物理学家追了 100 年的“万物理论”，为什么可能根本不存在？

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物理学家追了 100 年的“万物理论”，为什么可能根本不存在？

原创  Masir123  科学羊  2025 年 11 月 9 日 07:10 广东

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 10^30 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 10^34 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（10^19 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

● 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 10^500 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 10^500 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 10^500 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～

祝幸福~

科学羊  2025/11/09