時間簡史The Unification of Physics－11

 The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

11－The Unification of Physics

 

因為建立一個大一統理論相當困難，我們發展了許多比如化學生物一樣的局部理論。愛因斯坦在他的後半生致力於這樣的探索，但是他的時代對於重力和電磁力的理論還不全麵，對於原子核力的理解知之甚少，加上他拒絕量子力學，所以並不成功。

 

大一統理論的最關鍵點在於，如何能夠把重力和其他力學相結合。一方麵，廣義相對論是一個傳統力學，它無法和量子力學的未確定理論有效結合。但是其他的局部理論和量子力學又有著本質上的內在關係，因此關鍵的第一步是如何結合廣義相對論和不確定理論。

 

前麵幾章講到，當我們把廣義相對論和不確定理論相結合，我們由此發現黑洞並不黑暗，宇宙也沒有奇點（singularities），宇宙空間沒有邊界但自我限定。困難在於，就如在第七章講的，不確定理論意味著即使在空的宇宙空間也充滿了虛粒子和反粒子，這些粒子含有無限的能量。根據愛因斯坦的能量守恒定律E＝mc^2，無限的能量就會轉化成無限的物質，而無限物質產生的引力吸引將會使空間彎曲成無限小，這又跟我們現在相處的宇宙完全不同。

 

後來人們提出了超重力理論，但是這個理論很難從數學的角度來證明粒子無限性的相互取消。1984年又提出string theory （弦理論）。

 

根據弦理論，宇宙空間的基本物質不是粒子，而是像細繩一樣隻有長度而無限細的繩子。這些繩子或者具有開放的兩端或者兩端結合在一起形成一個封閉圈。宇宙空間的事件可以用兩端開放的弦而組成的像紙麵一樣的二維空間來代表，或者由封閉圈組成的像輪胎一樣的三維圓柱來代表。它們可以互相結合或分開，粒子的傳播就如wave一樣，合成和分開也如wave的合成和分開。

 

然而，string theory 也會指向物質的無限性，更關鍵的是，string theory 隻有在10個或26個space-time中才具有連貫性，而不適合我們生存的四維空間！

 

那麽到底有沒有可能存在大一統理論？這裏有3種可能：

1，確實存在大一統理論，但是由於我們的局限性還沒有找到；

2，沒有大一統理論，隻有一連串不同的理論越來越準確地描繪這個世界；

3，宇宙沒有科學理論，所有的事件都是隨機發生，我們不可能預測它的未來。

 

根據我們現有的科學，我們在不確定理論的範圍之內可以預測事件的未來，所以我們可以去掉第三種可能性。

 

我們現在的科學符合第二種可能性，為了要解釋新現象，我們需要不停發展新的理論，但是新理論的探索因為客觀條件的限製不是無限的。我本人相信會有大一統理論，而且有可能在我們有生之年發現。

 

但是，即使我們真的找到這樣一個理論，也不意味我們可以預測未來。原因有2：1， 我們無法繞過量子力學的不確定理論。2， 我們隻能解決非常基本的簡單公式，而不能預言更高層次的發展。比如我們了解生物的基本原理，但並不能以此來判斷人的行為。所以說，發現一個完整的，係統的大一統理論隻是第一步，而我們的目的在於理解發生在我們周圍的事件和我們本身存在的意義。