這是前段時間本人校內(nèi)BBS物理版上某人發(fā)的一篇文章。之所以轉(zhuǎn)載這篇，一是因為作者用通俗易懂的語言描述了近代物理學(xué)的發(fā)展歷程及核心思想，更容易被非專業(yè)人士理解；二是因為我們可以從這篇文章看到現(xiàn)階段人類物理學(xué)的終點在哪里，距離實相還有多遠(yuǎn)。

一、近代物理學(xué)發(fā)展過程

18、19世紀(jì)：牛頓運(yùn)動定律　　麥克斯韋電磁學(xué)

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　　　　　　?。　。ü馑贈_突）　波動理論—┬—粒子理論

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20世紀(jì)初期：經(jīng)典力學(xué)　狹義相對論　　　　　　↓

　　　　?。ǖ退龠\(yùn)動）（高速運(yùn)動）　　　波粒二象性

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20世紀(jì)中期：　　　廣義相對論　　　　　　量子力學(xué)

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20世紀(jì)80年代：　　　　　　　　超弦理論

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20世紀(jì)末21世紀(jì)初：　　　　　　　M理論

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未來：　　　　　　　　　　　　　？？？

二、近代物理學(xué)簡介

1.光速沖突與狹義相對論

　　牛頓運(yùn)動定律認(rèn)為，一個物體只要以光速運(yùn)動就會發(fā)現(xiàn)光是靜止的；而麥克斯韋電磁學(xué)認(rèn)為，任何物體的運(yùn)動都不可能達(dá)到或超過光速。于是引發(fā)了愛因斯坦的狹義相對論，徹底改變了人們對時空的認(rèn)識。

　　狹義相對論的幾個核心思想：

　　第一，空間和時間都是相對的——相對性原理；

　　第二，光的速度永遠(yuǎn)是30萬千米每秒——光速不變原理；

　　第三，質(zhì)量和能量可以轉(zhuǎn)化——質(zhì)能方程。

　　關(guān)于第一點，空間和時間是一個整體，空間能夠影響時間，時間也能夠影響空間。例如：運(yùn)動的物體長度會縮短，時間也會變慢。另外，任何物體都可以認(rèn)為自己是靜止的，而其他參照物在動——也就是說，運(yùn)動的觀測者和靜止的觀測者都可以認(rèn)為是對方的時間變慢，即沒有“絕對”，只有“相對”。

　　關(guān)于第二點，傳統(tǒng)運(yùn)動定律認(rèn)為，如果你沿著光的方向運(yùn)動光與你的相對速度就會減小，而如果你朝向光運(yùn)動光與你的相對速度就會增加并且超過光速。而狹義相對論認(rèn)為，無論你向哪個方向運(yùn)動，光與你之間的速度都是30萬千米每秒，永遠(yuǎn)不變。

　　關(guān)于第三點，愛因斯坦認(rèn)為質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)化，其間滿足E=mc^2的關(guān)系。一個物體運(yùn)動越快，質(zhì)量也越大，當(dāng)接近光速的時候質(zhì)量會接近無窮大，需要無窮大的能量推動，因此任何物體的運(yùn)動速度都不可能比光快。

2.引力沖突與廣義相對論

　　牛頓萬有引力定律認(rèn)為，一個物體與另一個物體之間的引力僅取決于質(zhì)量和距離，而與時間無關(guān)——即引力現(xiàn)象是瞬間發(fā)生的。而狹義相對論則認(rèn)為任何速度都不可能超過光速，由此引出了廣義相對論。

　　廣義相對論的引力思想：

　　第一，引力等效于加速度；

　　第二，引力形成的原因是空間扭曲。

　　愛因斯坦認(rèn)為引力并不神秘，加速運(yùn)動就會形成引力，按相反的方向加速度就能平衡引力。引力形成的根本原因在于空間扭曲：任何有質(zhì)量的物體都會使周圍的空間扭曲，質(zhì)量越大扭曲也越大，而物體總是沿著阻力最小的方向運(yùn)動，因此便會形成加速度。想象一個平滑的薄膜，中間放一個大球，球體會在薄膜中間壓出一個凹陷；再在周圍放置一些小球，小球則會沿著凹陷滾向大球——這就是引力的本質(zhì)。同樣，加速運(yùn)動也會導(dǎo)致空間和時間的彎曲。

