“科学终级理论”是什么？为何会让物理学两大支柱不可调和？

Answer 1

现代物理现在正面临着巨大分歧，因为现代物理学的两大支柱：量子力学和广义相对论是相互矛盾的。研究巨大物体与天文学的广义相对论和研究微小粒子的量子力学二者各自发展出了丰富的成果，每当我们需要在一个自然问题上检验其成果的时候就会发现，大自然一边对广义相对论说“你是对的”，一边又对量子力学说“你是正确的”，但为什么它俩研究的根基却是相互矛盾的呢？

伟大的大统一之路

当两个不同理论出现分歧时，用一个新的理论将它俩同时解释是物理史已经发生过很多次的事情了：

当描述地球上物体运动的伽利略物理学和描述天体运动的开普勒物理学出现矛盾时，牛顿挺身而出将它们统一了，提出了万有引力；

麦克斯韦和法拉第则把原本看似不相干的电与磁统一起来，找到了电磁场方程；

麦克斯韦的电磁场与牛顿力学又出现了冲突，是伟大的爱因斯坦用狭义相对论将它们纳入同一个公式中，之后爱因斯坦又创立了广义相对论来解决牛顿力学和狭义相对论的冲突。

世间万力，如今已经被简化成4种力了，分别是强力、弱力、电磁力、引力。爱因斯坦的余生都致力于将它们统一起来，但是最终并没有成功。所以现在有无数物理学家在为了寻找这一究级答案而奋斗着，这就是浪澜壮阔的“大统一理论”探索之路。它是如此地关键且本质，是我们人类接近世界真理的最后一扇大门，所以也被称之为“万物之理”、“科学终级理论”。

统一这四种力是大统一的目标，分别是重力、电磁力、强力、弱力

经过近百年的研究，现在物理学家们已经基本完成了强力、弱力和电磁力的统一。现在唯一的还没有解决的是引力，它和其他几种力相比实在是太奇怪了，引力的强度极弱而作用范围近乎无限（别被弱力的名字欺骗了，它是引力的10^25倍）。况且以上三种力都是在量子力学内部消化的，和广义相对论有冲突问题的引力还没有可靠的解释理论。

引力如何难住量子力学

在很久以前，人们是怎么认识磁场所产生的力和重力的呢？牛顿在他的书中是这么定义的：引力是一种超距离作用力。说白了他就是认为这是一种类似“虚空感应”的作用方式，不需要实体。那个时代的人们对磁场的普遍认识也是“一种看不见摸不着的超距离作用”，我想，可能现在绝大多数人对于它们的认识也和几百年前没有区别吧。

磁场是量子场

但是后来人们发现了几个现象：

磁场可以产生电场，电场也可以产生磁场，。

电场和磁场可以相互感应，产生电磁波。

光的本质是电磁波，拥有波动性。

光还拥有粒子性，也就是大家都知道的光子。

我想这些学过高中物理的朋友应该都有印象，那么你们有没有想过，这几个相互关联的结论如果把中间部分去掉，首尾相接就会得到一个非常奇怪的结果：磁场是由光子组成的。

这是真的吗？没错，是真的！虽然看上去非常别扭，但是这就是量子物理学的巨大成果之一：电磁场不是什么“超距离感应”的不合理存在，电磁场就是量子场，是由量子组成的，电磁场的量子就是光子，而电场和磁场不过是同一个物质的两种表现形式罢了（我们能看到光子种类很少，能量更小或更大的光子和我们视网膜上的色素不会产生相互作用）。

所以当两块磁铁相互排斥时，你可以理解为有两束光子流因相互冲击而产生了作用力（其实没这么简单）。也就是说，这些看不见的作用力在量子力学里被破除了神秘，它们都只是极细小的粒子直接相互作用而产生的效果。后来物理学家们也找到了传递强力的量子（胶子）和传递弱力的量子（弱玻色子），这让量子物理学家大展精神，它们似乎无所不能。事实上量子物理学确实差一点儿成了物理终级神器，在量子力学方程诞生后的几十年间，物理学家们每一天都像是活在大年三十一样，每当出现了一个新的问题，只要直接用量子力学的方程进行计算就可以得到答案，而且答案总是对的。

举个例子，现代化学有一张元素周期表，它把元素按电荷数量进行的排序，但是我们一直不明白为什么这些元素会有这些独特的性质，比如1号元素氢是比较活波的，但是2号元素氦却是极端地不活波，可是3号元素锂又变得非常活波了。这之间到底发生了什么？为什么它们的性质不是平缓变化而是突然改变的？为什么有些元素是金属但是有些不是？

这时只需要用量子力学的方程算一算原子核，就会得到一些整数解，再拿出元素周期表一参考，物理学家们就会发现这些数的周期和元素周期表的特性完美地契合了！这数其实就是电子轨道。如比第一个解是2，这就代表着在原子核外第一个可以容纳电子的地方最多可以同时存在两个电子，所以二号元素氦没有孤立的电子而特别稳定。量子力学完美地破解了元素周期表的秘密！

