萬有理論:人類文明的下一次升級在什麼時候?

2020-12-05 青語清言聊歷史

1666和1905兩個奇蹟年,引領了人類文明的兩次升級。但發展永無止境,還有更多的星辰大海需要人類去徵服。

這既源於人類的探索精神,也來自於對未來的擔憂——正如電影《流浪地球》所說,地球資源終將耗盡,環境會惡化到難以生存,到那時,我們的科技水平,能支持我們離開地球,離開太陽系嗎?

我們悲觀地發現:在可預見的未來,我們做不到。因為,我們的科技發展,正在陷入停滯。

舉一個很簡單的例子:晶片。

近期,圍繞5G等高科技發展引發的中美爭端,使華為、光刻機、晶片等一眾名詞頻繁進入我們的視野,而關於晶片發展的「摩爾定律」也為更多人熟知。

摩爾定律指的是:當價格不變時,晶片上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。

半個多世紀來,這條定律屢試不爽,儼然成了一條自然法。但是,先不說這是巧合還是真理,單是考慮下這個問題,就讓人毛骨悚然——晶片的工藝製程已經從28nm提升到14nm,再到10nm,目前7nm已經量產,5nm也已突破,可是,接下來呢?永遠這麼縮小下去,到1nm,0.1nm,0.01nm?

不可能!

不單是工藝技術上做不到,理論上也不可行。

工藝達到20nm以內,就已經碰到量子效應問題,7nm/5nm時量子效應已可能產生異常影響,晶片製程不可能無限制縮小,我們終有一天要撞上牆壁(也許10年後,5年後,甚至就是明後年),那時怎麼辦,電子信息工業發展停滯嗎?

再跳出來看整個科學體系。從1905年奇蹟年以來,百餘年間的科技發展一直在愛因斯坦的理論框架下進行,基礎理論未曾有過新的突破。

我們現在的科學,更多的是應用科學,即將牛頓、愛因斯坦等先輩的理論轉化為實際應用,比如前文提到的GPS、半導體、雷射燈,以及接下來的AI、機器人;

以及驗證科學,即驗證愛因斯坦等先輩的理論,比如當年刷爆朋友圈的LIGO探測器成功發現引力波(為此誕生了一個諾貝爾物理學獎),以及黑洞照片的問世、上帝粒子的發現,均證明愛因斯坦的理論是正確的,科學研究仿佛變成了「愛因斯坦又正確了」的狂歡。

而最重要的基礎科學,即類似牛頓、愛因斯坦對宇宙基本規律這樣的研究,陷入了停滯。

基礎科學,才是最關鍵的。

劉慈欣在《三體》一書中講到,為了限制地球發展,三體文明利用智子幹擾了地球環境,使基礎科學實驗無法得到正確結果,導致基礎科學無法突破,相關應用更無從談起,地球科技被徹底鎖死,文明無法進步。

基礎科學,是科學的基礎,是宇宙的基礎。

如果說科學是搭樂高積木,應用科學的作用是搭出各式各樣的造型,那基礎科學就是樂高積木本身——沒有基礎科學,你連搭樂高的機會都沒有。

時至今日我們依然在運用牛頓、愛因斯坦的理論體系,沿著他們的基礎科學道路前進,沒有新的選擇。

為什麼?因為科技樹越攀越高,科學體系越來越複雜,對科學家的要求也更高,需要的人力物力財力也更多,研究難度也更大。牛頓、愛因斯坦二十餘歲顛覆世界的個人英雄式的神話,很難再出現。

終有一天人類會走到盡頭,那時,沒有新的關鍵發明可以發明,沒有大的技術提升可以提升,整個人類文明發展只能停滯,遑論升級。

如果我們的控制力始終局限在地球範圍內,如果我們拿不出比愛因斯坦的理論更高級的理論,去突破星際航行的限制,掌握利用宇宙資源的能力,找出宇宙運行的真諦,我們終將畫地為牢。

有破局之道嗎?