　　當(dāng)沒有物質(zhì)存在時空間是平滑的，但只要有物質(zhì)存在就會形成各種各樣的扭曲并產(chǎn)生引力，愛因斯坦證明了空間扭曲是以一定速度傳播的，這個速度就是光速。

3.黑洞和大爆炸

　　愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表不久，一位科學(xué)家就從數(shù)學(xué)上證明了，只要星體質(zhì)量集中在一個足夠小的區(qū)域，質(zhì)量除以半徑超過某個臨界值，時空就會發(fā)生強(qiáng)烈扭曲并形成黑洞。另一些科學(xué)家也從廣義相對論推斷并證明了，宇宙正在膨脹中，宇宙起源于一次大爆炸。這是廣義相對論的兩個主要貢獻(xiàn)。

4.從波粒二象性到量子力學(xué)

　　隨著宏觀世界研究的深入，微觀世界的波動理論和粒子理論也在發(fā)展著。對于光波究竟是波動還是粒子爭論了很多年，雙縫干涉實驗證明了光是一種波，而光電效應(yīng)實驗則證明了光是一種粒子，從而產(chǎn)生了光的波粒二象性原理。最后由德布羅意提出物質(zhì)波理論，認(rèn)為所有的物質(zhì)都是波，當(dāng)物體的動量乘以波長小于普朗克常量的時候就會表現(xiàn)出波動特性。

　　量子理論起源于普朗克的猜想，目的是為了解決無限能量困境。想象一個普通的火爐，按照傳統(tǒng)波動和熱力學(xué)理論計算，這個火爐的能量是無窮大的，這顯然不可能。后來普朗克提出了量子假說，認(rèn)為火爐輻射的能量并不連續(xù)，而是以“團(tuán)”為單位的。波長超過某一值的團(tuán)不會攜帶能量，這個值就是后來的普朗克常量，即波的最小能量單元與頻率的比例因子。

　　量子理論主要思想：

　　第一，能量以間斷形式傳播；

　　第二，量子論以概率論為核心；

　　第三，不確定性原理。

　　在電子雙縫干涉實驗里，對于電子究竟通過哪條縫一直令人困惑。而費(fèi)曼認(rèn)為，電子實際上同時穿過了兩條縫，由此延伸，每一個從發(fā)射器到熒屏的電子其實都“同時經(jīng)歷了所有可能路徑”，而這就是費(fèi)曼著名的量子力學(xué)“路徑求和”方法。愛因斯坦認(rèn)為，在某一時刻電子具有確定的位置和速度；而量子力學(xué)則證明了，電子永遠(yuǎn)不可能具有確定的位置和速度。費(fèi)曼證明，當(dāng)考慮比原子大的物體的時候，為每條路徑的賦值會保證，所有路徑在求和時都會相互抵消，只留下惟一一條路徑。這也是量子力學(xué)只適用于微觀尺度的原因之一。由于量子力學(xué)以概率論為核心，需要用波函數(shù)描述粒子運(yùn)動狀態(tài)，這個方程最早被薛定諤找到，被稱為薛定諤方程。

　　關(guān)于量子理論有一條重要原理——海森堡的不確定性原理。比如我們想在電子雙縫干涉實驗里確定電子的確切路徑，并用光子去撞擊。用高頻光照射能夠精確地知道電子的位置，可是卻會干擾電子的速度；用低頻光能夠?qū)﹄娮拥挠绊懡档偷阶钚?，可是卻得不到電子的精確位置。海森堡量化這些數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)，無論采用什么測量儀器、運(yùn)用什么測量方法，測量精度與速度總是成反比的。在微觀世界存在一種均衡行為，一個物理量越精確另一個物理量就越不精確。

5.量子場論與第三次沖突

　　量子力學(xué)主要適用于微觀尺度，廣義相對論主要適用于宏觀尺度，兩者在各自的領(lǐng)域運(yùn)行得很好?？墒钱?dāng)涉及到黑洞或大爆炸那種質(zhì)量極大、尺度又極小的極端情況就無法解決了，兩者的方程式結(jié)合到一起求出來的不是無窮大就是概率大于1。這也是近代物理學(xué)的第三次沖突。

