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大家好，我是科学羊。
其实，物理学家有一个浪漫的梦想：找到一个终极公式，能够解释宇宙中的一切现象——从最小的粒子到最大的星系，从引力到电磁力，统统包括在内。
这就是传说中的”万物理论“（Theory of Everything）。
自从爱因斯坦提出广义相对论以来，这个梦想已经持续了100多年。无数顶尖科学家投入毕生精力，试图找到这个终极答案。
但问题来了：如果这个理论根本不存在呢？
更准确地说：如果追求这个理论的方式，本身就违背了科学的基本原则，会怎样？
今天我们就来聊聊，为什么”万物理论”可能是物理学史上最大的一场空。
在讨论万物理论之前，我们得先搞清楚一个更基本的问题：科学事业的真正目标是什么？
物理学家心目中各个学科的推导关系
答案其实很简单：用尽可能少的假设，解释尽可能多的现象。
说人话就是：科学家希望找到一个简洁、强大的框架，能够预测自然界发生的事情，同时不引入任何不必要的东西。
这个原则叫”奥卡姆剃刀”：如非必要，勿增实体。
现在，我们对宇宙的理解已经取得了惊人的成就。标准模型能够精确描述所有已知的基本粒子和三种力（电磁力、强核力、弱核力）。广义相对论能够描述引力。暴胀大爆炸理论解释了宇宙起源。
这些理论都有一个共同特点：它们能被实验验证，而且预测极其精准。
但问题是：这些理论之间还没有完全统一。于是，物理学家开始追求一个更宏大的目标——把所有理论统一到一个框架下。
这个想法听起来很美好。但当你仔细看它是怎么实现的时候，你会发现一个可怕的趋势：为了统一，我们正在背离科学的初衷。
故事还是要从1919年说起。
那一年，一位名叫特奥多尔·卡鲁扎的物理学家提出了一个大胆的想法：如果我们给宇宙加上第五个维度，能不能把爱因斯坦的引力理论和麦克斯韦的电磁学统一起来？
从数学上看，这个想法非常漂亮。卡鲁扎成功地写出了一个包含引力和电磁学的统一方程。
但随之而来的是三个致命问题：
第一，这个第五维度不能影响我们的四维世界。
也就是说，它必须以某种方式”消失”，否则我们早就应该观测到它的影响了。于是卡鲁扎假设：第五维度被”卷曲”成一个极小的尺度，小到我们根本探测不到。
第二，这个理论是经典的，但宇宙是量子的。
早在1919年，我们就知道电磁学必须用量子力学描述，而卡鲁扎的理论完全是经典的。这意味着，即使数学上统一了，物理上它也不对。
第三，它引入了一个新的场：膨胀子。
为了让数学自洽，卡鲁扎不得不加入一个额外的标量场——膨胀子。但问题是：宇宙中根本没有这个东西的证据。
所以，为了实现统一，卡鲁扎做了什么？
他加入了一个看不见的维度，加入了一个不存在的场，然后假设它们都神奇地”消失”了，不影响任何可观测的现象。
这就好像你想解释为什么苹果会掉下来，于是说：”因为有一个隐形的小精灵在推它，但这个小精灵只在没人看的时候出现。”
从此，物理学走上了一条奇怪的道路…….
