撰文：勞倫斯·M·克勞斯（Lawrence M. Krauss）

翻譯：徐麗

審校：丁家琦

不管你在何時談?wù)撊粘Ｉ钪械氖裁词虑椋鋵嵍枷薅ㄔ谝粋€范圍內(nèi)。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(xué)中肯定沒有這樣的限制，畢竟，在近代科學(xué)產(chǎn)生以后的幾個世紀里，傳統(tǒng)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(jīng)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(nèi)外的一切重要的觀測發(fā)現(xiàn)。

隨著相對論，尤其是廣義相對論的出現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)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(shù)學(xué)上是如此優(yōu)美，以至于我們似乎可以合理地假設(shè)它就是個完美的理論，可以完整地描述空間與時間在質(zhì)量和能量作用下的行為。

而量子力學(xué)的出現(xiàn)改變了一切。量子力學(xué)與相對論相結(jié)合之后，產(chǎn)生了一個讓人意想不到的結(jié)果：主宰著物質(zhì)與能量的物理定律，其具體性質(zhì)依賴于你在哪個尺度上測量它們。這引發(fā)了或許是20世紀最大規(guī)模的無聲科學(xué)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(guān)，同時又是絕對的，并且永遠正確。（我并不期望這點會在短期內(nèi)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研究這種類型的理論。那么，到底是怎么回事呢？追求統(tǒng)一的理論是否是一個正當合理的目標，而科學(xué)真理又是否永遠依賴于尺度呢？

量子力學(xué)與相對論的結(jié)合就是現(xiàn)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(xué)的關(guān)鍵所在，它意味著在小尺度、短時間內(nèi)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(jié)合，得出的結(jié)論則是你甚至不能真正控制短時間內(nèi)某一小空間內(nèi)出現(xiàn)的粒子數(shù)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(xiàn)。

這一結(jié)論的一個顯著效果體現(xiàn)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)部，這種屏蔽效應(yīng)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(qū)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(xiàn)在任意短的時間內(nèi)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。

理查德·費曼（Richard Feynman）找到了一種方法，可以提取出一系列本來意義不明的無窮大項，從而總是可以計算出一個有限的剩余力，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(xiàn)在可以從基本原理出發(fā)來計算電子磁矩，精度達10位有效數(shù)字，其與實驗結(jié)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(xiàn)這一點：“我認為重整化理論只是在表面上掩蓋了電動力學(xué)在發(fā)散項方面的問題?！彼J為完備的理論從一開始就不應(yīng)該產(chǎn)生無窮大，他與其他人所用到的數(shù)學(xué)技巧終究不過是權(quán)宜之策。

現(xiàn)在，我們的看法又不一樣了。從某種意義上說，費曼擔心錯了地方。問題并不是來自理論本身，而是我們試圖將它推廣到適用范圍之外所導(dǎo)致的，而一個理論只有在其適用范圍之內(nèi)，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)生的無窮大并不會造成物理上的影響，因為它們之所以出現(xiàn)，是基于一個錯誤的假設(shè)，即量子電動力學(xué)理論是完備的，或者換種說法，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間尺度。但如果我們期望我們的理論是完備的，這就意味著在我們提出任何理論之前，就已經(jīng)預(yù)設(shè)了萬有理論的存在——它涵蓋了我們發(fā)現(xiàn)的以及尚未發(fā)現(xiàn)的所有基本粒子的影響，而這完全不切實際，甚至毫無可能。

因此，在更小的尺度（或者更大的尺度，不過不太可能）上誕生的可能的新物理學(xué)理論，至少在實驗室可測量尺度內(nèi)，不應(yīng)該影響到現(xiàn)有的合理理論?，F(xiàn)有的理論并不僅僅是解決短期問題的權(quán)宜之計，我們不會在有了可以更準確地描述自然的理論時就將它拋棄。因為我們的經(jīng)驗知識可能永遠都是不完全的，所以從現(xiàn)實的角度講，超出我們當前研究范圍的新物理理論并不會影響現(xiàn)有的理論。這是我們認識論的一個特點，而在開始探索量子力學(xué)與相對論都起著重要作用的極端狀態(tài)之前，我們并沒有領(lǐng)會到這一點。

關(guān)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(nèi)在聯(lián)系，并指出了新的統(tǒng)一理論的方向——新的理論包含了原有理論，并可以應(yīng)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(fā)現(xiàn)津津樂道，因為它是將量子電動力學(xué)與另一種作用力（弱相互作用）統(tǒng)一起來的理論——即電弱統(tǒng)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，它們的表現(xiàn)也迥然不同，但現(xiàn)在有了電弱統(tǒng)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(xiàn)形式。

尺度問題也推動物理學(xué)家試著將自然界的另一種基本相互作用，強相互作用，統(tǒng)一到一個適用范圍更廣的理論體系中。強相互作用在構(gòu)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(xiàn)，他們提出了一種可以描述這種相互作用的候選理論，即量子色動力學(xué)（類似于量子電動力學(xué)），并證明強相互作用具有“漸進自由”的性質(zhì)。

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(xiàn)象“尺度效應(yīng)”——在高能量與短距離下，質(zhì)子中的夸克就會表現(xiàn)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(xué)家發(fā)現(xiàn)距離很小時強相互作用會變?nèi)?，而與弱相互作用統(tǒng)一的電磁力在距離很小時會變強。據(jù)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個數(shù)量級，所有的3種相互作用（強、弱和電磁）會統(tǒng)一為一個單獨的作用力，即著名的大統(tǒng)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(jù)——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?shù)某叨壬峡梢越y(tǒng)一在一起非常重要?？茖W(xué)家雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些間接證據(jù)，但還沒觀察到直接的確鑿證據(jù)。

如果我們已經(jīng)努力在統(tǒng)一四種已知相互作用中的三種，科學(xué)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(xué)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它相互作用相統(tǒng)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(xué)家們極其興奮，但至今也沒有任何證據(jù)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(chǎn)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?；谶@一原因，它也被稱為“萬有理論”——雖然，事實上，就可預(yù)見的實驗測量結(jié)果而言，該理論的奇妙特性只有在極小的尺度上才能展現(xiàn)，因此實際在物理上并不會產(chǎn)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(xiàn)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(xué)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(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題的答案的時候，至少我們應(yīng)該心存質(zhì)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(jié)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論，它似乎就越復(fù)雜，先前科學(xué)家預(yù)測它普遍適用可能是太樂觀了。

正如費曼曾推測的，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(fā)覺已有的美妙的理論被歸入到一個全新的更廣闊的架構(gòu)中。所以，永遠有新的物理學(xué)理論等著我們發(fā)現(xiàn)，永遠不會出現(xiàn)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。

究竟哪條路才是通往真實的真正道路，仍然有待探索。如果我們已經(jīng)事先知道了通往新發(fā)現(xiàn)的正確路徑，那么所謂的“發(fā)現(xiàn)”也就不成其為發(fā)現(xiàn)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)家就永遠都不會失業(yè)了，但我自身也喜歡有無窮無盡的奧秘等著我們?nèi)ヌ剿鞯母杏X。如果生活沒了任何神秘感，那該有多無聊——不管是在哪個尺度上。

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，他也是多本暢銷書的作者，其作品包括《無中生有的宇宙》（A Universe from Nothing）及《星際迷航中的物理學(xué)》（The Physics of Star Trek）。

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http:///issue/29/scaling/the-trouble-with-theories-of-everything