公元2018年很可能是量子力學(xué)又一個(gè)新紀(jì)元的起點(diǎn)。這一年的夏天，一篇關(guān)于時(shí)空維度的“平平無奇”的論文悄然登載上了科學(xué)期刊《自然》。

這篇論文題為《由GW170817所知時(shí)空維度的限制》，由直接探測到引力波的美國激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）和意大利的“室女座”（Virgo）天文臺(tái)共同完成。Virgo負(fù)責(zé)測算GW170817雙中子星與地球間的距離，LIGO負(fù)責(zé)檢測GW170817雙中子星合并產(chǎn)生的引力波抵達(dá)地球時(shí)的衰減速率。探測結(jié)果表明引力波的衰減速率完全符合牛頓的引力方程式F＝GMm/R2，即引力大小與距離的平方成反比，意味著我們的宇宙空間只有三維，沒有額外的高維空間或多余的宇宙。這個(gè)結(jié)果還真是平平無奇，牛頓引力方程式、三維空間，今天小學(xué)生都知道的物理常識(shí)。

這篇論文發(fā)表時(shí)機(jī)也頗有些“生不逢時(shí)”。公元2017年LIGO探測到來自編號(hào)GW170817的雙中子星合并的引力波，這是人類第一次直接探測到引力波。公元2019年，經(jīng)過遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）持續(xù)兩年的不間斷觀測，人類史上第一張黑洞照片得以問世。前有引力波，后有黑洞照片，讓這篇本就“平平無奇”的論文更加默默無聞。

但這份平靜的背后卻是“黑云壓城，暗流涌動(dòng)”，將來人們回顧這段歷史一定會(huì)后知后覺感嘆“一場足以碾碎整個(gè)物理學(xué)界的風(fēng)暴已在醞釀之中”。

廣義相對論和量子力學(xué)是當(dāng)代理論物理的兩大基石。廣義相對論在宏觀大尺度上探索宇宙時(shí)空的奧秘，量子理論則致力于在亞原子尺度上解開構(gòu)成宇宙萬物的基本粒子的神秘面紗。廣義相對論和量子力學(xué)在各自領(lǐng)域皆獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，但兩個(gè)理論放在一起卻是一場災(zāi)難，所有試圖將兩個(gè)理論的方程式融合的嘗試都?xì)w于失敗，而“罪魁”是引力。

將廣義相對論和量子力學(xué)融合的關(guān)鍵是要將四個(gè)基本力（電磁力、弱力、強(qiáng)力和引力）統(tǒng)一到一個(gè)基本力的框架下，通俗說就是將四個(gè)基本力的場方程統(tǒng)統(tǒng)塞進(jìn)一個(gè)更基礎(chǔ)的場方程式里。實(shí)際今天的理論物理學(xué)家們幾乎做到了，量子色動(dòng)力學(xué)已經(jīng)將電磁力、弱力和強(qiáng)力基本統(tǒng)一起來，唯獨(dú)一直對引力束手無策。畢竟電磁力、弱力和強(qiáng)力的場方程都師出量子力學(xué)，而描述引力的場方程則源于廣義相對論。但真正的困難還不在于此，而是引力的強(qiáng)度太弱了，弱得有些“不像話”。強(qiáng)力強(qiáng)度是電磁力的100倍，電磁力強(qiáng)度又是弱力的1000倍，而引力強(qiáng)度僅為強(qiáng)力的1/1037，電磁力的1/1035，弱力的約1/1032，較之其他三個(gè)基本力幾乎可以忽略不計(jì)。換句話說，量子色動(dòng)力學(xué)根本不用考慮引力的存在。

但追尋宇宙的起源又不能忽略引力。今天主流的宇宙起源理論宇宙暴漲模型認(rèn)為我們生活的宇宙誕生自一個(gè)極度高溫高壓的奇點(diǎn)，時(shí)空、物質(zhì)、能量和四個(gè)基本力都是在奇點(diǎn)暴漲爆炸后才出現(xiàn)的，換句話說宇宙暴漲模型認(rèn)為四個(gè)基本力在宇宙起源階段就是統(tǒng)一的。而一旦在量子色動(dòng)力學(xué)場方程中強(qiáng)行塞入描述引力的廣義相對論方程式，結(jié)果就是冒出一堆無限大，方程根本無法展開運(yùn)算求解。

公元20世紀(jì)最后三十年，一個(gè)獨(dú)立于量子色動(dòng)力學(xué)的全新的量子力學(xué)理論崛起，這就是認(rèn)為基本粒子是一維的能量弦的弦論。弦論研究者發(fā)現(xiàn)引入適當(dāng)數(shù)目的額外維度，引力強(qiáng)度太過弱小的矛盾就能“合理”化解。

牛頓的引力方程式以三維的空間維度為基石，三維空間內(nèi)引力大小與距離的平方成反比。假設(shè)空間維度有第四維，引力大小則與距離的三次方成反比；假設(shè)空間維度有第五維，引力大小則與距離的四次方成反比；依此類推，額外維度越多，引力變小得越快，即引力波衰減速率越快。引力的強(qiáng)度被更高維的空間或平行宇宙給“稀釋”了，以至在我們的宇宙中強(qiáng)度如此弱小。

于是弦論的改進(jìn)版本超弦和M理論成為統(tǒng)一四個(gè)基本力最后的希望。理論物理學(xué)家們指望超弦和M理論能幫忙消除引力在量子色動(dòng)力學(xué)場方程中引起的無限大。超弦和M理論甚至一度被視為解開宇宙全部奧秘的鑰匙,萬有理論的候選。

結(jié)果《由GW170817所知時(shí)空維度的限制》直接否定了高維空間的存在，直接KO了超弦和M理論，但支持多出的維度卷縮在三維空間內(nèi)的經(jīng)典弦論一息尚存。這就迫使今天的物理學(xué)界不得不考慮接受，可能很多理論物理學(xué)家難以接受的一個(gè)事實(shí)，就是現(xiàn)代物理學(xué)對基本力的認(rèn)知很可能一開始就存在重大缺陷，現(xiàn)有的宇宙起源理論需要重新寫過！量子力學(xué)假設(shè)的所謂統(tǒng)一的基本力就不存在！引力的強(qiáng)度就是這么的弱??！引力和其他三個(gè)基本力（電磁力、弱力、強(qiáng)力）有著本質(zhì)的不同！

引力強(qiáng)度本來就很弱小給今天物理學(xué)界帶來的沖擊不亞于一百多年前光速不變帶給彼時(shí)物理學(xué)界的沖擊。弦論則淪為當(dāng)年的“以太”。最終光速不變帶來了相對論，以牛頓力學(xué)為基石的經(jīng)典理論大廈轟然倒塌，廢墟之上全新的物理學(xué)大廈挾狹義相對論和廣義相對論之威拔地而起。今天強(qiáng)度弱小的引力又會(huì)給量子力學(xué)帶來什么新的理論，又會(huì)將物理學(xué)的未來引向何處。要理清這個(gè)問題，需要先回歸初心，重溫人類追尋宇宙起源的歷程，審視現(xiàn)代物理學(xué)的初衷。

文字內(nèi)容節(jié)選自《小量子大宇宙》，現(xiàn)京東天貓有售。