加来道雄分享他毕生追求“万物理论”的历程

即使智能手机和谷歌触手可及，有些事情仍然难以理解。例如，能量并非连续流动，而是以离散的“量子”包形式释放，这个看似不可能的想法。或者，宇宙整体，横跨约930亿光年，可能只是众多平行宇宙中的一个，这个令人费解的概念。

这时，加来道雄就登场了。这位理论物理学家已经成功地发展了第二个职业，成为一位大众科学普及者，他将物理学中最复杂、最深奥的概念——例如量子理论或多元宇宙——解开并简化，以便公众理解。他最新的畅销书《上帝方程》记录了创造“万物理论”的漫长探索，该理论将结合爱因斯坦的广义相对论模型和量子理论，并可能解锁对时空的新理解。加来道雄还与人共同创立了弦场理论，他认为这是此类方程最有力的候选者。

加来道雄接受了《发现》杂志的采访，聊了聊是什么激励他从小就开始这项探索，为什么亚原子粒子就像振动弦上的音符，以及我们能从科幻小说中学到什么。

问：在您的书中，您将包罗万象的“万物理论”描述为物理学的圣杯。为什么这样的理论如此重要？

答：当牛顿推导出万有引力和力学定律时，这开启了最终导致工业革命的进程，使人类摆脱了农业的苦难和贫困。当麦克斯韦和法拉第推导出电磁学定律时，这开启了电力革命，为我们带来了电力、无线电、电视、发电机和发电机。当海森堡和薛定谔推导出量子和原子定律时，这为我们带来了激光、晶体管、计算机和互联网。因此，每当物理学家解释一种自然力时，它都会改变人类的命运和世界经济。

而现在，我们正处于一个万物理论的边缘，它可以通过一个可能不超过一英寸长的方程来统一宇宙的所有力量。最终，这可能再次改变人类的命运。它还可能回答宇宙最深层的问题，例如：我们能否突破光速到达恒星？大爆炸之前发生了什么？是否存在其他宇宙和维度？黑洞的另一边是什么？时间旅行可能吗？虫洞可能吗？

问：对这个理论的探索吸引了历史上一些最著名的科学家；我想到的是阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金。万物理论的什么特质最初点燃了您的想象力？

答：我八岁的时候，发生了一件事，改变了我的人生。所有报纸都报道说，一位伟大的科学家刚刚去世。但他们刊登了一张他书桌的照片，上面有一本打开的书。标题写道，我们这个时代最伟大的科学家未能完成这本书。我被迷住了。什么东西会如此复杂，以至于一位伟大的科学家都无法完成？什么东西会如此重要？多年来，我发现这个人的名字是阿尔伯特·爱因斯坦，而这本书是未完成的统一场理论，它可以将所有自然定律统一到一个单一的方程中。我被迷住了。我必须知道那本书里写了什么，以及他为什么没有完成它。这成了我一生的焦点。

今天，这个万物理论的主要（也是唯一）候选者被称为弦理论。自1968年以来，我有幸参与这项理论的研究。我的贡献——与菊川敬二教授一起——是创建弦场理论，它可以用大约一英寸长的方程来概括弦理论。然而，它并不是最终理论，因为现在我们知道除了弦之外，膜也可以存在。

问：我年轻的时候，觉得物理学等硬科学中的抽象和数学令人望而生畏。您会如何向高中生解释弦理论？您这样解释，理论的优雅和美感会丧失吗？

答：套用爱因斯坦的话，他曾说，如果一个理论无法向孩子解释清楚，那么这个理论可能毫无价值。他指的是所有伟大的理论都基于一个简单、优雅的物理图景，一个单一的原则，一个范式，它揭示了一个理论的秘密。其余的都是繁琐的数学。

要理解弦理论，请想象一根橡皮筋，它代表一个微小的电子。如果你拉伸橡皮筋，它会以精确的频率振动。如果你拨动橡皮筋，它会以不同的频率振动——称之为中微子。如果你再次拨动它，它会变成不同的频率；称之为夸克。事实上，橡皮筋可以以无限多的频率振动，对应着无限多的可能亚原子粒子。