　　量子力學(xué)與廣義相對論更大的沖突在于，根據(jù)相對論原理，沒有物質(zhì)的空間應(yīng)該是平直的。而根據(jù)量子論不確定性原理，微觀世界的尺度越小，就會經(jīng)歷越強(qiáng)烈的量子漲落。那里有極度扭曲的空間和時間、能量的瞬間漲落、微觀粒子的生成和湮滅、電磁場的瘋狂振蕩，與宏觀尺度的宇宙大相徑庭。

　　后來科學(xué)家們將量子理論和狹義相對論融合，形成了量子場論——這也是人類到目前為止可觀測和證明的最終理論。量子場論的主要思想：第一，量子場由粒子構(gòu)成；第二，量子場整體呈現(xiàn)波動能量。量子場論將自然界三種力——弱力、強(qiáng)力和電磁力統(tǒng)一起來，并將三族微觀粒子結(jié)合起來，形成粒子物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)模型。然而，自然界第四種力——引力始終沒有融合到量子場論里，這也是第三次沖突之一。

三、超弦理論與M理論

　　愛因斯坦在晚年一直想要找出一種“大統(tǒng)一理論”融合量子力學(xué)與廣義相對論，許多科學(xué)家也想找出一個包羅萬象的理論來解釋世間的一切，可惜一直未能成功，直到超弦理論的出現(xiàn)。超弦理論是真正的顛覆性理論，初次接觸這一理論并能保持鎮(zhèn)定的人是不多的。超弦理論的困難在于缺乏實驗證明和數(shù)據(jù)支持，以現(xiàn)有的技術(shù)水平還無法獲得那么大的能量，因此還不能被認(rèn)為是正確的?？梢驗橄鄬φ摵土孔恿W(xué)近幾十年似乎都發(fā)展到了盡頭，長期沒有突破性進(jìn)展，而超弦理論能夠出色地解決量子論和相對論的矛盾，并能將許多物理學(xué)分支融合到一起，因此許多物理學(xué)家都轉(zhuǎn)移到超弦理論的研究當(dāng)中，并發(fā)現(xiàn)這一理論的博大精深。

超弦理論的核心思想

1.萬物的基礎(chǔ)都是弦

　　在亞原子世界里存在很多種微觀粒子：電子、中微子、上夸克、玻色子……超弦理論認(rèn)為，所有微觀粒子都是由一根一維的弦振動形成的，弦的不同振動模式形成不同質(zhì)量和電荷。而這條弦是宇宙的最小基元，無法再分，其尺度大約是普朗克長度（原子核的一千億億分之一，小數(shù)點后18個零）。兩個點粒子撞擊，如正電子和負(fù)電子湮滅產(chǎn)生光子，其實是兩根振動的弦相遇形成第三根弦。萬物都是弦，整個宇宙就是一個偉大的交響曲。

　　廣義相對論認(rèn)為，宇宙膨脹到一定程度之后會收縮，一直收縮到一個無窮小的點；而超弦理論認(rèn)為，宇宙收縮到普朗克長度以后就達(dá)到極限，之后會再次大爆炸，一直這樣循環(huán)往復(fù)下去……

　　在廣義相對論里，空間和時間形成一個光滑彎曲的幾何結(jié)構(gòu)；而在量子力學(xué)中，空間和時間都在經(jīng)歷著量子漲落，而且在越小尺度上漲落越激烈，從而產(chǎn)生沖突。而在弦理論主宰的宇宙中，我們不可以將大自然無限地分割下去，在量子力學(xué)預(yù)言的那種瘋狂漲落出現(xiàn)以前，就會達(dá)到極限。

2.超對稱宇宙

　　量子論、相對論……我們有很多物理學(xué)定律，那么這些定律是在宇宙的所有時間、所有地點都成立，還是僅在某種條件下成立呢？我們認(rèn)為物理學(xué)定律不隨運(yùn)用的時間或地點而改變，稱之為自然界的“對稱性”。此外，物理學(xué)認(rèn)為所有的方向都是平等的，這也是一個對稱性原理。此外，還有什么我們忽略的對稱性嗎？有，超對稱。

