张磊

在21世纪刚过去的20多年中，人类经历了互联网、移动通信与人工智能的大发展，也重登了月球，近探了火星，还观测到了引力波，找到了希格斯粒子。不得不说，科学技术的这些发展是令人振奋的，但这一切都离不开20世纪的科学理论发展，特别是物理学的发展。

两朵乌云

1900年4月27日，英国著名物理学家威廉·汤姆生在英国皇家学会发表了一篇题为“在热与光的动力学理论上空的19世纪乌云”的演讲，其中提到了两个让当时整个物理学界都困惑不解的难题：迈克尔逊-莫雷实验与黑体辐射实验。

这两个实验给出了与当时物理理论的推断截然不同的结果，而当时的主流物理学家普遍认为，物理学大厦已经基本建成，未来的物理学家所要做的不过是将实验数据的精确性推向下一位小数。持这种观点的代表人物之一便是美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊，而他正是迈克尔逊-莫雷实验的设计者之一。

因此，这两朵乌云的存在让物理学大厦的修建者们坐立不安。20世纪物理学便是在这样的氛围中拉开了帷幕，而驱散这两朵乌云，成了当时物理学的首要任务。

相对论

两朵乌云之一的迈克尔逊-莫雷实验指出了一个实验与理论上的矛盾。根据麦克斯韦的电磁理论和牛顿的时空观，当时的人们认为光是在一种名为“以太”的弹性介质中传播的，然而迈克尔逊-莫雷实验的观测结果直接否定了以太的存在，动摇了经典物理学的基础。这一实验成为近代物理学的一个发端，为相对论的建立敲响了前奏。

在此之前，大量的物理学家都只是在牛顿绝对时空观的基础上做些修补，直到爱因斯坦与庞加莱不约而同地将牛顿时空观彻底抛弃，引入了一种将时间与空间统一在一起的全新时空观，即相对论时空观。

对物理学来说，替换时空观就等同于把一栋大厦的地基都换掉了。牛顿的经典时空观认为时间和空间与物体的运动是无关的，是独立存在的，时间记录着物体的运动过程和运动状态，而空间提供了物体运动的舞台。相对论时空观则认为物体的运动与时间空间是相关的，而且物体的质量和速度也是有关系的。因此在狭义相对论刚发表时，大部分主流物理学家对此都无法认同。爱因斯坦后来于1921年获得诺贝尔奖也是因为同年发表的关于光电效应的论文，而不是因为狭义相对论。

相对论发表之后，物理学家们开始用它来重塑整个物理学大厦。对于当时已知的两种基本相互作用来说，电磁力本就是促使相对论诞生的土壤，所以相关的理论改动极小，真正有挑战的是引力理论。

对爱因斯坦来说，狭义相对论中的相对性原理所认为的“所有物理定律在惯性系中都是相同的”这点依然不够完美，因为把物理定律局限在了“惯性系”中。爱因斯坦认为在所有参照系中物理定律都应该是相同的。

为此爱因斯坦奋斗了8年时间，最终于1915年建立了广义相对论。就如狭义相对论的突破口是时空观的变革，广义相对论的突破口也在时空观上，即认为惯性质量与引力质量等同。它告诉人们引力并不是电磁力那样的力，而是像非惯性力那样的“运动现象”。广义相对论进而将引力现象与时空弯曲联系在了一起，最终得出了一个极具颠覆性的理念：物质导致时空的弯曲，时空弯曲又会影响物质的运动，这种影响就是引力。

继麦克斯韦统一了电、磁与光后，爱因斯坦统一了时间、空间与引力。

此后，人们将广义相对论运用在星体演化上，得到了白矮星、中子星以及黑洞的演化模型；又运用在宇宙整体上，得到了现代宇宙学，并由此推导出宇宙应该诞生于大爆炸而且经历了暴涨，此后便降速膨胀，最终形成我们现在观察到的宇宙。随着技术的发展，这些模型也一个个从理论演算中走进了现实星空，同时走进星空的还有各种理论无法给予解释的“怪胎”。

