撰文：勞倫斯·M·克勞斯（Lawrence M. Krauss）
翻譯：徐麗
審校：丁家琦
不管你在何時(shí)談?wù)撊粘Ｉ钪械氖裁词虑?，其?shí)都限定在一個(gè)范圍內。不信試試看：“我很忙”只是針對某一特定的時(shí)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(lèi)的例子很多。
你可能會(huì )說(shuō)，在科學(xué)中肯定沒(méi)有這樣的限制，畢竟，在近代科學(xué)產(chǎn)生以后的幾個(gè)世紀里，傳統觀(guān)點(diǎn)一直認為適用于整個(gè)宇宙的理論是存在的，即使我們可能永遠無(wú)法憑經(jīng)驗確認這一點(diǎn)。比如，牛頓的萬(wàn)有引力定律就是普適的，它既適用于下落的蘋(píng)果，也適用于隕落的行星，并能解釋太陽(yáng)系內外的一切重要的觀(guān)測發(fā)現。
隨著(zhù)相對論，尤其是廣義相對論的出現，我們發(fā)現牛頓萬(wàn)有引力定律只是一個(gè)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(xué)上是如此優(yōu)美，以至于我們似乎可以合理地假設它就是個(gè)完美的理論，可以完整地描述空間與時(shí)間在質(zhì)量和能量作用下的行為。
而量子力學(xué)的出現改變了一切。量子力學(xué)與相對論相結合之后，產(chǎn)生了一個(gè)讓人意想不到的結果：主宰著(zhù)物質(zhì)與能量的物理定律，其具體性質(zhì)依賴(lài)于你在哪個(gè)尺度上測量它們。這引發(fā)了或許是20世紀最大規模的無(wú)聲科學(xué)革命：我們開(kāi)始明白，并不存在這樣一種理論，既與實(shí)際世界緊密相關(guān)，同時(shí)又是絕對的，并且永遠正確。（我并不期望這點(diǎn)會(huì )在短期內改變，雖然弦理論家們是這么希望的。）盡管如此，理論物理學(xué)家依然花費了大量的精力來(lái)研究這種類(lèi)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(gè)正當合理的目標，而科學(xué)真理又是否永遠依賴(lài)于尺度呢？
量子力學(xué)與相對論的結合就是現在亟待解決的一個(gè)尺度問(wèn)題。著(zhù)名的海森堡測不準原理是量子力學(xué)的關(guān)鍵所在，它意味著(zhù)在小尺度、短時(shí)間內我們不可能完全限制基本粒子的行為。微觀(guān)粒子的能量與動(dòng)量有其固有的、永遠無(wú)法消除的不確定性。當這一事實(shí)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(shí)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(shí)造訪(fǎng)或離開(kāi)真空，而時(shí)間太短，你無(wú)法直接測量它們的出現。
這一結論的一個(gè)顯著(zhù)效果體現在我們測量電子間作用力的時(shí)候。實(shí)際測得的電子電荷——它決定了電場(chǎng)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?chē)摿Ｗ釉频膬炔?，由于電子吸引帶正電的虛粒子，每個(gè)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(chǎng)。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(lái)就越多。
因此，當你準備計算兩個(gè)粒子之間的相互作用力時(shí)，你就需要考慮所有虛粒子的影響。它們可能會(huì )在測量期間從真空區域憑空產(chǎn)生，其中包括那些具有任意大的質(zhì)量與能量，并出現在任意短的時(shí)間內的粒子。當你把所有這些都考慮進(jìn)去，計算出的作用力就達到了無(wú)窮大。
理查德·費曼（Richard Feynman）找到了一種方法，可以提取出一系列本來(lái)意義不明的無(wú)窮大項，從而總是可以計算出一個(gè)有限的剩余力，而不引入任何矛盾。他也因此獲得了1965年的諾貝爾物理學(xué)獎。有了他的方法，我們現在可以從基本原理出發(fā)來(lái)計算電子磁矩，精度達10位有效數字，其與實(shí)驗結果的符合程度讓任何其他科學(xué)領(lǐng)域都望塵莫及。