　　物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子存在自旋，并且永遠(yuǎn)以固定不變的速率轉(zhuǎn)動；進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，所有的微觀粒子——光子、引力子等都存在自旋，只是速率不同。而在弦理論里，不同的自旋也關(guān)聯(lián)著不同的振動模式，而弦理論數(shù)學(xué)也使人發(fā)現(xiàn)了一種“不可能存在于現(xiàn)有宇宙的、完全相反的振動模式”，稱之為“超對稱”，這也是“超弦理論”名稱的來源。

　　超弦理論預(yù)言，所有的微觀粒子都是成對出現(xiàn)的，如電子應(yīng)該有一個自旋性質(zhì)相反伙伴“越電子”，光子也應(yīng)該有伙伴“超光子”。這些粒子之所以無法被發(fā)現(xiàn)，是因為它們存在于自旋性質(zhì)完全相反的“超對稱宇宙”里。

3.自然力的整合

　　科學(xué)證明了自然界存在四種基本自然力：引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力（引力和電磁力大家比較熟悉，弱力和強(qiáng)力是作用于原子核內(nèi)和放射性物質(zhì)里的力），科學(xué)家一直在嘗試用一種“大統(tǒng)一力”來整合四種力。量子場論已經(jīng)將電磁力、弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一起來，證明了它們不過是微觀的量子薄霧所產(chǎn)生的不同影響的效果，在極高溫度和極小尺度下它們的表現(xiàn)將會完全相同。想像兩條坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)是溫度，縱坐標(biāo)是力的強(qiáng)度。隨著溫度的升高，三個力會均會平滑的增大或減小，并且最后交于一點——可是引力并不與這一點相交。此外，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，如果將計算精度提高到一定程度后，原本相交于一點的三個力其實也是不相交的。

　　可是在超弦理論下，超對稱粒子能夠產(chǎn)生完全相反的量子漲落，使那些力的強(qiáng)度趨于一點，從而將四種力統(tǒng)一起來，這是一方面。另一方面，要想真正將引力和電磁力的方程整合起來，則需要推到更高維的空間。

4.多維空間

　　我們所感知到的空間是三維的，愛因斯坦在廣義相對論里將時間作為第四維，形成四維時空理論。而超弦理論認(rèn)為空間有更多的維度。在把廣義相對論和量子力學(xué)方程結(jié)合起來的時候會出現(xiàn)很多無窮大的結(jié)果，這在弦理論里已經(jīng)解決了；然而還會出現(xiàn)很多負(fù)概率的結(jié)果，這是不可思議的。后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，其實負(fù)概率產(chǎn)生的原因是出現(xiàn)了一個“不存在的方向”，如果把這個方向擴(kuò)展成一個新的空間維就會消除所有的負(fù)概率，從而形成了多維空間理論。

　　多維空間很難從形象上理解。以三維為例，我們能感受到的方向是前后左右和上下，而在四維空間里，還會多出一個方向“內(nèi)外”；即四維空間有四個坐標(biāo)軸，其中第四條垂直于另外三個坐標(biāo)軸。就像平面是立體的切面一樣，三維空間也只是四維空間的一個“切體”，這也就意味著四維空間的物體將會更為復(fù)雜（有興趣的可以研究一下《四維空間幾何學(xué)》）。更高維的空間更難以想像，大概只有數(shù)學(xué)上的意義。

　　從前人們認(rèn)為引力與電磁力是兩種完全不同的力，然而將空間增加一個維度后就會發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦的廣義相對論方程與麥克斯韋的電磁學(xué)方程完全統(tǒng)一起來。超弦理論認(rèn)為，引力和電磁力都是同一種力在低維空間的不同表現(xiàn)形式。

