摘要：如果存在一种理论，能够用一套简洁的法则，解释宇宙中所有的物质、所有的力，乃至时间和空间的本质。它将成为一把宇宙的终极密钥，一旦拥有，我们将洞悉万物运行的奥秘。
从古老的神话中开天辟地的创世传说，到现代科幻电影中对宇宙规律的瑰丽想象，无不体现着人类对世界本质的永恒好奇与探索渴望。
而今，科学家们将这种对宇宙终极奥秘的求索，凝练成了一个优雅而雄心勃勃的概念——“万物理论”(Theory of Everything)。
如果存在一种理论，能够用一套简洁的法则，解释宇宙中所有的物质、所有的力，乃至时间和空间的本质。它将成为一把宇宙的终极密钥，一旦拥有，我们将洞悉万物运行的奥秘。
时至今日，经过几代科学家的不懈努力，我们已经构建起了一个名为“标准模型”的理论框架。标准模型可以精确地描述已知的实验结果，并预言了许多新的粒子，其中一些后来被实验所证实。
然而，标准模型并非终点，它还无法解释暗物质和暗能量的存在，也不能将引力纳入其中。在通往“万物理论”的道路上，还有许多未解之谜。
让我们从一个看似简单却又无比深刻的问题开始：空间是连续的，还是存在着最小的、不可再分的单元？就像高清电视屏幕，画面看似是连续、无比细腻的，但它其实是由一个个微小的像素点组成的。
在日常生活中，我们很难察觉到空间的“像素化”。我们看到的是光滑的表面，连续的线条。我们习惯于认为，一条线段可以无限地分割下去。从数学的角度来看，任意两个点之间，都存在着无穷多个点。这种“无限可分”的特性，被称为“连续性”。
然而，当我们进入微观的量子世界，情况就变得复杂起来。量子力学告诉我们，许多物理量，例如能量、角动量，都不是连续变化的，而是呈现出一种“跳跃”式的、离散的特性，就像台阶一样，只能取某些特定的值，而不能取中间值。这种现象被称为“量子化”。
如果空间也像能量一样是“量子化”的，那么就意味着空间也存在着最小的、不可再分的单元，也就是说，空间可能是“像素化”的。
那么，这种“像素”放在宇宙中会有多大呢？基于当前物理学的常数，物理学家们推算出了一个普朗克长度，大约是 10⁻³⁵ 米。这个尺度比一个原子核还要小上亿亿倍！
普朗克长度来自三个基本物理常数的组合：普朗克常数（描述量子世界里能量与频率的关系）、光速（宇宙中信息传播的速度极限）和引力常数（描述引力作用的强度）。这三个常数，分别代表了现代物理学的三个重要领域：量子力学、相对论和引力。将它们结合在一起，似乎暗示着在普朗克尺度上，这三个领域将交汇融合，展现出某种我们尚未完全理解的物理图景。
然而，要验证普朗克长度的存在，却难于登天。因为普朗克长度实在太小了，比我们目前能探测到的最小尺度还要小得多。
我们知道，要“看到”一个物体，我们需要用波长小于该物体尺寸的波进行探测。 例如，光学显微镜使用可见光来观察物体，可见光的波长大约在几百纳米，所以光学显微镜最多只能分辨几百纳米尺度的物体。而电子显微镜使用电子束来观察物体，电子束的波长比可见光短得多，因此可以观察到更小的结构，比如原子。
而要探测普朗克尺度，我们需要波长极短、能量极高的探测手段。 科学家们使用大型粒子对撞机（LHC）进行这方面的探索。在 LHC 中，质子被加速到接近光速，然后迎头相撞。通过分析撞击产生的碎片，科学家们可以推断出撞击瞬间发生的物理过程，并寻找新的粒子和现象。目前，LHC 能够达到的能量已经非常高，能够深入到原子核内部，研究夸克和胶子的性质。但是，即便是 LHC，它所能达到的能量，距离探测普朗克长度所需的能量还相差甚远，就好比我们要用一根竹竿去测量地球到月球的距离一样，完全不在一个量级。
可以说，在可预见的未来，我们都难以直接探测到。