让我们快进到20世纪70年代。
那时候，标准模型已经建立起来了。
我们知道了所有的基本粒子：6种夸克、6种轻子、传递力的玻色子，还有希格斯粒子。
这个模型非常成功。几乎所有实验都和它的预测完美吻合。
但物理学家不满足。他们想要更大的统一——把强核力和电弱力也统一起来。这就是”大统一理论”（GUT）。
最简单的大统一理论叫”乔治-格拉肖模型”。它在数学上很优雅，能够把三种力放在一个框架下。
但它有个副作用：它预测质子会衰变。
为什么？
因为统一的框架里，存在一种新的超重玻色子，叫做”X玻色子”。这种玻色子能够同时携带夸克和轻子的性质，导致质子在大约10³⁰年后分解。
听起来时间很长对吧？
但问题来了：实验告诉我们，质子的寿命至少是10³⁴年。
也就是说，这个理论预测的衰变速度，比现实快了一万倍。
理论被实验否定了。
那怎么办呢？
物理学家的做法不是放弃这条路，而是继续往前走：既然简单的大统一不行，那就搞更复杂的大统一。
于是，越来越多的粒子、越来越多的对称性、越来越多的自由度被加进来。
另外，自然界有一个奇怪的特征：它不喜欢对称。
比如说，所有的中微子都是”左旋”的——如果你用左手的拇指指向中微子运动的方向，你的手指弯曲方向就是它的自旋方向。
而所有的反中微子都是”右旋”的。
这种左右不对称，叫做”宇称破缺”，是自然界的基本特征。
但这让追求对称美的物理学家很不爽。他们觉得：宇宙怎么能这么”丑陋”？肯定存在一个更深层的对称结构！
于是，”左右对称模型”诞生了。
它假设宇宙在更高的能量尺度上是左右对称的，只是在我们这个能量尺度上，对称性被”自发破缺”了。
这个想法在数学上很美。
但现实呢？
现实是：我们观测到的所有现象都违反左右对称。
如果这个理论是对的，那么必须有某种机制完美地消除所有右旋中微子和左旋反中微子，同时还要解释为什么强力只有三种”颜色”而不是四种。
再一次，为了统一，我们引入了更多的东西，然后假设它们神奇地消失了。
接下来要说的是超对称理论（Supersymmetry, SUSY）。
这个理论认为：每一个标准模型粒子，都有一个”超伙伴”。电子有超电子，夸克有超夸克，光子有超光子……
为什么要这么假设？
因为超对称能够解决标准模型的一个大问题：为什么希格斯粒子的质量这么小？
按照量子场论的计算，希格斯粒子的质量应该是普朗克质量（10¹⁹ GeV）量级，但实际测量到的只有125 GeV。这差了十几个数量级，被称为”等级问题”。
超对称能够在数学上解决这个问题。但代价是什么呢？
代价是：宇宙中存在数百个我们从未见过的新粒子。
2012年，大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯粒子。物理学家欢呼雀跃，因为这验证了标准模型的最后一块拼图。
但同时，他们也在寻找超对称粒子。如果超对称是对的，LHC应该能看到一大堆新粒子。
结果呢？
什么都没有。
不仅如此，LHC还发现：希格斯粒子只有一个。
而超对称理论预测，应该至少有5个希格斯粒子。
这是对超对称最直接的打脸。
但超对称的支持者并没有放弃。他们说：也许超对称粒子的质量比我们预想的更重，所以LHC还探测不到。也许我们需要建造更大的对撞机。
于是，统一理论又一次把自己的预测推向了”我们暂时还测不到”的领域。
说到万物理论，不能不提弦理论。
物质放大呈现不同阶段，终结于弦阶段： ①物质 ②分子结构（原子） ③原子（质子、中子、电子） ④电子 ⑤夸克 ⑥弦
弦理论是目前最流行的万物理论候选。它的核心思想是：所有粒子都不是点状的，而是微小的”弦”在不同模式下的振动。
这个想法非常优雅，而且理论上能够包含引力——这是标准模型做不到的。
但问题来了：弦理论需要多少个维度？
答案是：至少10个，最多可能26个。
除了我们熟悉的4个时空维度，还有6到22个额外维度。