5.多重宇宙

　　超弦理論認(rèn)為，空間既有延伸的維度也有卷曲的維度，卷曲維度的大小約為普朗克尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實驗儀器的觀測。除了我們熟悉的三個展開空間維之外，還有六個卷曲維，即九維空間——再加上一個時間維，宇宙應(yīng)該十維時空。而每一條不可細(xì)分的振動的弦，其實都是一個六維的宇宙?。∵@些六維空間具有無數(shù)種不同的幾何形狀，但是都能滿足一定條件，稱之為“卡－丘空間”（以賓夕法尼亞大學(xué)數(shù)學(xué)家卡拉比和哈佛大學(xué)華裔數(shù)學(xué)家丘成桐命名）?？ǎ鹂臻g在物理學(xué)界影響極大，近代弦理論的研究幾乎都在圍繞卡－丘空間進(jìn)行。

　　這就是超弦理論驚人的觀點之一，不禁讓人聯(lián)想到佛家的“一沙一世界”。事實上對于弦來說，不要說沙子，就是一個原子也太大了，在一個原子里面也存在數(shù)量寵大的卡－丘空間。這還不是最不可思議的，更令人震驚的結(jié)論是，我們這個宇宙也可能只是其他宇宙里的一根弦?。?/p>

6.微觀與宏觀

　　廣義相對論對應(yīng)著黎曼幾何，二者結(jié)合起來完美解決了宏觀世界的絕大部分問題；而在微觀尺度上，隨著量子力學(xué)、超弦理論、多維空間理論的發(fā)展，也形成了相應(yīng)的量子幾何來解決卡－丘空間幾何形態(tài)的問題。

　　超弦理論認(rèn)為，弦的能量來源有兩種——振動和纏繞。而且，任何一個卷縮維半徑大的弦結(jié)構(gòu)都對應(yīng)著一個半徑小的弦結(jié)構(gòu)，前者的弦的振動能等于后者的纏繞能，而前者的纏繞能等于后者振動能。由于物理學(xué)關(guān)心的是弦結(jié)構(gòu)的總能量，而不是能量如何在振動和纏繞之間分配，所以這兩個幾何形態(tài)“在物理層面上沒有任何區(qū)別”。而這兩種幾何形態(tài)在尺度上滿足倒數(shù)關(guān)系。

　　假設(shè)一個卡－丘空間的半徑為R=10*普朗克長度，則必定有一個R=1/(10*普朗克長度)的卡－丘空間與之對應(yīng)并且完全等效，或者說它們是同一個空間，沒有什么不同也無法區(qū)分它們。在點粒子理論里距離只有一種定義，而在弦理論里距離有兩種定義：纏繞的弦和未纏繞的弦，兩種定義所得到的結(jié)果一個是R一個是1/R，在物理上是完全等價的。因此，每個卷縮的維都有一個半徑，它與半徑為倒數(shù)的維將生成物理學(xué)上完全相同的宇宙。應(yīng)用到我們所在的宇宙，我們的宇宙長度大約有150億光年，也可以認(rèn)為它的長度是150億光年分之一！因此，它也可能只是另一個宇宙中的一根弦或一個微觀粒子。

　　此外，弦理論還推斷：黑洞就是另一個宇宙的入口，這個宇宙的黑洞會在空間破裂的錐形變換中生成另一個宇宙里的一個光子。因此對宇宙來說，宏觀即是微觀，微觀即是宏觀。

7.M理論

　　愛因斯坦和許多物理學(xué)家都相信，物理學(xué)理論最終會走向統(tǒng)一，弦理論的發(fā)展也證明了這一點。然而，弦理論在統(tǒng)一其他理論的同時自身卻又開始分化，形成五種完全不同的弦理論（名稱太復(fù)雜不記得了），這為許多弦物理學(xué)家?guī)砝_。直到1995年第二次超弦革命以后，五種弦理論才整合為一個更大的理論框架——M理論（Mysterious 迷之理論）。

　　M理論的兩個基本特征：一、時空是十一維的（即十維空間加一維時間）；二、振動的不是一維的弦，而是二維的“膜”。此外，弦振動有一個耦合常數(shù)，五種弦理論有四種是互相“對偶”的，一種理論的強(qiáng)耦合方程等于另一種理論的弱耦合方程，還有一種弦理論是“自對偶”的。M理論認(rèn)為引力的本質(zhì)是十一維超引力，弦不過是二維膜的簡化。正是由于這一理論的復(fù)雜性，沒有人認(rèn)為自己真正了解它，所以才稱之為迷之理論。