让我们把目光转向物质的基本构件——基本粒子。目前，我们已经发现了 61 种基本粒子，并将它们归纳在一张类似元素周期表的“清单”中。
就像当初人们发现元素周期表的规律性，推测原子内部有更深层的结构那样，如今，基本粒子“清单”的规律性和对称性，也让许多物理学家相信，这些粒子可能只是更深层结构的一种表现形式。
要验证这个猜想，最直接的办法就是将这些基本粒子进一步“敲碎”，看看里面是否还有更小的组成部分，比如用大型强子对撞机（LHC），但就像上述提到的，将它们拆解需要的能量远超我们当前的对撞机能达到的范围。
如果说，寻找更基本的粒子，是为了探索物质的基石，那么，探究力的统一，则是为了理解宇宙的运作机制。在“标准模型”的框架下，我们已经知道四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。
简单理解的话，引力将我们束缚在地球上，并维持着天体的运行；电磁力负责日常生活中大多数的现象，例如，让你不会掉进地板的原子之间的排斥力，以及电和磁现象；强核力将夸克结合成质子和中子，并将质子和中子束缚在原子核内；而弱核力则控制着某些放射性衰变。
我们现在已经知道，除了引力之外的三种基本力——电磁力、弱核力和强核力，都可以用一种叫做“量子场论”的理论框架来描述。在量子场论中，所有的基本粒子都被看作是某种“场”的激发，而粒子之间的相互作用，则通过交换“玻色子”来传递。例如，电磁力是通过交换“光子”来传递，弱核力是通过交换“W 和 Z 玻色子”来传递，而强核力则是通过交换“胶子”来传递。可以说，“量子场论”为我们理解微观世界提供了一个统一的框架。但引力就像一头难以捉摸的“巨兽”，始终游离于统一的框架之外。
目前来看，最大的挑战在于如何将引力与其他三种力统一起来。
爱因斯坦的广义相对论，是目前描述引力最成功的理论。它将引力解释为时空弯曲的结果，描绘了一幅与量子力学截然不同的宇宙图景。
在广义相对论中，时空是平滑的、连续的，而在量子力学中，时空则可能是量子化的、离散的。如何将这两种看似矛盾的理论融合在一起，是摆在物理学家面前的一道巨大难题。
两者对引力本质的理解有差异。从量子力学视角看， 如果要将引力纳入量子力学，就需要找到传递引力的量子粒子，即引力子，但至今尚未观测到引力子。 而广义相对论认为，引力不是一种力，而是时空的弯曲。
为了解决这个难题，科学家们提出了各种假说，例如弦论和圈量子引力论。弦论认为，基本粒子不是点状的，而是一维的、振动的“弦”，不同的振动模式对应着不同的粒子。而圈量子引力论则尝试将时空本身量子化，认为时空是由一个个离散的“圈”编织而成。这些理论都试图将引力纳入量子力学的框架，实现所有基本力的统一。
然而，这些理论目前还都停留在假说阶段，它们都还没有得到实验的验证。
此外，在追寻“万物理论”的道路上，我们还需要更深刻地反思一些根本性的问题。例如，我们凭什么认为宇宙在本质上一定是简洁的呢？有没有可能，宇宙的规律本身就是复杂的、繁琐的，甚至在某种程度上是“混乱”的？
如果宇宙本身就不是简洁的，那么我们追求一个“最简洁”的理论，会不会从一开始就走错了方向？
我们目前发现的很多物理常数，例如光速、电子的电荷量、普朗克常数等等，都是一些固定的数值。我们希望这些常数能够被“万物理论”本身推导出来，而不是简单地作为外部输入。但是，有没有可能，这些常数并不是“注定”的，而是在宇宙的演化过程中，某种机制“随机”产生的？例如，在一些多重宇宙的理论中，不同的宇宙可能会有不同的物理常数，就像掷骰子一样，每次掷出的点数都是随机的，但都符合掷骰子这一规则。
如果这些常数本质上是随机的，那么试图从理论中推导出它们的值，或许是没有意义的。
来源：脑洞大开社
