果，尽管它的创建者威滕被认为综合学识能力并不逊色于牛顿，然而在他的有生之年，并没有办法让理论得证，世人也没有办法见证其丰功伟绩。

弦理论也一样，虽然它描绘了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，推理出从大爆炸的原初火球到星河的壮丽漩涡，但仍然被世俗之人认为是“空想科学的典型代表”。

再厉害的肖邦，也弹不出物理学家的悲伤。

作为当代物理学家的代表的杨振宁先生，从现实主义的角度给理想主义者提出自己的告诫，自然有他的道理。

如果不能让理论得证，再优美的物理理论都会堕入了玄学的领域。

唐·王勃在《滕王阁诗序》中感叹：呜乎！胜地不常，盛筵难再。

这就是物理学的写照。