“萬物理論”追索天工開物到今日宇宙
科學不同于任何一種宗教信仰,長期以來,科學家好似宗教信仰者一樣尋找著科學的終極目標,期待建立一個包羅萬象的“萬物理論”或“萬有理論”。宗教信仰在人們的社會生活中發(fā)揮了精神的指導作用,而在科學發(fā)芽和生長的土壤,萬物理論隨之生根、開花和掛果。宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)為萬物理論帶來了強有力的證據(jù),在宇宙在發(fā)生大爆炸之后,一直以難以想象的速度向外膨脹,早期暴漲的速率為光速的數(shù)倍,宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)使得科學家倍感振奮,在宇宙學證據(jù)的支持下,萬物理論更接近了現(xiàn)實的物理世界。
一個科學研究團隊發(fā)布了一個有待驗證的消息,他們聲稱在宇宙微波背景輻射中發(fā)現(xiàn)了遺存的引力波信號,實際上,微波背景輻射屬于宇宙中最古老的光輻射,在宇宙發(fā)生大爆炸后的38萬年,大爆炸輻射穿越了整個的宇宙空間??茖W家團隊對最古老引力波的發(fā)現(xiàn)有待更多的證實,而宇宙引力波的發(fā)現(xiàn)能夠證實宇宙大膨脹的理論模型,宇宙大爆炸引力波的發(fā)現(xiàn)在宇宙學上有里程碑的意義。
宇宙奇點大爆炸的發(fā)生是量子漲落的產(chǎn)物,奇點的量子漲落在一個極其微小的時刻發(fā)生了,微觀的奇點世界在遠不到一秒的頃刻間發(fā)生了突如其來的暴漲,從微觀世界“馬不停蹄”地擴展到萬物生長的宏觀世界,直到今日宇宙的出現(xiàn)。最早引力波的發(fā)現(xiàn)將為極端條件的物理學開啟了一扇大門,這將會潛在地支持了科學家長期以來追求的目標,全力構建一個解釋宇宙所有方面的萬有理論的框架。哈佛大學的理論物理學家阿維·勒布解釋說,宇宙膨脹的模型為萬物理論的建立帶來了額外動力,也給出了額外的限制條件,物理學家順其自然地構建對萬物運動的本質進行解釋的萬有理論,但理論的最終創(chuàng)建需要一段很長的時間。

物理學家對宇宙的解釋主要依據(jù)兩種不同的理論,一是愛因斯坦的廣義相對論,應用于大尺度的天體領域,比如:恒星和星系;二是是量子力學,成功地應用于微小尺度的亞原子領域。兩種理論有可能融合在一個大的框架,科學家依此解釋了宇宙中已知的四種基本力,廣義相對論解釋了引力,量子力學則解釋了弱力、強力和電磁力。到目前為止,科學家還不能將兩種理論完美地融合起來,前者的理論成立,后者的理論就不能成立,反之亦然,兩種似乎不能同時成立的理論卻能同時應用到極端條件的物理世界,例如:在黑洞的核心和在宇宙發(fā)生大爆炸后的極短暫瞬間。
兩種理論解釋受各自物理條件的約束或都有一定的局限性,長期以來,物理學家極力尋找單一的理論框架,設法將宇宙的四種基本力統(tǒng)一在一個整體性的體系中,而萬有理論融合了對不同尺度物理世界的解釋?!跋依碚摗笔亲钣懈偁幜Φ娜f有理論之一,弦理論的基本觀點是宇宙的所有基本粒子均由震動的弦構成,最小量的振動弦只有一維的時空。宇宙引力波的發(fā)現(xiàn)將會提升弦理論的研究價值。很多弦理論家預測了低能量的宇宙大膨脹情形,而低能理論版本的宇宙暴漲模型不可能產(chǎn)生最早期的宇宙引力波。宇宙引力波的發(fā)現(xiàn)意味著低能版本的宇宙膨脹理論將會退出理論舞臺,弦理論家或將重新修改既有的理論模型,原初引力波將成為主要考量的因素。
宇宙在大爆炸過程中釋放了巨大的能量,宇宙大爆炸能量預計在10的16次方電子伏特的數(shù)量級,大約相當于歐洲大型強子對撞機內粒子加速能量的1萬億倍,大型對撞機是人們已知的地球上動力最強的粒子加速器。引力、強力和弱力、電磁力在宇宙大爆炸的劇烈能量體混合為一個沒有分離的整體力。原初引力波的發(fā)現(xiàn)對新物理學構架的探索將產(chǎn)生積極的作用,有待證實的發(fā)現(xiàn)有重要的物理學和宇宙學的意義。物理學家在地面的物理實驗室難以進行宇宙能級的實驗,通過觀測天空或“宇宙實驗室”,物理學家可能發(fā)現(xiàn)重要的線索,從宇宙能級的背景觀察大尺度的物理現(xiàn)象,從中發(fā)現(xiàn)宇宙尺度的物理學規(guī)律。

