宇宙的演化7——大统一理论

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大统一理论最初是爱因斯坦提出来的，他设想有一个简单的理论，甚至简单到一组方程式或一个公式，就可以解释宇宙中的一切物理现象，可惜的是，直到他去世也没有完成这个伟大的梦想。尽管有很多科学家质疑这种想法的可能性，但是仍然有许多追随者前仆后继地投入到这项事业中去。

第一个做出突破性研究的是爱因斯坦的粉丝——温柏格，他最终将弱相互作用力和电磁力进行了统一，提出了弱电统一理论，他的成功极大地鼓舞了士气，使得“统一”的思想变得更加现实。到上世纪70年代，强相互作用力也被统一进来。

尽管，科学家在建立大统一理论的道路上取得了巨大的成功，但是，作为最重要的万有引力，却总是与其他力格格不入，虽然科学家提出了各种方案，却始终难以形成一个令人信服的统一理论。就目前的理论进展来看，一般认为超弦理论或许是最有可能捧回圣杯的。

真正的大统一理论虽然至今没能建立起来，但是理论物理学家已经为解释宇宙的演化提供了一套非常简单的法则，我们只需要很少的几个概念，就可以把整个宇宙的演化——它的产生、发展演变、甚至未来——都可以令人信服地解释清楚。

说到这里，我想开个小差，先来谈一谈关于理论解释和客观实在的关系。可能很多人有这样的误解，认为理论解释就是客观实在，两者存在统一性。比如牛顿力学，可以非常精确地解释我们身处的这个现实世界，我们也可以用它来精确地预测许多事物的行为轨迹。

但是，现在我们知道，这个世界有许多例外是牛顿力学所解释不了的，一般来说，牛顿所创造的经典力学只适用于宏观、低速运行的物体。比如，微观粒子的波粒二象性只能用量子力学来解释，而无法用经典力学解释。同样，对于接近光速的物体，质量将随着速率的增加而变大，因而只能用狭义相对论来解释。

所谓理论解释就是寻求对宇宙状态变化规律的探索，也即是前面所说的第二类信息——知识。这个世界是如何演变的？这是一种知识，运用知识我们可以预测世界的下一个状态，也就是未来。这种状态变化的规律是客观的、唯一的，而我们的理论解释只是对这种客观实在的近似和模拟，也许我们永远也无法达到真理，但是我们可以无限地接近真理。

从我们的祖先创造神话开始，我们就走上了寻求真理的道路。尽管，我们现在已经认识到，那时候人类所掌握的知识非常有限，绝大多数对世界变化的理论解释都非常荒谬，对未来没有任何预测能力。但是，当人类掌握了科学的方法，这种局面就得到了迅速的改变。

因此，针对同一个现象，也许会产生很多理论解释。一个好的理论解释会比其他差一点的理论更接近客观实在，因而，能够更准确地预测未来。人类寻找理论，就是为了预测未来，而预测未来是为了调整当下的行为，使自己有能力选择一条更好的未来路径。

理论物理学家寻找一个大统一理论，也是为了预测宇宙的未来，探求宇宙的命运，也是人类的终极命运。尽管，人类目前的能力还无法改变宇宙的运行轨迹，但是，这种对未来的认知，仍然可以使我们调整自己的行为，以便给我们的后代一个创造更好境遇的机会。

尽管，这个大统一理论到目前为止还没有出现，但是，我们已经有很多非常棒的理论可以用来解释我们所了解的这个宇宙，而且，这些理论解释都已经得到了许多观察证据的支持。这些令人兴奋的理论，已经为我们勾勒出了一副宇宙演变的图景，宏大、一致，并且令人信服。

比如，我在前面介绍的宇宙大爆炸理论。它告诉我们宇宙从哪里来？它已经存在了多久？组成这个宇宙的所有基本粒子是如何产生的？这些基本粒子又是如何形成了原子，以及所有不同的元素？这些元素又是如何组成了分子，并进而构造了宏观物质？这些宏观物质大到星系、星云、恒星、行星等天体，小到地球上的万事万物，也包括我们人类。