因此，所有自然界的亚原子粒子都像微小振动弦上的音符。那么物理学是什么？物理学是你在振动弦上可以创造的和声。化学是什么？化学是你在碰撞弦上可以创造的旋律。宇宙是什么？宇宙是振动弦的交响乐。而爱因斯坦在他生命的最后30年里所写的上帝之心又是什么？上帝之心将对应于在宇宙中共鸣的宇宙音乐。这就是为什么我最新的书名为《上帝方程：万物理论的探索》。

这个思想的萌芽在2000多年前就由伟大的数学家毕达哥拉斯提出。他意识到一把七弦琴的琴弦可以振动出无限多的音符，每个音符都对应着一个共鸣或频率。然后他提出，我们周围所见的物质的巨大多样性无非是弦上找到的和谐。他认为，只有音乐才足够丰富，能够理解宇宙的浩瀚复杂性。这张图为我们提供了一个优雅、简单的方式来解释宇宙为何如此多样。

问：您提到弦理论最大的问题是我们目前还没有任何可测试的、具体的证据。我们离最终能够证明它还有多远？

答：日本人、中国人和欧洲人已经在讨论是否要建造一台比大型强子对撞机（世界上最大的、功能最强大的粒子加速器）还要大的机器。它的目标之一可能就是验证一种新的对称性——超对称性的存在，它就是弦的对称性。如果能找到这些超粒子，也就是“超伴子”，就可能证明这条路径是正确的。

目前，“几乎万物理论”被称为标准模型，它描述了亚原子粒子的低能量行为。然而，问题在于它是迄今为止提出的最笨拙、最不协调的理论之一。它有36个夸克和反夸克，约20个手工插入的自由参数，三个相同且冗余的粒子家族，并且从未提及引力。没有人，甚至包括标准模型的创建者，相信它是最终理论。这是一个只有母亲才会喜欢的理论。

但是，使用纯数学（而不是巨大的原子对撞机），人们可能会证明这个理论的正确性。如果这个理论能够从第一性原理，用纯数学计算出电子、质子和中子等常见粒子的精确质量和性质，那么它就将被证明是正确的。

所以，也许有位聪颖勤奋的学生正在阅读本文，他或许能运用纯数学推导出这些常见粒子的性质，那么我的建议是：先告诉我。然后我们可以一起发表，并平分诺贝尔奖金。

问：您还提到了弦理论的另一个批评——它预测了多个宇宙，因此也预测了无限多的潜在解。科学家们将如何确定他们找到了正确的那个解？

答：所有伟大的理论都有无限多的解。例如，牛顿定律可以预测岩石、炮弹、火箭飞船、流星的运动。你必须从外部指定，牛顿定律将用于解释岩石的运动，而不是火箭的运动。这些被称为初始条件。一旦你指定了初始条件，你就可以预测它的运动。

同样，像所有伟大的理论一样，你必须告诉弦理论它所描述的是什么，比如一个电子或一个夸克。这些信息是从外部输入的。但是弦理论与其他所有理论都不同，因为它的初始条件就是大爆炸本身。因此，你必须指定大爆炸发生那一刻的条件，而这些条件是未知的。

至少有两种方法可以解决这个问题。一种可能性是通过实验找到大爆炸瞬间的初始条件，然后让弦理论描述宇宙从那时起如何演化。如果对大爆炸的性质做出一些合理的估计，弦理论已经可以描述我们宇宙自那以后的演化。弦理论已经能够做到这一点。这本身就是一项伟大的成就。

但一个更宏大的途径是要求弦理论自行选择其初始条件。目前，地球上没有人足够聪明来做到这一点——证明我们的宇宙是弦理论唯一选择的。（也许所有其他宇宙都是不稳定的）。目前，地球上一些最伟大的头脑正在痛苦地整理弦理论的众多解，希望能够从中找到一种方法，从这片丛林中选择出正确的理论。

