了解上帝的心智：七種萬有理論（最受歡迎的十大物理學報導）

「萬有理論」（譯註：Theory of Everything， 或簡寫為ToE，即「關於一切的理論」）是科學上最為人鍾愛的夢想。

它一旦被發現，將能夠從最基礎的層面上來描述宇宙的運行機制，因而能夠完成對自然的全部理解。

它能夠解答長久以來的謎題，諸如什麼是暗物質、為什麼時間僅朝一個方向流逝、引力怎樣起作用等。

少數人仍會驚嘆於史蒂芬·霍金的著名論斷，即這樣一個理論將會是「人類理智的終極偉業——到那時，我們就了解了上帝的心智」。

（譯註：霍金曾表示這是沿用牛頓時代的傳統說法，並非真的相信有上帝存在。

）

了解上帝的心智：七種萬有理論

但是神學家大可不必因此而焦慮失眠。

儘管努力了幾十年，這方面的進展仍然緩慢。

許多物理學家把自己困在了發展「量子引力」理論中，試圖把量子力學與廣義相對論協調起來——這是某種萬有理論的前提之一。

不過，並沒有出現什麼有競爭力的、符合證據的理論，倒是有一大批候選理論探討了問題的不同部分，幾乎沒有什麼線索能夠表明哪一個（如果有的話）會最終正確。

下面是對一些前沿理論的簡要介紹。

1. 弦論（String Theory）

（String_Theory 圖片來源：deviantart）

這可能是萬有理論中最知名的、研究力度最大的一個。

它認為我們所觀測到的基本粒子實際上根本不是粒子，而是微小的弦，由於它們太小了，用科學儀器「看起來」就只像是粒子。

並且，弦論的數學還依賴額外的空間維度，這些是人類無法直接體驗的。

這是一種激進的猜想，但許多理論家發現弦論方法優雅，其基本思想能夠導出多種理論變種，似乎能解決各種各樣的宇宙之謎。

然而，如果要說服科學界承認弦論就是萬有理論的最佳候選者，它們仍然面臨著兩個挑戰。

首先，弦論還不能給出可測試的預測。

因此，弦論仍然僅僅是一個理論。

其次，這個理論的變種仍然太多，每一個都可能正確，難以從中進行選擇。

為解決此難題，一些物理學家提出了一個更廣義的框架，稱之為M-理論，它統一了多種弦論。

但它也有自己的問題。

根據不同的設置，M-理論可以描述多達10500種宇宙。

有些物理學家爭辯說，這就是存在多個宇宙的證據，但對其他人而言，這隻意味著該理論是無法檢驗的。

2. 環量子引力論（Loop Quantum Gravity）

（loop quantum gravity 圖片來源：queloilmessia）

儘管沒有太多的媒體曝光，到目前為止，環量子引力論仍然是弦論唯一真正的對手。

其基本思想認為，空間與我們通常所想的不同，它並非連續，而是分離成尺寸大約為10-35 米（譯註：普朗克長度）細小的「空間塊」（chunks）。

這些空間塊通過「鏈」（links）連接成我們所體驗到的空間。

當這些鏈糾纏成「辮」和「結」（braids and knots）時，它們就產生了基本粒子。

環量子引力論已經對真實世界中的效應做了些嘗試性預測，也對宇宙的誕生進行了一些解釋。

但是它的支持者仍在努力將引力納入到他們的理論中。

與弦論一樣，它距離真實的實驗驗證還很遙遠。

〖譯註〗：文中的loop、links、braids及knots等名詞均對應拓撲論中的概念。

3. 因果動力三角論（Causal Dynamical Triangulations，CDT）

（Causal dynamical triangulation 圖片來源：learner）

因果動力三角論乍看起來與環量子引力論很相似。

不過，環量子引力論只把空間分成細小的「構造塊」，而CDT假設時間-空間分成叫做正五胞體的四維構造塊（譯註：pentachoron，四維空間的凸正多胞體）。

正五胞體可以粘在一起生成大型的宇宙，結果就形成了三維空間和一維時間，這正是真實宇宙的樣子。

很好，很強大，但有個關鍵缺陷：CDT 尚不能解釋物質的存在。