但是費曼對于已取得的成就還是有些失望——我們可以從他1965年的諾貝爾獎致辭中發(fā)現這一點(diǎn)：“我認為重整化理論只是在表面上掩蓋了電動(dòng)力學(xué)在發(fā)散項方面的問(wèn)題?！彼J為完備的理論從一開(kāi)始就不應該產(chǎn)生無(wú)窮大，他與其他人所用到的數學(xué)技巧終究不過(guò)是權宜之策。
現在，我們的看法又不一樣了。從某種意義上說(shuō)，費曼擔心錯了地方。問(wèn)題并不是來(lái)自理論本身，而是我們試圖將它推廣到適用范圍之外所導致的，而一個(gè)理論只有在其適用范圍之內，才能正確地描述自然。
任意大的質(zhì)量與能量的虛粒子所產(chǎn)生的無(wú)窮大并不會(huì )造成物理上的影響，因為它們之所以出現，是基于一個(gè)錯誤的假設，即量子電動(dòng)力學(xué)理論是完備的，或者換種說(shuō)法，該理論適用于所有尺度上的物理學(xué)，甚至是任意小的距離與時(shí)間尺度。但如果我們期望我們的理論是完備的，這就意味著(zhù)在我們提出任何理論之前，就已經(jīng)預設了萬(wàn)有理論的存在——它涵蓋了我們發(fā)現的以及尚未發(fā)現的所有基本粒子的影響，而這完全不切實(shí)際，甚至毫無(wú)可能。
因此，在更小的尺度（或者更大的尺度，不過(guò)不太可能）上誕生的可能的新物理學(xué)理論，至少在實(shí)驗室可測量尺度內，不應該影響到現有的合理理論?，F有的理論并不僅僅是解決短期問(wèn)題的權宜之計，我們不會(huì )在有了可以更準確地描述自然的理論時(shí)就將它拋棄。因為我們的經(jīng)驗知識可能永遠都是不完全的，所以從現實(shí)的角度講，超出我們當前研究范圍的新物理理論并不會(huì )影響現有的理論。這是我們認識論的一個(gè)特點(diǎn)，而在開(kāi)始探索量子力學(xué)與相對論都起著(zhù)重要作用的極端狀態(tài)之前，我們并沒(méi)有領(lǐng)會(huì )到這一點(diǎn)。
關(guān)于物理理論中的尺度問(wèn)題，還有另外一個(gè)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(lián)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(gè)例子，過(guò)去幾年人們對于希格斯粒子的發(fā)現津津樂(lè )道，因為它是將量子電動(dòng)力學(xué)與另一種作用力（弱相互作用）統一起來(lái)的理論——即電弱統一理論——中最后缺失的一環(huán)。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(lái)，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(wèn)題也推動(dòng)物理學(xué)家試著(zhù)將自然界的另一種基本相互作用，強相互作用，統一到一個(gè)適用范圍更廣的理論體系中。強相互作用在構成質(zhì)子與中子的夸克身上發(fā)揮作用，直到1973年，物理學(xué)家才理解了這種作用力。1973年，3位理論物理學(xué)家——戴維·格羅斯（David Gross）、弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）和戴維·波利策（David Politzer)——有了前所未有的重大發(fā)現，他們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(dòng)力學(xué)（類(lèi)似于量子電動(dòng)力學(xué)），并證明強相互作用具有“漸進(jìn)自由”的性質(zhì)。
在夸克彼此無(wú)限靠近的過(guò)程中，漸進(jìn)自由會(huì )使得其間的強相互作用有所減弱。這不僅能解釋著(zhù)名的實(shí)驗現象“尺度效應”——在高能量與短距離下，質(zhì)子中的夸克就會(huì )表現得像無(wú)相互作用的獨立粒子——它也可能用于解釋自然界中為何沒(méi)有自由夸克。如果在微小距離時(shí)強相互作用減弱，很可能在極大距離時(shí)相互作用特別強以至于沒(méi)有自由夸克能逃脫。
