万有理论:人类文明下一次升级在什么时候?

1666和1905两个奇迹年,引领了人类文明的两次升级。但发展永无止境,还有更多的星辰大海需要人类去征服。

这既源于人类的探索精神,也来自于对未来的担忧——正如电影《流浪地球》所说,地球资源终将耗尽,环境会恶化到难以生存,到那时,我们的科技水平,能支持我们离开地球,离开太阳系吗?

我们悲观地发现:在可预见的未来,我们做不到。因为,我们的科技发展,正在陷入停滞。

举一个很简单的例子:芯片。


近期,围绕5G等高科技发展引发的中美争端,使华为、光刻机、芯片等一众名词频繁进入我们的视野,而关于芯片发展的“摩尔定律”也为更多人熟知。

摩尔定律指的是:当价格不变时,芯片上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

半个多世纪来,这条定律屡试不爽,俨然成了一条自然法。但是,先不说这是巧合还是真理,单是考虑下这个问题,就让人毛骨悚然——芯片的工艺制程已经从28nm提升到14nm,再到10nm,目前7nm已经量产,5nm也已突破,可是,接下来呢?永远这么缩小下去,到1nm,0.1nm,0.01nm?

不可能!

不单是工艺技术上做不到,理论上也不可行。

工艺达到20nm以内,就已经碰到量子效应问题,7nm/5nm时量子效应已可能产生异常影响,芯片制程不可能无限制缩小,我们终有一天要撞上墙壁(也许10年后,5年后,甚至就是明后年),那时怎么办,电子信息工业发展停滞吗?

再跳出来看整个科学体系。从1905年奇迹年以来,百余年间的科技发展一直在爱因斯坦的理论框架下进行,基础理论未曾有过新的突破。

我们现在的科学,更多的是应用科学,即将牛顿、爱因斯坦等先辈的理论转化为实际应用,比如前文提到的GPS、半导体、激光灯,以及接下来的AI、机器人;

以及验证科学,即验证爱因斯坦等先辈的理论,比如当年刷爆朋友圈的LIGO探测器成功发现引力波(为此诞生了一个诺贝尔物理学奖),以及黑洞照片的问世、上帝粒子的发现,均证明爱因斯坦的理论是正确的,科学研究仿佛变成了“爱因斯坦又正确了”的狂欢。

而最重要的基础科学,即类似牛顿、爱因斯坦对宇宙基本规律这样的研究,陷入了停滞。

基础科学,才是最关键的。

刘慈欣在《三体》一书中讲到,为了限制地球发展,三体文明利用智子干扰了地球环境,使基础科学实验无法得到正确结果,导致基础科学无法突破,相关应用更无从谈起,地球科技被彻底锁死,文明无法进步。

基础科学,是科学的基础,是宇宙的基础。

如果说科学是搭乐高积木,应用科学的作用是搭出各式各样的造型,那基础科学就是乐高积木本身——没有基础科学,你连搭乐高的机会都没有。

时至今日我们依然在运用牛顿、爱因斯坦的理论体系,沿着他们的基础科学道路前进,没有新的选择。

为什么?因为科技树越攀越高,科学体系越来越复杂,对科学家的要求也更高,需要的人力物力财力也更多,研究难度也更大。牛顿、爱因斯坦二十余岁颠覆世界的个人英雄式的神话,很难再出现。

终有一天人类会走到尽头,那时,没有新的关键发明可以发明,没有大的技术提升可以提升,整个人类文明发展只能停滞,遑论升级。

如果我们的控制力始终局限在地球范围内,如果我们拿不出比爱因斯坦的理论更高级的理论,去突破星际航行的限制,掌握利用宇宙资源的能力,找出宇宙运行的真谛,我们终将画地为牢。

有破局之道吗?