量力力学计算的电子轨道能级示意图

那么这么神奇的量子力学为什么不能搞定引力呢？因为如果假设引力也是由量子场引发的，那么就会存在名为“引力子”的东西，但是事实上无论怎么计算物理学家都找不到一个可以合理描述引力子的方程。这其实很好理解，因为量子场的特征和现实世界还是很像的，如果一个场是全方向扩散的，那么必然会衰减的很快。但是引力却十分不同，它本身极微弱，却极难衰减，可以近乎无限地传播下去，量子的“直接作用”就根本没法解释它了。

引力子假说，失败

相对论哪里不足

广义相对论对于解释引力的现象是非常在行的，它的方程可以完美地计算引力，并完美地解释了一些特殊的天文现象（水星近日点进动）并和预言天体（黑洞）。但是相对论的基础和量子力学是完全不一样的，它认为引力场就是时空本身，而引力的本质则是巨大质量的物体可以从“几何学”的角度扭曲时空， 这就产生了一种“物体自发地向扭曲更厉害的方向掉落”的现象。

也就是说，广义相对论中的时空观是连续没有间隙的，不需要什么物质支撑的。这样一来问题就很明显了，总结一下就是：

量子力学：一切场包括引力场理应是量子场，而量子场本质是不连续的。

相对论：引力场是固有存在且连续的，引力是时间和空间的扭曲造成的。

双方现在都处于困境之中，相对论虽然好用，但是却没法详细解释“引力场（时空）的本质是什么”，只能精准地对它进行描述而已，就好像我们可以计算沙子的流动性和刚性，但是却不知道它能同时拥有这两种特性的本质——沙子是细小的固体。

而量子力学在以往的历史中虽然战无不胜，却找不到能把引力场纳入麾下的公式，而且到目前为此我们已经可以明白用现有的量子理论根本没办法解释，怎么找都是徒劳的。这种双方不相容而且都无法干掉彼此的困境就是“大统一理论”之路目前停滞不前的原因。

两个希望之星

那么这么多年物理学家们有没有想什么办法去解决这个难题呢？有，我可以简单地介绍一下

1、弦理论。这是一种用数学强行打通任督二脉的方法，逻辑其实也不难理解：你量子不是衰减的快么？我就用更多的公式来近一步拆分你量子的公式，通过数学的方法构建一个（非常复杂的）公式，这个公式既可以变形成量子的公式，也可以变形成引力的公式，然后再来分析这个公式，解读（猜测）公式中的每一个结构都是什么意思，最后对于这个公式的理解是万物都由一个个闭合且振动的弦组成，所有的基本粒子和现象都是这些弦不同频率振动而显示的表象而已，这就是弦理论。

弦理论假想图

但是目前看来它的希望不是很大，因为在构建这个公式时，为了自圆其说，只能不断增加维度，最后硬是加到了11维，有一种非常“刻意而为”的感觉在里面。而且弦理论预言的质子衰变和一些奇奇怪怪的粒子到现在也没有被发现，它只是一个数学上已经成功而实验上无法证明的尴尬存在。

2、圈量子理论。这个理论我个人更青睐一点，它的思路是把空间单独地量子化，和其他的量子场不一样，它强调空间本身就是由“空间量子之海”组成的，相对论中的空间扭曲就是让这些极小的空间量子出现了扭曲，因为它们太小了，所以看上去时空就像是连续的一样。这个理论的优雅之处就在于它不需要给世界增加额外的粒子，公式也非常地高效简洁

圈量子理论想象图

但所有好事不可能被它一个给占尽了，要接受它也是需要付出一定代价的，那就是颠覆你对于这个世界的认识——把时间给干掉！是的，在圈量子理论的公式里根本没有t这个单位，这个理论不承认时间的地位，广义相对论告诉我们每个位置的时间不一样，而圈量子理论认为每个空间量子的时间都是不同的，所以时间根本不能算一个基本变量，只能算是一个类似平面几何中辅助线的参考变量，这可真是有够疯狂的！

Answer 2

科学的终极理论：万事万物都是从无到有，再从有到无。制定这条规则的才是终极之神

Answer 3

万有引力产生的原因(简述):宇宙空间中运行的高能粒子穿越物质(天体或粒子)时，一部分被拦截吸收从而形成弱能量区(爱因斯坦说的时空弯曲)，这种弱能量区就是引力作用范围mV2=E=Mv2(能量转换守恒定律公式)，具体详细阐述请看即将发表的引力假说《元素周期及万有引力产生的原因》一文。

Answer 4

“科学终级问题”是广义相对论和量子力学，这两者矛盾不可协调，在前仆后继的科学家们的伟大研究过程中，量子力学可以解释许多从前的疑惑，却唯独无法对引力做出合理解释，所以两大支柱不可调和。

Answer 5

因为这个科学终极理论会对物理的相对论和量子学产生非常大的矛盾，而本身这个矛盾在现在的物理学上并没有得到解决，所以完全没有办法调和。