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在廣義相對論問世100周年的今天，人們仍然在不停地追問：宇宙中存在“放之四海皆準”的真理嗎？然而，目前還沒有適用于所有尺度的物理理論，也許也永遠都不會出現這樣的理論。

正如理查德·費曼（Richard Feynman）曾推測的，自然可能就如同一個洋蔥，被一層一層的外殼所包裹，每剝開一層，我們就會發覺已有的美妙的理論被歸入到一個全新的更廣闊的架構中。所以，永遠有新的物理學理論等著我們發現，永遠不會出現一個無需修正就適用于所有空間與時間尺度的終極普遍理論。

不管你在何時談論日常生活中的什么事情，其實都限定在一個范圍內。不信試試看：“我很忙”只是針對某一特定的時間范圍，如今天或者這周，而非本世紀或者這一納秒；“稅負沉重”也只適用于某一特定的收入范圍。諸如此類的例子很多。

你可能會說，在科學中肯定沒有這樣的限制。畢竟，在近代科學產生以后的幾個世紀里，傳統觀點一直認為適用于整個宇宙的理論是存在的，即使我們可能永遠無法憑經驗確認這一點。比如，牛頓的萬有引力定律就是普適的，它既適用于下落的蘋果，也適用于隕落的行星，并能解釋太陽系內外的一切重要的觀測發現。

隨著相對論，尤其是廣義相對論的出現，我們發現牛頓萬有引力定律只是一個更基本理論的近似。但是這一更基本理論，即廣義相對論，它在數學上是如此優美，以至于我們似乎可以合理地假設它就是個完美的理論，可以完整地描述空間與時間在質量和能量作用下的行為。

而量子力學的出現改變了一切。量子力學與相對論相結合之后，產生了一個讓人意想不到的結果：主宰著物質與能量的物理定律，其具體性質依賴于你在哪個尺度上測量它們。這引發了或許是20世紀最大規模的無聲科學革命：我們開始明白，并不存在這樣一種理論，既與實際世界緊密相關，同時又是絕對的，并且永遠正確。盡管如此，理論物理學家依然花費了大量的精力來研究這種類型的理論。那么，到底是怎么回事呢？追求統一的理論是否是一個正當合理的目標，而科學真理又是否永遠依賴于尺度呢？

在小尺度上粒子不可能完全被“掌控”

所謂的“虛粒子”可以隨時造訪或離開真空，而時間太短，你無法直接測量它們的出現

量子力學與相對論的結合就是現在亟待解決的一個尺度問題。著名的海森堡測不準原理是量子力學的關鍵所在，它意味著在小尺度、短時間內我們不可能完全限制基本粒子的行為。微觀粒子的能量與動量有其固有的、永遠無法消除的不確定性。當這一事實與狹義相對論相結合，得出的結論則是你甚至不能真正控制短時間內某一小空間內出現的粒子數量。所謂的“虛粒子”可以隨時造訪或離開真空，而時間太短，你無法直接測量它們的出現。

這一結論的一個顯著效果體現在我們測量電子間作用力的時候。實際測得的電子電荷——它決定了電場強度——取決于你測量的尺度。你距離電子越近，就越深入到電子周圍虛粒子云的內部，由于電子吸引帶正電的虛粒子，每個虛粒子對都是帶正電的粒子在內，帶負電的粒子在外，從而部分抵消了電子的電場。你越深入到虛粒子云內部，這種屏蔽效應就越弱，電子帶的負電荷看起來就越多。

因此，當你準備計算兩個粒子之間的相互作用力時，你就需要考慮所有虛粒子的影響。它們可能會在測量期間從真空區域憑空產生，其中包括那些具有任意大的質量與能量，并出現在任意短的時間內的粒子。當你把所有這些都考慮進去，計算出的作用力就達到了無窮大。

應用在更廣的尺度上

對尺度的討論并不是為了合理地將各種理論劃分到各自適用的范圍，而是揭示了這些理論的內在聯系，并指出新的統一理論的方向

關于物理理論中的尺度問題，還有另外一個解讀方法：對尺度的討論并不是為了合理地將各種理論劃分到各自適用的范圍，在這些范圍之外理論就失效了，而是揭示了這些理論的內在聯系，并指出了新的統一理論的方向——新的理論包含了原有理論，并可以應用在更廣的尺度上。