有的。等待下一个奇迹年

下一个奇迹年什么时候到来不得而知,但引发新一轮革命,推动人类文明第三次升级的理论体系,很有可能就是万有理论(Theory of Everything,ToE)。

万有理论指“一种具有总括性、一致性的物理理论框架,能够解释宇宙的所有物理奥秘”。

具体来说,万有理论能够统一宇宙间的四大基本作用力——引力、电磁力、强力、弱力,使在高能量状态下,四种力统一为一种力,这样我们就能将一切现象串联起来,给予合理解释。

再通俗点来说,就是现行的几种理论,有互相矛盾之处,在各自作用领域,它们是正确的,但去解释对方领域时,行不通。所以我们需要一种新理论来统一解释所有现象。

这种“统一”,千百年来一直在进行,也是物理学进步的本质。

比如,牛顿将伽利略的抛物线运动与开普勒的天体椭圆运动统一起来,发现了万有引力;

比如,麦克斯韦统一了电力和磁力,提出了电磁力,与牛顿的力学体系一道构成了经典物理学体系。

但是,作为支柱的牛顿力学体系与麦克斯韦电磁场理论竟然是相矛盾的,牛顿力学无法解释电磁场(开尔文男爵怎么能够说经典物理学大厦只需要修修补补了呢?)。

于是,爱因斯坦出场了,他以狭义相对论成功调和了两者的矛盾,实现了统一,经典物理学也成功实现向现代物理学转变。

接下来,他的目光转向了更大的问题:引力和电磁力能否统一。

从下图中就可以看到,两种力的计算公式就是一个模子里刻出来的,是个正常人都能想到它们是不是可以统一起来。


爱因斯坦像壮士般向下一个巅峰发起冲刺,但这次他失败了——他穷尽后半生近40年的研究,以徒劳无功告终。

原因一方面是这实在太难了,另一方面是当时强力、弱力还未发现,影响了他的研究。

这也是为什么他在二三十岁这个年纪光芒万丈,后来却鲜有新成就的原因——他把时间浪费掉了。

但探索没有放弃。强力、弱力被发现后,科学家们转变了思路——既然爱因斯坦都无法统一引力和电磁力,那就先从强力、弱力、电磁力的统一开始。

1967年,统一电磁力与弱力的理论提出,所预言的粒子也于1983年找到,电弱统一完成。

随后,统一电磁力、弱力和强力的标准模型提出,截至目前关于这三种力的几乎所有实验的结果都与该理论预测吻合,且该理论提出的61种基本粒子,最后一种叫作希格斯玻色子的粒子已于2012年被发现(该粒子也因别号“上帝粒子”而出名),因此目前看起来,三种力统一了。

2012年发现希格斯玻色子的 欧洲大型强子对撞机

问题又回到了原点,引力怎么办。标准模型无法将引力统一,这也牵扯出了现代物理学体系中最大的一个问题:作为支柱的广义相对论与量子力学,两者是矛盾的,就跟当年经典物理学体系中牛顿力学体系与麦克斯韦电磁理论相矛盾一样。

广义相对论研究的是宇宙、星系、黑洞等大尺度天体;而量子力学研究的是原子、质子、中子等微观世界。

宇宙

微观世界

广义相对论认为时空是连续的、平滑的;量子力学认为时空是分割的、涨落的。

广义相对论认为世界是确定的,上帝不掷骰子;量子力学认为世界是随机的,不可预测的(著名的薛定谔的猫和平行宇宙概念)。

广义相对论认为引力是空间弯曲引起的;量子力学认为力是粒子相互作用引起的,而引力,抱歉,没有引力子,解释不了。

两个理论对世界有不同的认识,在矛盾中引领人类前进,直到两者在某个领域相遇,以不可避免的正面碰撞,阻碍人类前进,人类科技到达终点。

所以,一种新的、能统一广义相对论和量子力学,能统一四种基本力的万有理论,成了破局之道。

谁能完成这一壮举,谁就能掌握宇宙的终极,引领人类文明第三次升级。

弦理论和圈量子引力论,是当前两个走得最远的理论,能否成功还未知。

而相关的实验设备——对撞机要不要建,特别是中国要不要建,也引发了广泛争论。

但无论如何,人类的探索永不止步,这是对子孙后代的负责,也因为“我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。”(by薛定谔)

下一个奇迹年,让我们静静等待。


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