4. 量子愛因斯坦引力論（Quantum Einstein Gravity）

（Quantum Einstein Gravity 圖片來源：fromquarkstoquasars）

該理論由德國美因茨大學的馬丁·路透提出，它採用了完全不同的思路。

統一引力和量子力學的問題之一就是引力在極小尺度下的表現。

兩個物體靠得越近，它們之間的引力越強；但引力也對物體自身起作用，這樣，在極微小的距離上就形成了一個反饋迴環。

根據傳統理論，引力應該變得不合理的強，這意味著傳統理論某個地方出了問題。

不過，路透提供了一個產生「定點」的方法：小於某個距離處引力將停止增強。

這或許有助於解決此難題，從而形成一個關於引力的量子理論。

5. 量子重力圖論（Quantum Graphity）

（Quantum Graphity 圖片來源：elnavegante850）

上述所有理論都假設空間和時間預先存在，然後再試圖去構建宇宙的其餘部分。

量子重力圖論（或「量子圖論」）則與之相左，它是由加拿大安大略省滑鐵盧市的普里美特理論物理研究所的弗蒂尼·馬可波羅（Fotini Markopoulou）及其同事們獨創的。

當宇宙在大爆炸中形成時，馬可波羅認為當時並沒有我們所了解的空間。

而是存在一種空間「節點」的抽象網格，其中的每個節點都互相連通。

很快，網格塌縮，一些節點斷裂開來，形成了我們如今看到的大尺度宇宙。

〖譯註：Quantum Graphity 由 T. Konopka, F. Markopoulou等人於 2006 年提出。

量子重力圖論將數學中的圖論思想引入了理論物理。

其中graphity源自graphic和gravity，原意在設計領域是指以視覺作為一種吸引力來凝聚創意。

而quantum graphity將該詞的含義在物理學上做了引申。

〗

6. 內稟相對論（Internal Relativity）

（Internal Relativity 圖片來源：huffingtonpost）

由麻省理工學院的歐拉夫·德萊耶所發展的內稟相對論著手去解釋廣義相對論如何在量子世界中出現。

宇宙中的每個粒子都有種屬性叫「自旋」，不嚴謹的情況下可認為它是由粒子旋轉產生的。

德萊耶的模型假設存在一個獨立於物質的隨機部署的自旋系統。

當系統抵達一個臨界溫度時，自旋會排列形成一種有序的模式。

任何實際存在於自旋系統中的人都無法看到它們。

他們所見到的只是自旋的效應，這也是德 萊耶所展示的內容，其中包括時空和物質。

他還設法從此模型中導出了牛頓引力：不過，廣義相對論仍然未整合進來。

7. E8

（E8 圖片來源：wiki）

2007 年，物理學家（也是衝浪運動員）加勒特·里希 (Garrett Lisi) 因為一個萬有理論成為了新聞頭條。

爭議由一篇討論E8的論文引發，這是一個複雜的、擁有248個點的八維數學模式。

里希認為，物理學中已知的多種基本粒子和作用力可被容納在E8模式的點中，它們之間的多種相互作用也自然而然地出現了。

一些物理學家對此文提出了強烈批評，而另一些人則表示謹慎的歡迎。

直到 2008 年末，里希得到一項繼續E8研究的資助。

譯後記

這篇文章四年前曾獲得「新科學家」網站「最受歡迎的十大物理學報導」的第一名。

雖然時間較久，如今仍然值得一讀，以饗讀者。

來源：New Scientist

Knowing the mind of God: Seven theories of everything

15:33 04 March 2010 by Michael Marshall

編譯：心蛛

校對：鎖相、叮噹藍色魚

九天攬月微信號：jiutianlanyue91

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