有的。等待下一個奇蹟年

下一個奇蹟年什麼時候到來不得而知,但引發新一輪革命,推動人類文明第三次升級的理論體系,很有可能就是萬有理論(Theory of Everything,ToE)。

萬有理論指「一種具有總括性、一致性的物理理論框架,能夠解釋宇宙的所有物理奧秘」。

具體來說,萬有理論能夠統一宇宙間的四大基本作用力——引力、電磁力、強力、弱力,使在高能量狀態下,四種力統一為一種力,這樣我們就能將一切現象串聯起來,給予合理解釋。

再通俗點來說,就是現行的幾種理論,有互相矛盾之處,在各自作用領域,它們是正確的,但去解釋對方領域時,行不通。所以我們需要一種新理論來統一解釋所有現象。

這種「統一」,千百年來一直在進行,也是物理學進步的本質。

比如,牛頓將伽利略的拋物線運動與克卜勒的天體橢圓運動統一起來,發現了萬有引力;

比如,麥克斯韋統一了電力和磁力,提出了電磁力,與牛頓的力學體系一道構成了經典物理學體系。

但是,作為支柱的牛頓力學體系與麥克斯韋電磁場理論竟然是相矛盾的,牛頓力學無法解釋電磁場(開爾文男爵怎麼能夠說經典物理學大廈只需要修修補補了呢?)。

於是,愛因斯坦出場了,他以狹義相對論成功調和了兩者的矛盾,實現了統一,經典物理學也成功實現向現代物理學轉變。

接下來,他的目光轉向了更大的問題:引力和電磁力能否統一。

從下圖中就可以看到,兩種力的計算公式就是一個模子裡刻出來的,是個正常人都能想到它們是不是可以統一起來。

愛因斯坦像壯士般向下一個巔峰發起衝刺,但這次他失敗了——他窮盡後半生近40年的研究,以徒勞無功告終。

原因一方面是這實在太難了,另一方面是當時強力、弱力還未發現,影響了他的研究。

這也是為什麼他在二三十歲這個年紀光芒萬丈,後來卻鮮有新成就的原因——他把時間浪費掉了。

但探索沒有放棄。強力、弱力被發現後,科學家們轉變了思路——既然愛因斯坦都無法統一引力和電磁力,那就先從強力、弱力、電磁力的統一開始。

1967年,統一電磁力與弱力的理論提出,所預言的粒子也於1983年找到,電弱統一完成。

隨後,統一電磁力、弱力和強力的標準模型提出,截至目前關於這三種力的幾乎所有實驗的結果都與該理論預測吻合,且該理論提出的61種基本粒子,最後一種叫作希格斯玻色子的粒子已於2012年被發現(該粒子也因別號「上帝粒子」而出名),因此目前看起來,三種力統一了。

發現希格斯玻色子的歐洲大型強子對撞機

問題又回到了原點,引力怎麼辦。標準模型無法將引力統一,這也牽扯出了現代物理學體系中最大的一個問題:作為支柱的廣義相對論與量子力學,兩者是矛盾的,就跟當年經典物理學體系中牛頓力學體系與麥克斯韋電磁理論相矛盾一樣。

廣義相對論研究的是宇宙、星系、黑洞等大尺度天體;而量子力學研究的是原子、質子、中子等微觀世界。

宇宙
微觀世界

廣義相對論認為時空是連續的、平滑的;量子力學認為時空是分割的、漲落的。

廣義相對論認為世界是確定的,上帝不擲骰子;量子力學認為世界是隨機的,不可預測的(著名的薛丁格的貓和平行宇宙概念)

廣義相對論認為引力是空間彎曲引起的;量子力學認為力是粒子相互作用引起的,而引力,抱歉,沒有引力子,解釋不了。

兩個理論對世界有不同的認識,在矛盾中引領人類前進,直到兩者在某個領域相遇,以不可避免的正面碰撞,阻礙人類前進,人類科技到達終點。

所以,一種新的、能統一廣義相對論和量子力學,能統一四種基本力的萬有理論,成了破局之道。

誰能完成這一壯舉,誰就能掌握宇宙的終極,引領人類文明第三次升級。

弦理論和圈量子引力論,是當前兩個走得最遠的理論,能否成功還未知。

而相關的實驗設備——對撞機要不要建,特別是中國要不要建,也引發了廣泛爭論。

但無論如何,人類的探索永不止步,這是對子孫後代的負責,也因為「我們從祖先那裡繼承了對於統一的、無所不包的知識的強烈渴望。」(by薛丁格)

下一個奇蹟年,讓我們靜靜等待。

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