问：“多元宇宙”或存在众多平行宇宙的概念似乎在流行文化中无处不在。我想到的是从《怪奇物语》这样的电视剧到即将上映的一些漫威电影——它甚至出现在《奇异博士：疯狂多元宇宙》的标题中。这个理论背后的科学原理到底是如何运作的？

答：普通的量子力学引出了多元宇宙。当我向研究生讲授量子力学时，我解释说，在某种意义上，电子可以同时存在于两个地方。这反过来又使得原子、激光、电子、原子弹、恒星等等成为可能。当研究生问我：“这怎么可能？”答案通常是：“习惯就好。宇宙就是这样。”

但要解释电子如何能同时存在于两个地方，一种方法是假设宇宙一分为二。所以我们的时间线，通常是直线运行的，会出现一个岔路口并分裂。就像树的枝条一样，一条时间线可以产生一个由其他时间线组成的多元宇宙。

弦理论是一个量子理论。因此，情况变得更糟了。现在，我们有多个宇宙，而不仅仅是多条时间线。爱因斯坦为我们描绘了一幅宇宙膨胀的泡沫图景。弦理论用宇宙的“泡泡浴”取代了爱因斯坦的单一泡沫/宇宙，这些泡泡彼此合并或一分为二。事实上，大爆炸仅仅是两个婴儿宇宙的碰撞，或者是一个宇宙分裂成两个宇宙。

那么下一个问题是，“埃尔维斯·普雷斯利还在平行宇宙中活着吗？”如果多元宇宙的图景是正确的，那么答案是肯定的。但是，平行宇宙之间的旅行，例如，远远超出了我们的技术能力。

问：我读您的第一本书《不可能的物理学》探讨了不同科幻概念的可能性，例如力场、超空间和时间旅行。现在您正在纽约市立学院教授一门关于科幻物理学的课程。您为什么会被这些概念吸引，我们能从中学到什么？

答：我八岁的时候，每个星期六早上都会看老版的《飞侠哥顿》系列。激光枪。空城。隐形射线。海底城市。我被迷住了。几年后，我意识到我的两个热爱，爱因斯坦的统一场理论和科幻小说，是相关的。为了理解科幻小说是可能的、合理的还是不可能的，你需要物理学。

我以前常去看科幻电影，然后数数违反了多少物理定律。我现在不这样做了，因为我意识到，如果有一天我们能利用量子理论掌握纳米技术，那么《哈利波特》电影中的许多魔法实际上在物理上是可能实现的（但在实践中很难）。例如，大自然是纳米技术的大师。她可以在九个月内将一堆薯条和汉堡变成一个婴儿。原子对原子，大自然（通过核糖体）可以将有机物重塑成一个人类。所以，如果有一天我们能掌握纳米技术，我们将拥有魔术师般的力量。

问：您有没有个人最喜欢的科幻技术或概念？

答：我最喜欢的科幻小说是阿西莫夫的《基地》系列，因为它迫使你想象一个未来5万年的银河文明，那时新的物理定律将会出现。我们曾经认为不可能的事情（比如突破光速）可能会变成可能。

例如，目前所有的物理定律实际上都在普朗克能量下失效，这种能量比大型强子对撞机强大一百万亿倍。时空的稳定性在普朗克能量下开始瓦解。空旷的空间变成了一个时空泡沫（用斯蒂芬·霍金的话来说），婴儿宇宙在真空中穿梭。如果在一个地方集中足够的能量，我们或许能够“煮沸空间”。（在普朗克能量下，空旷空间开始看起来像沸水，每个气泡都代表一个通往另一个宇宙的虫洞。）所以我们必须重新分析那些我们曾经认为不可能的事情，比如突破光速，或者时间旅行，或者通过更高维度旅行。一切都未可知。

本次采访经过编辑和精简，以求清晰。