比如，星系中恒星公转速度与它到星系核的距离之间的关系存在异常，这表明要么广义相对论在星系尺度上需要被修正，要么就存在着大量我们看不见的“暗物质”。

而对宇宙的观测却发现宇宙是在加速膨胀的，但根据广义相对论，物质的存在要求宇宙的膨胀速度不应该加速，所以必须存在大量我们观测不到的“暗能量”在推动宇宙膨胀，要不然就是广义相对论在宇宙尺度上必须被大幅修正。

这暗物质与暗能量又是什么呢？或者广义相对论存在重大纰漏？直到现在我们对此依旧一无所知。

量子理论

另一朵乌云是黑体辐射实验，它表明热力学理论给出的预言与实际实验结果之间存在难以调和的矛盾。从不同角度出发，描述黑体辐射能量按波长分布的曲线在理论上有两条。一条是维恩曲线，但它在低频部分与实验不符；另一条是瑞利-金斯曲线，但它在高频部分与实验差距较大。

这个问题在汤姆生的乌云演讲后半年，被德国物理学家普朗克用“凑公式”的方式给出了一个解释：黑体辐射中辐射的能量不是连续的，而只能是一个最小能量的整数倍。这个最小能量被普朗克称为“能量量子”。

普朗克黑体辐射公式在当时被认为没有可靠物理根基，所以在很长一段时间里都没能得到应有的重视。直到1905年爱因斯坦利用普朗克理论提出了光量子的概念，并构造出了与实验符合得很完美的光电效应理论，极大地推动了量子物理的发展，这才让人们开始认真看待普朗克的理论——所以后来杨振宁这么评论爱因斯坦：20世纪物理学的三大革命中，爱因斯坦完成了两个半。

1913年，著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔利用量子概念重构了当时问题重重的卢瑟福原子模型，新的氢原子模型与实验符合得非常好，至此人们才完全接受量子的概念——虽然依然存在理解上的极大困难。

爱因斯坦与玻尔都因为这些开创性的工作而分别获得了诺贝尔奖。

量子理论比相对论更难理解，因为它与人们从日常生活中得出的经验迥异，所以对于如何理解量子理论，物理学界的思想一直都处于混沌之中，诞生了很多诠释：从最早的哥本哈根诠释，到最为大众所熟悉的魏格纳-冯·诺依曼诠释，再到目前主流物理学界比较认同的多宇宙诠释。每一种都有各自的可取之处，但也有各自的局限性。

量子理论早期的奠基性研究者几乎都因其卓越工作而获得了诺贝尔奖，他们的很多理论成果至今还是整个物理学理论体系的基石，比如德布罗意波、薛定谔方程、海森伯矩阵、泡利不相容原理、量子纠缠、反物质等。

到了20世纪20年代末，随着相对论的不断被验证，人们自然开始考虑如何将量子理论与相对论融合在一起，于是建立了相对论性量子力学，且发现原来电子自旋只是一种相对论效应。

但相对论性量子力学本身存在很大的局限性，比如有负能量和负概率密度问题，以及无自旋粒子也存在反粒子。狄拉克、海森伯、泡利等人对它做了改进并推广到量子多体系统，得到了量子理论的一个重要研究框架：量子场论。至此，狭义相对论与量子理论终于完全融合在了一起。

量子场论的第一个重要应用，就是研究电磁场的量子电动力学，它是人类迄今为止与实验匹配得最完美的物理理论。

20世纪40年代末开始，人们在实验室中陆续发现了弱核力与强核力后，量子场论遇到了一次发展上的瓶颈，因为它只是一个研究框架，在这个框架中填充什么才能让理论得以描述弱核力与强核力，这一问题并没有明确的答案。

20世纪50年代中期，杨振宁将德国物理学家韦尔研究广义相对论时提出的“规范对称性”的概念与量子电动力学中的局部对称性结合起来，提出了量子场论中的一个极其重要的理论框架：量子规范场论。这一理论的出现，使得人们终于找到了研究强弱核力的正确路径。

规范场论和广义相对论一样，本质上是一种几何理论，只不过广义相对论研究的是时空本身的弯曲，而规范场论研究的是时空上附着的“纤维”的弯曲，使用的是华裔数学家陈省身在20世纪40年代中后期创立并发展起来的纤维丛理论。