而这些宇宙演化背后的驱动力仅仅是这四种相互作用力，这种理论的简洁性，体现出了无与伦比的美。强核力、弱核力和电磁力一起，共同塑造了宇宙的基石——原子。宇宙的一砖一瓦都是由原子砌成。在宇宙创世之初，原子充满宇宙，形成一锅看似均匀的粒子汤。

但是，在这看似均匀的粒子之间，存在微妙的能量起伏，就像微风吹过的水面，扬起几乎不为人察觉的水纹。正是这一点点差异，导致了粒子之间密度的不均衡。那似有似无的万有引力日夜不息地作用于粒子之间，尽管一开始它显得那么无足轻重，但是，随着岁月的流逝，这一点点微力却产生了巨大的效果。粒子开始互相抱团，这种凝聚加剧了宇宙的不均匀性。

每一团粒子，就是一片粒子云，万有引力不断地把粒子云凝聚成越来越紧密的一团。粒子团越大，质量就越重，万有引力就越大。此时的万有引力变成了一股决定性的力量，它会把身边的任何物质都吸引到自己身上来，并且，自身的所有物质也会持续地向中心坍塌。

万有引力的持续作用，似乎会把整个宇宙重新变成一个奇点。但是，另外两股力量阻止或延缓了这个过程。一个是奇点爆炸引发的宇宙持续向外膨胀的力量，这种力量使得宇宙中的云团快速地彼此分离。就好像，随着气球不断地膨胀，气球上的两个点不断地分离一样。

宇宙天体不断互相远离，降低了万有引力的作用效果。但是，只要膨胀停止，万有引力尽管微弱，也终将以其无比的韧性，使得所有天体重新凝聚到一起。好在，宇宙膨胀至今还在持续。

尽管，宇宙的灭亡暂时被阻止了，但是，天体在万有引力的作用下不断向中心坍缩，如果这个过程不断持续下去，那么，这个天体很快就会变成一个奇点。好在，另一种力量阻止了这个过程。恒星在坍缩的过程，使得内部的压力越来越大，温度越来越高，最终将引发氢原子的核聚变反应。核聚变反应所释放的热膨胀将抵消万有引力的作用，使得整个天体最终达成一个平衡。

但是，氢原子总有消耗完的一天，到那时，平衡被打破，天体继续坍缩，中心压力加大，温度继续上升，于是将引发氦原子、锂原子等更重原子的核聚变反应。这就是我们前面说过的恒星内部制造元素的过程。于是，新的平衡将会形成。

原子的核聚变反应最终将会停止，那时就是恒星的末日。它的结局基本上有两种：小质量的恒星（如太阳），起先会膨胀，在这个阶段的恒星称为红巨星，然后会塌缩，变成白矮星，辐射、丧失能量，再成为黑矮星，最终消失；大质量的恒星，一般会选择以超新星爆发的形式结束生命，最终会成为中子星或黑洞，中子星最终丧失能量，形成黑矮星。而黑洞会向外射粒子，或许会变成白洞，或许会完全蒸发。

恒星在走上结局的过程中，也许会爆炸分裂出许多小行星，或者引力造成的压力不足以引发核聚变反应。现实要比我描述的情况复杂很多，但这不是一篇学术论文，甚至算不上是一篇科普文章，我只是为了说明，科学家找到了一套理论，可以非常近似地解释整个宇宙的演化。

大统一理论真的可行吗？

通俗来讲的话，就是把相对论中的广义相对论和科学界流行的量子力学统一起来。

超弦理论作为一种全新意义上的理论促进着科学上，尤其是物理学史的发展。超弦理论广义相对论与量子力学发展到一定阶段下的产物，广义相对论与量子力学都有其适用的范围，但是这种范围都有其独特的局限性，广义相对论领域内的问题解决不了量子力学领域内的问题。同样的，量子力学的有关问题用广义相对论的相关知识也解决不了，所以，为了促使物理学的发展，不得不迫切需要一种全新的知识范围来解决这两者之间的茅盾，或者说是问题。就这样，超弦理论顺应着时代的发展就营业税了，超弦理论的出现同时兼具着必要性和偶然性这两大特点，这两大夜特点看着比较茅盾，但是实际上并不茅盾。

