一切理论的麻烦

W无论你说什么你的日常生活，都意味着一个等级。试一下。“我太忙了”只在假定的时间范围内有效:比如今天，或者这周。不是这个世纪，也不是这一纳秒。“税收是繁重的”只对一定的收入范围有意义。等等。

你可能会说，同样的限制在科学领域肯定不成立。毕竟，在引入科学方法后的几个世纪里，传统智慧认为，有些理论对所有尺度都是绝对正确的，即使我们永远无法事先从经验上确定这一点。例如，牛顿的万有引力定律毕竟是普遍的!它适用于坠落的苹果和坠落的行星，也适用于在太阳下和太阳之上所做的每一个重要观察。

随着相对论，尤其是广义相对论的出现，人们越来越清楚地认识到，牛顿的万有引力定律只不过是一种更基本的理论的近似。但更基本的理论，广义相对论，在数学上是如此的完美，似乎有理由假设它完美而完整地编码了存在质量和能量的空间和时间的行为。

量子力学的出现改变了一切。当量子力学与相对论相结合时，结果是，事实上出乎意料的是，支配物质和能量的物理定律的细节本质实际上取决于你测量它们的物理尺度。这可能导致了20世纪最大的未被歌颂的科学革命:我们知道没有一个理论既与经验世界相联系，又绝对且永远是正确的。(尽管弦理论学家抱有希望，但我认为这种情况不会很快改变。)尽管如此，理论物理学家还是投入了相当大的精力来追求这类理论。那么，到底发生了什么?一个普遍的理论是一个合理的目标，还是科学真理总是依赖于规模?

T量子力学和相对论的结合意味着一个迫在眉睫的尺度问题。作为量子力学核心的海森堡著名的测不准原理暗示，在小尺度、短时间内，完全限制基本粒子的行为是不可能的。在能量和动量中有一种内在的不确定性，这种不确定性是永远不能减少的。当这个事实与狭义相对论结合在一起时，结论是你甚至不能在短时间内限制在一个小体积内存在的粒子的数量。所谓的“虚拟粒子”可以在如此短的时间尺度上进出真空，以至于你无法直接测量它们的存在。

一个引人注目的效果是，当我们测量电子之间的力时，例如，当电子上的实际测量的电荷 - 确定电力是多强的效果 - 取决于您测量的范围。您越靠近电子，越深刻地渗透在围绕电子的虚拟粒子的“云”内部。由于阳性虚拟颗粒被吸引到电子，因此您将渗透到云中的更深，因此您所看到的电子积极云和更多的负电荷。

然后，当你开始计算两个粒子之间的力时，你需要包括所有可能的虚拟粒子的影响，这些虚拟粒子在测量力的过程中可能从空空间弹出。这包括具有任意大质量和能量的粒子，出现时间任意短。当你包括这些效应时，计算出的力是无限的。

我们没有知道两者都与经验世界接触，绝对和总是真实。

Richard Feynman分享了诺贝尔奖，以便在提取各种其他模糊的信息后一致地计算有限的残余力。因此，我们现在可以从基本原则，诸如电子的磁矩到10个有效数字的数量来计算，并将其与在任何其他科学领域不可成熟的水平的实验相比。

但费曼最终对自己的成就感到失望——这一点从他1965年的诺贝尔奖演讲中就可以看出来，他在演讲中说:“我认为重正化理论只是一种掩盖电动力学分歧困难的方法。”他认为，首先，任何合理的完整理论都不应该产生无穷大，他和其他人开发的数学技巧最终只是一种拼凑。

但现在，我们的理解有所不同。从某种意义上说，费曼在
上的担忧是错误的。问题不在于理论，而在于试图把理论推到能提供正确描述自然的范围之外。

T这是一个由任意
大质量和能量的虚粒子产生的无限大在物理上不相关的原因:它们是
基于一个错误的
假设，即
理论是完整的。或者，
换句话说，这个理论描述了所有尺度的物理，甚至是任意小尺度的距离和时间。但如果我们期望我们的理论是完整的，那就意味着在我们有一个任何东西，我们首先要有一个理论一切这一理论包括了我们已经发现的所有基本粒子的效应，以及我们还没有发现的所有粒子!往好了说，这是不切实际的，往坏了说，也是不可能的。

因此，在我们可以在实验室测量的尺度上，有意义的理论必须对可能的新物理在更小的距离尺度上(或更小的可能性，在更大的尺度上)的影响不敏感。这不仅仅是一个临时问题的实际解决方案，我们期望随着我们对自然的更好描述而消失。由于我们的经验知识很可能总是有部分不完整的，在实际的必要性下，用来解释我们可以探索的那部分宇宙的理论，将对可能出现的超出我们目前能力范围的新物理现象不敏感。这是我们认识论的一个特征，在我们开始探索量子力学和相对论都变得重要的极端尺度之前，我们并没有完全理解这一点。