规范场论的一个独特之处在于，它将基础相互作用与对称性关联在了一起，因此当我们明确时空具有什么样的对称性时，就知道了时空中会有什么样的相互作用。于是研究强弱核力的过程就变成了研究微观对称性的问题。

规范场论更重要的地方在于，它不但将对称性放在了物理的核心位置，更告诉我们：对称性是会发生破缺的。

对称性会破缺的概念促使我们发现电磁力与弱核力其实是同一种力，只不过由于对称性破缺而分化成了两种。这便是格拉肖、萨拉姆等人获得诺贝尔奖的工作——弱电统一理论。对称性破缺甚至可以用来解释粒子为何会有质量，那便是希格斯机制。2016年在大型正负电子对撞机（LHC）实验中发现的希格斯粒子，再次验证了杨振宁建立的规范场论的正确性。

弱电统一之后，理论上人们发现弱电力应该可以和强核力统一在更高的对称性下，不过目前还没有成功。

最后，强弱电力与引力是否也可以统一呢？尤其在黑洞、宇宙起源这些问题上，人们面对的是在极小时空范围内极大能量的物理对象的行为，必须同时考虑广义相对论和量子理论，但这两者目前完全无法统一在一起。

漫漫统一路

人们在尝试统一广义相对论与量子理论方面有过非常多的尝试。

霍金等人试图直接在弯曲时空这一几何体上构建纤维丛理论，得到的便是弯曲时空上的量子场论。它在解释黑洞辐射与黑洞熵方面取得了喜人的进展，但始终只是半成品。

另一些人则试图将广义相对论完全量子场论化，在强弱电力对应的对称性的基础上寻找更大的对称性来包容广义相对论所具有的庞加莱对称性。这一尝试从20世纪60年代开始一直到最近几年，不断有人得出新的研究成果，但始终还是差口气。

还有的人则完全反过来，试图将量子场论广义相对论化，比如卡鲁扎-克莱因理论，在五维空间中建立广义相对论，再将一个维度蜷缩到普朗克尺度，从而得到四维广义相对论加一维的麦克斯韦方程。随着强弱核力的出现，加上理论自身的需要，这条路与超对称结合后成为超引力理论。

弦论则走了完全不同的道路——意大利物理学家韦内奇亚诺在研究强核力时找到了一个特殊的方程，并围绕该方程建立起了一套量子场论。他的理论很快被证明是错误的，但美国物理学家萨斯坎德却发现这套理论实际上描述的不是点粒子而是一根有长度的弦。经过人们的深入研究后发现弦论所描述的其实不是强核力而是引力。至此，弦论作为一个量子引力理论得到了大家的关注。

弦论后来与超对称结合而成为超弦理论，其适用范围也从一个单纯的量子引力理论拓展成了一个描述所有相互作用力与所有物质的理论，而我们的时空按照超弦理论的观点也从已知的4维扩展为10维。

1990年，著名美国物理学家爱德华·威腾通过对超弦理论对偶性的研究发现，时空很可能不是10维而是11维，从而将超弦理论的五种模型与超引力理论统一在了一起，成了M理论。

M理论是人类目前理论研究的巅峰，被称为“物理的终极理论”，但它的根基并不稳——2016年开始的LHC相关实验中，理论预言的现象全部落空。虽然这还并不能彻底宣告M理论的失败，但人们对它的信念显然已经发生了动摇。

引力的量子化还有别的方案，阿希提卡、斯莫林与罗威利等人提出了圈量子引力，他们发现时空的面积是可以量子化的，而且具有非常简洁的形式，以此为基础可以在不增加时空维度与复杂性的情况下完成对引力的量子化。这一方案在黑洞与宇宙起源方面得到了不少有趣且不错的结果，但它却有一个致命的问题：目前还无法在实验室里验证它的任何一项预言。

因此，即使经过一个世纪的发展，物理学大厦依然是裂开的，上空依然飘荡着两朵新的“乌云”——暗物质与暗能量究竟是什么？量子理论与广义相对论究竟应该如何统一？而且谁也不知道人类在驱散“乌云”的道路上还要走多远。