原初引力波的發(fā)現(xiàn)將幫助科學家獲得新的認識,凝視遙遠的宇宙,在“時間回放”中追索宇宙誕生的時刻,但在時間中追溯最早的宇宙時刻時,物理學家缺乏觀測的證據(jù),他們對宇宙最早時間的追溯進入到了宇宙大爆炸之后億萬萬分之一秒的時刻。宇宙原初引力波的發(fā)現(xiàn)將在天體物理學領域劃定一道“分水嶺”,奠定了一個里程碑,標志性的科學事件將幫助物理學家和宇宙學家構建一個萬物理論,對宇宙一切現(xiàn)象進行解釋的理論將成為現(xiàn)實。物理學家在“普朗克時間”追尋宇宙最早的誕生時刻,四種自然基本力在“普朗克世界”融合為一個整體的基本力。
匯聚所有的研究資源,目前對宇宙誕生和演變的認識有很多模糊不清楚的地方,獲得準確的認識,不斷加深對宇宙圖像的辨識能力。什么因素驅動了宇宙的膨脹?科學家目前缺少突破性的的認識,神秘的暗物質和暗能量遠在他們的認知能力之外,未知的世界有待深入的探索,暗物質和暗能量的總和構成了宇宙總成分的大約96%,相對于未知的“暗世界”,人們處在宇宙學探索的“原始社會”。原初引力波的發(fā)現(xiàn)將驗證科學家收集的有關宇宙現(xiàn)象的證據(jù),大量的數(shù)據(jù)究竟反映了什么,有怎樣的物理意義?人們找到了一些“知識島嶼”,有了一些登陸知識島的地點和機會,但這些大大小小的“島嶼”被包圍在未知的汪洋大海之中,人們“四處張望”,渴望從中找到知識的生長點。
科學家在構建終極版本“萬物理論”的過程中不斷尋求有重大意義的科學發(fā)現(xiàn),需要為理論學家的邏輯思維奠定觀測的基礎,最早引力波的發(fā)現(xiàn)將帶來極有價值的科學線索。充分的觀測成果給理論模型準備了約束條件,觀測數(shù)據(jù)是理論的“導航儀”,科學家從中判斷行走方向的正確性。僅有抽象的思維和想象不能構建有效的理論框架,過去的幾十年,物理學家已經(jīng)建構了各式各樣的理論模型,是否在物理現(xiàn)實的基礎上揭示了宇宙真理?有待觀測的解決方案。數(shù)學宇宙學運用了數(shù)學分析的工具,從觀測結果中判斷理論模型是否揭示了現(xiàn)實物理世界的運行。社會大眾不是科學家,不是缺少理性思維和科學邏輯,而是社會大眾難以獲得觀測的事實,這是驗證理論思維的真實性所必需的。

(編譯:2021-3-26)