在距离我们遥远的138亿年前，宇宙不断增温，一个被现在科学界称为奇点的物质发生爆炸。奇点因为越来越高的温度而发生爆炸，形成了我们所看到的宇宙以及一切。在宇宙初期阶段，宇宙一直由于未知名的原因一直增温。以一种超乎想象的速度不断变大，名为?辉光?的物质就是增温后的产物。基于此种推测，相关的证据都对辉光的存在提供了较高的可信度，并且是用相关的仪器可以探测到的。科学家借助科学技术手段验证了这种理论的可行性，对于大爆炸理论的支撑是一个强有力的证据。

奇点，是个密度以及时空曲率都异常的高、体积及其微小小的一个?点?，而同时具备广义相对论和量子力学的特点的超弦理论就可以很好的解释关于?奇点?的这个问题。

超弦理论是一种大一统理论，所谓的大一统理论该如何解释呢？

大一统理论，有可能明天就被发现，也可能永远不会出现。

我们先来看看大一统理论的基础是什么。大一统理论，事实上就是将宇宙中的四大基本力完全统一的理论。

宇宙中的所有力，都可以分为——万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。

现代物理学的两大支柱，相对论和量子力学，我们需要注意以下细节：

爱因斯坦提出相对论的时候，强、弱相互作用力还没有正式发现。电磁力、强、弱相互作用力，都以微观粒子为主。爱因斯坦晚年寻找大一统理论，目标就是统一引力和电磁力，虽然爱因斯坦没有成功，就算成功了，也缺少了强、弱相互作用力的统一。

这就引出一个疑问：人类真的找到了所有基本力？宇宙真的只存在四种基本力？

假设宇宙确实只有四种基本力，大一统理论真的存在吗

目前研究大一统理论的关键，就是探索万物的本质——归根溯源。

从这一方面看，量子力学似乎前景无限，并且量子力学的量子力场，完成了电磁力、强、弱相互作用力的统一。

可惜引力量子力学无法统一，甚至无法利用量子力学解释引力。

而相对论可以轻松利用空间解释引力，可惜没有完成电磁力的统一。爱因斯坦曾尝试用空间解释一切，也就是万物都是空间构成。我们看到的天体，都只是空间的扭曲所形成的假想，但没有完成。

为了追寻大一统理论，弦理论从量子力学中诞生，成为物理分支。

弦理论，利用“能量”解释一切，“能量弦线”才是构成万物的本质，而并非微观粒子，“能量弦线”的震动、旋转方式的不同，构成了各种粒子、光子、夸克，进而形成了宇宙万物。

然而弦理论没有实质性的实验证实，很多物理学家并不认可，弦理论的基础，是“十维空间”，大大超出了人类的认知。

简单来说，使广义相对论和量子力学有机的统一起来。

在先前的科学发展的水平，我们能够借助量子力学和广义相对论这两大具有重要意义的理论预言解决物理方面较为复杂事情。小到原子、分子，大到星系、星系团，我们能够用量子力学和广义相对论明白一些事情。转眼间来到21世纪，科学实验证明量子力学以及广义相对论都解决不了所有的问题。在物理学中，要么是量子力学，或者就是广义相对论被当做是解决问题的工具之一。这种情况下也有例外，关于黑洞的奇点必须用到两种理论才能解决这个疑问。

把广义相对论和量子力学的有机结合起来是一个比较困难的问题，科学家发现，和广义相对论相反的狭义相对论对量子力学的发展有着某种促进作用，狭义相对论与量子力学都是针对微观世界下的物理问题。把狭义相对论与量子力学统一起来，科学家首先在电磁力与物质的作用上下了不少功夫，量子电动力学就是统一狭义相对论与量子力学的产物。为了二者和平的相处，科学家下了很多功夫，但每次都取得的成果都微乎其微。虽然努力程度不低，但结果不如人意。终于，一种全新的理论?超弦理论应运而生。超弦理论包含什么，它是介于微观和宏观世界的?中间人?，使广义相对论和量子力学和平相处的有力的理论。根据超弦理论可以知道，宇宙的基本组成部分不再仅限于粒子，而是像一根线一样。虽然是?弦?，但是具有独特的构成方式，它是比原子更小的组成结构。如果单独用这种方式的话，超弦理论可以说是物理学上一个及其重要的理论。

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