科學(xué)家發(fā)現距離很小時(shí)強相互作用會(huì )變弱，而與弱相互作用統一的電磁力在距離很小時(shí)會(huì )變強。據此，20世紀70年代理論物理學(xué)家提出，在足夠小的尺度下，大概小于質(zhì)子尺寸的15個(gè)數量級，所有的3種相互作用（強、弱和電磁）會(huì )統一為一個(gè)單獨的作用力，即著(zhù)名的大統一理論（Grand Unified Theory）。過(guò)去40年來(lái)，我們一直在尋找這方面的直接證據——事實(shí)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?？茖W(xué)家雖然已經(jīng)發(fā)現了一些間接證據，但還沒(méi)觀(guān)察到直接的確鑿證據。
如果我們已經(jīng)努力在統一四種已知相互作用中的三種，科學(xué)家們自然會(huì )想進(jìn)一步地努力將第四種相互作用，即萬(wàn)有引力也加入進(jìn)來(lái)。為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家們提出了這樣的假說(shuō)：萬(wàn)有引力自身只是一種等效理論，在足夠小的尺度下它會(huì )與其它相互作用相統一，但只有在一個(gè)前提條件下才成立，即自然界中還有許多我們未觀(guān)察到的空間維度。這一理論也被稱(chēng)為超弦理論，讓20世紀80年代和90年代的理論物理學(xué)家們極其興奮，但至今也沒(méi)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(huì )產(chǎn)生任何無(wú)窮大的項，因此，它可能適用于所有的距離尺度，無(wú)論多小?；谶@一原因，它也被稱(chēng)為“萬(wàn)有理論”——雖然，事實(shí)上，就可預見(jiàn)的實(shí)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(shí)際在物理上并不會(huì )產(chǎn)生多大的影響。
隨著(zhù)時(shí)間的推移，在逐漸認識到我們對于物理現實(shí)的理解是依賴(lài)于尺度的過(guò)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(lái)，理論物理學(xué)家探索越來(lái)越小尺度的世界上一路高奏凱歌，這會(huì )不會(huì )讓他們產(chǎn)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(wèn)題的答案的時(shí)候，至少我們應該心存質(zhì)疑。目前為止，還沒(méi)有任何一個(gè)像弦理論這樣有如此宏大的推論，又沒(méi)有直接的實(shí)驗或觀(guān)測結果做支撐的理論能提供一個(gè)描述大自然的成功模型。此外，我們越是深入了解弦論，它似乎就越復雜，先前科學(xué)家預測它普遍適用可能是太樂(lè )觀(guān)了。
正如費曼曾推測的，自然可能就如同一個(gè)洋蔥，被一層一層的外殼所包裹，每剝開(kāi)一層，我們就會(huì )發(fā)覺(jué)已有的美妙的理論被歸入到一個(gè)全新的更廣闊的架構中。所以，永遠有新的物理學(xué)理論等著(zhù)我們發(fā)現，永遠不會(huì )出現一個(gè)無(wú)需修正就適用于所有空間與時(shí)間尺度的終極普遍理論。
究竟哪條路才是通往真實(shí)的真正道路，仍然有待探索。如果我們已經(jīng)事先知道了通往新發(fā)現的正確路徑，那么所謂的“發(fā)現”也就不成其為發(fā)現了。作為物理學(xué)家，我當然希望對自然的探索永不停止，這樣物理學(xué)家就永遠都不會(huì )失業(yè)了，但我自身也喜歡有無(wú)窮無(wú)盡的奧秘等著(zhù)我們去探索的感覺(jué)。如果生活沒(méi)了任何神秘感，那該有多無(wú)聊——不管是在哪個(gè)尺度上。
勞倫斯·克勞斯（Lawrence M. Krauss）是理論物理學(xué)家及宇宙學(xué)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(xué)地球與空間探索學(xué)院的客座教授。同時(shí)，他也是多本暢銷(xiāo)書(shū)的作者，其作品包括《無(wú)中生有的宇宙》（A Universe from Nothing）及《星際迷航中的物理學(xué)》（The Physics of Star Trek）。
原文鏈接：
http://nautil.us/issue/29/scaling/the-trouble-with-theories-of-everything
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