这甚至适用于我们在自然界拥有的最好的物理理论:量子电动力学，它描述了电子和光之间的量子相互作用。我们之所以能像费曼那样，不受惩罚地抛弃理论所产生的无限，是因为它们是人为的。他们对应的是将理论外推到它可能不再有效的领域。费曼错了，他对自己在这些无穷大上的成功操作感到失望——这是他在没有理解远比当时能探测到的更小尺度的新物理的情况下所能做的最好的事情。即使在半个世纪后的今天，在量子电动力学不再是正确描述的尺度上流行起来的理论，本身也会在更小的尺度上崩溃。

T这里有一个不同于物理理论中规模的故事。而不是合法地将理论划分为各自的领域，在这些领域之外它们是无效的，尺度论证揭示了理论之间隐藏的联系，并指出了一条新的统一理论的道路，它包含了原始理论，并在更大的范围内应用。

例如，过去几年里所有与希格斯粒子发现有关的大肆宣传，都是因为希格斯粒子是将量子电动力学与另一种力——弱相互作用——统一起来的理论中最后一个缺失的环节。这是自然界已知的四种力量中的两种，从表面上看，它们非常不同。但我们现在知道，在非常小的尺度和非常高的能量下，这两种力可以被理解为相同的潜在力的不同表现，这种力被称为电弱力。

比例尺也促使物理学家们尝试着
，将另一种自然基本力，
强力，统一为
一个更广泛的理论。强力
作用于构成质子
和中子的夸克
，在
1973年之前一直抵制
的理解。那一年，三位
理论家，大卫·格罗斯，
弗兰克·维尔切克和
大卫·波利策，证明了一些东西
绝对出乎意料的
和非凡的。他们
证明了一个
到
的候选理论描述了这种力，称为量子色动力学——与量子电动力学类似——拥有一种他们称之为“渐近自由”的特性。

如果我们预计我们的理论才能完成，这意味着在我们能够拥有任何东西之前，我们首先要有一切的理论。

渐近自由使得夸克之间的强作用力随着夸克的靠近而减弱。这不仅解释了实验现象,被称为“扩展”——夸克在质子似乎表现得好像他们是独立的,没有相互作用粒子能量高,小的距离但是它也可能解释为什么没有免费的夸克是自然界中观察到。如果强作用力在小距离时减弱，那么它在大距离时可能足够强，以确保没有自由夸克能够逃脱它们的伙伴。

发现在短距离强劲的力量变弱,电磁学,弱力得到统一,在短距离变得更强,使理论家在1970年代提出,在足够小的尺度上,也许15大小的数量级小于质子,三股势力(强、弱,和电磁)作为一个单一的力量统一在一起，这就是著名的大统一理论。在过去的40年里，我们一直在寻找这方面的直接证据——事实上，大型强子对撞机(Large Hadron Collider)目前正在寻找一整套新的基本粒子，这些粒子似乎是使三种力的比例恰到好处所必需的。虽然有间接证据，但还没有发现直接的确凿证据。

自然地，将四种已知力中的三种统一起来的努力导致了将第四种力——引力——纳入混合的进一步努力。为了做到这一点，有人提出了这样的观点:引力本身只是一个有效的理论，在足够小的尺度下，它会与其他力合并，但前提是自然界中存在大量我们无法观测到的额外空间维度。这个理论，通常被称为超弦理论，在20世纪80年代和90年代引起了理论家们的极大兴奋，但迄今为止，没有任何证据表明它实际上描述了我们生活的宇宙。

如果它确实，它将拥有一个唯一和新的功能。超级理论最终可能根本没有产生无限的。因此，无论多么小，它都有可能在所有距离尺度上施加。出于这个原因，它已知有些人作为“一切理论” - 但事实上，这一理论的所有Exotica的规模实际上都会如此小，因为尽可能地与可预见的实验测量值本质上无关紧要关注。

T他认识到我们对物理现实的理解的规模依赖，随着时间的推移，我们朝着建议的理论字符串理论 - 这一限制消失了。这努力反映了理论物理学家的错位宣誓书是否习惯于在较小的尺度上实现现实后取得成功？

虽然我们不知道这个问题的答案，但我们至少应该持怀疑态度。到目前为止，还没有一个例子，在没有直接实验或观测结果的基础上，像弦理论这样宏大的外推提供了一个成功的自然模型。此外，我们对弦理论了解得越多，它似乎就越复杂，许多早期对它的普遍主义的预期可能是乐观的。

至少可能是自然的可能性，因为Feynman曾经推测，可能就像洋葱一样，具有大量的层。当我们剥离每一层时，我们可能会发现我们美丽的现有理论得到了一个新的和更大的框架。因此，总会有新的物理来发现，并且永远不会有一个最终的普遍理论，适用于所有尺度的空间和时间，无需修改。

哪条路是通向现实的真正道路还有待我们去争取。如果我们知道正确的发现之路，就不会是发现。也许我自己的偏好只是基于一个错位的希望，即物理学家的工作能继续有保障!但我也喜欢这种可能，那就是永远都有谜团需要解决。因为没有神秘感的生活在任何程度上都会变得很无聊。

Lawrence M. Krauss是亚利桑那州立大学地球和太空勘探学校起源项目和基金会教授主任理论物理学家和宇宙学家。他也是畅销书籍的作者，包括无中生有的宇宙和星际迷航的物理学。