这些额外维度在哪？和卡鲁扎的第五维度一样，它们被”紧致化”了，卷曲到极小的尺度，所以我们看不见。
不仅如此，弦理论还需要：
-
超对称（所以所有前面提到的超对称问题都继承了）
-
超引力
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数百种新粒子
-
磁单极子（一种只有北极或南极的磁铁，从未被观测到）
-
多个希格斯粒子
-
允许质子衰变的超重玻色子
每一个这些东西，都和我们观测到的现实相矛盾。
那弦理论的支持者怎么说？
他们说：这些东西虽然存在，但它们的效应都被某种机制完美地抑制了，所以我们观测不到。
这就好像你造了一个超级复杂的机器，有上千个零件，但你说：”别担心，其中999个零件不会动，只有一个零件在工作，而这个零件做的事情，和一个简单的齿轮一模一样。”
那你为什么不直接用一个齿轮呢？
拼图还是碎片？
让我用一个比喻来总结这个问题。
想象你在拼一幅1000片的拼图。你已经拼好了中间的500片，图案很清晰——这就是标准模型和广义相对论。
现在，有人告诉你：”我有一个更宏大的理论！你看，我这里有10000片拼图碎片，它们能拼成一个更大的画面！”
你问：”那剩下的9500片在哪？”
他说：”哦，那9500片都藏起来了，你看不见，也拼不上，但它们肯定存在。不信你看，我的10000片理论在数学上多完美！”
这就是当前万物理论的困境。
为了实现统一，我们不断引入新的成分——额外维度、新粒子、新对称性、新的场——然后费尽心思解释为什么这些东西都”恰好”没有被观测到。
这还是科学吗？
还是变成了一种数学游戏？
让我们回到最开始的问题：科学的目标是什么？
用最少的假设，解释最多的现象。
标准模型有多少个自由参数？大约20个。
弦理论有多少个？至少10⁵⁰⁰个。
是的，你没看错，10的500次方。这个数字来自于弦理论中”真空态”的数量——每一种真空态都对应一个可能的宇宙。
这意味着什么？
意味着弦理论几乎可以”解释”任何实验结果。无论你发现什么，都可以说：”看，这对应10⁵⁰⁰个解中的某一个！”
但这种”解释一切”的理论，其实什么都没解释。
因为它失去了科学理论最重要的特征：可证伪性。
如果一个理论能够兼容任何实验结果，那它就不是科学理论，而是信仰。
也许，宇宙本来就不”统一”
这里有一个更激进的想法：也许宇宙本来就不需要统一。
为什么我们如此执着于找到一个”终极理论”？
很大程度上，是因为美学上的偏好。我们觉得，宇宙”应该”是简洁的、对称的、统一的。
但宇宙凭什么要满足人类的美学标准？
标准模型和广义相对论已经能够解释我们观测到的几乎所有现象。它们的预测精度达到了小数点后十几位。
是的，它们之间还没有完全统一。但这有什么问题吗？
牛顿力学和热力学也没有”统一”，但不妨碍它们都是伟大的科学理论。
也许，追求统一本身就是一个错误的方向。
也许，我们应该把精力放在解决真正的物理学谜题上：暗物质是什么？暗能量是什么？中微子为什么有质量？
这些问题的答案，可能不需要22个额外维度和10⁵⁰⁰个自由参数。
好吧，让我们回到现实！
让我用诺贝尔奖得主、物理学家罗伯特·劳克林（Robert Laughlin）的话来结束：
“我们不需要知道宇宙的终极理论，就像我们不需要知道水分子的量子力学，也能理解海浪是如何形成的。”
每一个尺度上，都有适用于那个尺度的有效理论。在我们的尺度上，标准模型和广义相对论已经足够好了。
也许，万物理论永远不会被找到。
不是因为它太难，而是因为它根本不存在。
又或者说：它存在，但通往它的路，不是不断添加看不见的维度和粒子，而是回到科学的初心——与可观测、可测量的现实保持联系。
当我们抛弃了这个联系，我们就不再做科学，而是在做数学哲学。
数学哲学也许很美，但它不能告诉我们，宇宙到底是如何运作的。
好，今天就先这样啦～
科学羊🐏 2025/11/09
祝幸福~