舉個例子，過去幾年人們對于希格斯粒子的發現津津樂道，因為它是將量子電動力學與另一種作用力（弱相互作用）統一起來的理論——即電弱統一理論——中最后缺失的一環。電磁相互作用和弱相互作用是自然界中已知四種基本相互作用中的兩種，而且表面上看來，它們的表現也迥然不同，但現在有了電弱統一理論以后我們就知道，在超小的尺度與極高的能量下，這兩者可以理解為同種基本作用，即電弱相互作用的不同表現形式。

尺度問題也推動物理學家試著將自然界的另一種基本相互作用——強相互作用，統一到一個適用范圍更廣的理論體系中。強相互作用在構成質子與中子的夸克身上發揮作用，直到1973年物理學家才理解了這種作用力。3位理論物理學家提出了一種可以描述這種相互作用的候選理論，即量子色動力學（類似于量子電動力學），并證明強相互作用具有“漸進自由”的性質。

在夸克彼此無限靠近的過程中，漸進自由會使得其間的強相互作用有所減弱。這不僅能解釋著名的實驗現象“尺度效應”——在高能量與短距離下，質子中的夸克就會表現得像無相互作用的獨立粒子——它也可能用于解釋自然界中為何沒有自由夸克。如果在微小距離時強相互作用減弱，很可能在極大距離時相互作用特別強以至于沒有自由夸克能逃脫。

科學家發現距離很小時強相互作用會變弱，而與弱相互作用統一的電磁力在距離很小時會變強。據此，20世紀70年代理論物理學家提出，在足夠小的尺度下，大概小于質子尺寸的15個數量級，所有的3種相互作用（強、弱和電磁）會統一為一個單獨的作用力，即著名的大統一理論（Grand Unified Theory）。

過去40年來，我們一直在尋找這方面的直接證據——事實上，大型強子對撞機（LHC）正在尋找一組新的基本粒子，這些粒子對于證明三種相互作用在適當的尺度上可以統一在一起非常重要。科學家雖然已經發現了一些間接證據，但還沒觀察到直接的確鑿證據。

探索尺度越來越小

超弦理論讓理論物理學家們極其興奮，但至今也沒有任何證據能證明它真的可以描述我們所在的宇宙

如果我們已經努力在統一四種已知相互作用中的三種，科學家們自然會想進一步地努力將第四種相互作用，即萬有引力也加入進來。為了做到這一點，科學家們提出了這樣的假說：萬有引力自身只是一種等效理論，在足夠小的尺度下它會與其他相互作用相統一，但只有在一個前提條件下才成立，即自然界中還有許多我們未觀察到的空間維度。這一理論也被稱為超弦理論，讓20世紀80年代和90年代的理論物理學家們極其興奮，但至今也沒有任何證據能證明它真的可以描述我們所在的宇宙。

如果超弦理論的確能描述我們所在的宇宙，那么它將擁有獨特而全新的特征。超弦理論可能最終并不會產生任何無窮大的項，因此，它可能適用于所有的距離尺度，無論多小�；�于這一原因，它也被稱為“萬有理論”——雖然，事實上，就可預見的實驗測量結果而言，該理論的奇妙特性只有在極小的尺度上才能展現，因此實際在物理上并不會產生多大的影響。

隨著時間的推移，在逐漸認識到我們對于物理現實的理解是依賴于尺度的過程中，我們被引向了弦理論——而在弦理論中這種尺度限制則消失了。一直以來，理論物理學家探索越來越小尺度的世界上一路高奏凱歌，這會不會讓他們產生了一種錯誤的自信，以為弦理論就是最終的答案？

當我們并不知道上述問題的答案的時候，至少我們應該心存質疑。目前為止，還沒有任何一個像弦理論這樣有如此宏大的推論，又沒有直接的實驗或觀測結果做支撐的理論能提供一個描述大自然的成功模型。此外，我們越是深入了解弦理論，它似乎就越復雜，先前科學家預測它普遍適用可能是太樂觀了。

撰文：勞倫斯·M·克勞斯（Lawrence M. Krauss）

翻譯：徐麗

作者簡介：勞倫斯·M·克勞斯是理論物理學家及宇宙學家，他是“起源計劃”（the Origins Project）的負責人，并擔任亞利桑那州立大學地球與空間探索學院的客座教授。同時，他也是多本暢銷書的作者，其作品包括《無中生有的宇宙》及《星際迷航中的物理學》。

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