物理学最美的想法，却是我们永远证明不了的（完整文稿）

本文是视频《物理学最美的想法，却是我们永远证明不了的》（作者：4phy）的完整文稿（全文整理版），与精读笔记配套阅读；▶ 中配视频。

毕达哥拉斯的猜想

两千五百年前，一个叫毕达哥拉斯的希腊人注意到怪事。拨下琴弦，按住正中间，再拨一次。同一个音，只是高了一点。按到三分之二，又是好听的音。简单的比例，就有了干净的音乐。于是毕达哥拉斯提出猜想，谁都会这么想：也许整个宇宙都这样运作。数字，和谐，音乐。之后两千年，大家都以为毕达哥拉斯嗑嗨了。但六十年代末，物理学家偶然碰到这些数学，发现了离谱的事。

毕达哥拉斯可能真说对了。看完这期视频，你就会明白这个想法，要么是有史以来最重要的理论，要么是最美的废话。我会告诉你哪个是对的。

两套规则手册

这就是物理学界卡了快一百年的大难题。现实有两套规则手册，两套都好得出奇，我们根本分不清哪一套更准确。第一套，你可能听过，爱因斯坦的广义相对论。引力不是往下拉你，是时空围着有质量的东西弯曲。它预言了黑洞，预言了时空的涟漪，二零一五年我们终于测到了。手机GPS得校正这些，不然地图每天会漂十公里左右。第二套规则。量子力学。管的是特别特别小的东西，电子、夸克和光。有一个预言和实验吻合到万亿分之一。

就是说它准得不得了，你正在看的这台设备，每颗芯片都靠它工作。

冲突与无穷大

那明显的问题来了：两个同时要怎么办？这个问题直指黑洞中心。第一个例子是宇宙大爆炸，巨量物质挤进小得难以想象的空间。那里引力重要，量子力学也重要。物理学家试着合并两者，结果是无穷大。不是数字，是无穷大。你问方程一件事概率多大，它说：无穷大百分比。我真是认真的。很大原因是我们习以为常的一点：粒子被当成点，没有大小。两个没有大小的东西之间算引力，数字直接失控。那它们要不是点呢？

深入普朗克尺度

我们来放大看。穿过皮肤，穿过一个细胞，进入单个原子。原子几乎全是空的。如果它是足球场，原子核就是中圈的一颗豌豆。现在再放大，进入质子，里面是三个夸克。我们的实验能力差不多到此为止。弦理论说：继续，一直往下，到一个叫普朗克长度的地方，约十的负三十五次方米。打个比方，把一个原子放大到整个可观测宇宙那么大，普朗克长度也只有一棵树那么高。在那种尺度，弦理论说，你会看到能量弦自己振动。

万物皆弦

这就是加来道雄在《上帝方程》里的图景。最好懂的入口是小提琴。一根弦一种振法，出的是A音。换个振法，出的是升C。同一根弦，不同的音。弦理论说，电子是一个音，夸克是另一个音，光子又是另一个。它们本质相同，只是振动方式不同。粒子的质量就是振动里的能量。电荷也写在振动图案里。加来道雄有个很妙的说法：物理是这些弦能奏出的和声。化学是它们互动出的旋律，宇宙就是一部交响乐。它还解决了无穷大难题。弦有大小，极小，但不是零。两根弦没法挤成一个点，原来冲向无穷大的数字，现在稳住了。

公式里的意外

但这还不是最怪的。最怪的是方程自己冒出来的东西。回到一九六八年，欧洲核子中心有位年轻物理学家韦内齐亚诺，想搞懂强力，就是把质子粘住的力。他找到一个公式，几乎完美吻合数据。怪的是它不是新的。那是欧拉两百多年前写的纯数学，就躺在普通教科书里。可没人明白它为什么管用。几年后，南部阳一郎、尼尔森、特斯肯等物理学家，弄懂了公式在描述什么。

是振动的弦。之后弦论就出事了。

白送的引力子

它最初是强力的理论，就是粘住原子核的力。结果这方面，它输给了更好的想法。它还有个尴尬的毛病，总预言一种没人要的粒子。没有质量，自旋还很特别。每个版本的数学里它都出现，谁也甩不掉。一九七四年，施瓦茨和谢尔克，盯着那个讨厌的粒子，认出了它的身份。引力子，传递引力的粒子。想想这意味着什么。几十年，人们想把引力塞进量子论，全失败。而这个理论，引力不用加，反而根本拿不掉。算算量子弦能怎么振动，就有一种模式，零质量，自旋为二。这正是引力子该有的样子。不管你要不要，它都从弦方程里自己蹦出来。

人们就是那时入了迷，加来道雄也是。七十年代他参与创立弦场论。在《上帝方程》里他说，弦论最有希望解开爱因斯坦最后三十年追求的问题。一个方程，同时给出引力、光、各种核力和所有物质。那为什么还没成定论？

弦论的三大坑

但有个坑，其实有三个。坑一：维度。数学要自洽，弦需要十个维度。我们只看到四维。上下、左右、前后，还有时间。另外六维在哪？答案是卷起来了，小到无法想象。隔一片田看花园水管，它就像一条线。一维。走近看，有只蚂蚁绕着它爬。原来一直有第二维，只是你离太远。弦论说，空间每个点都藏着六个这样的维度，小得永远察觉不到。坑二。坑二：形状太多。卷起这六维的方式多得惊人，常见估计是十的五百次方。每种形状都对应不同宇宙，不同粒子，不同定律。批评者问，如果它什么都允许，那它预言什么？坑三最致命：没证据。

弦太小了，想直接看到它，加速器得比大型强子对撞机强千万亿倍。斯莫林、怀特等物理学家多年都说，没法检验的理论不算物理。这有道理。大家指望大型强子对撞机找到线索，比如超对称预言的新伴粒子。结果一无所获。加来的回应是，证据可能来自别处：暗物质、引力波，或大爆炸的回声。也许吧。但这个也许撑不起一切，我们仍需要扎实的硬证据，它才算物理。

爱因斯坦的追问

加来道雄八岁时，在报上看到一张照片，是一张书桌，主人是爱因斯坦。爱因斯坦刚去世。桌上放着一份没写完的手稿。他晚年一直想找一个解释万物的方程，可惜没能及时完成。加来说，那张照片他一直没忘。他想弄清，什么难题连爱因斯坦都完不成？他一辈子都在追问。现状是：我们有个漂亮想法，解决了别人没解决的问题，还白送引力。但眼下，我们完全没法检验它是不是真的。它也许进教科书，与牛顿爱因斯坦并列；也许只是个脚注：美妙的数学，宇宙却不这么运作。

乐曲还没停

就算这视频你没记住别的，也记住这句。细想一下，这最能说明弦论有多离奇。你身体的每个原子，此刻进入你眼睛的每点光，如果弦论是对的，你，这块屏幕，中间的光，全是同一种小东西，振动方式不同。毕达哥拉斯看着琴弦，就以为自己听见了宇宙。两千五百年过去，我们还说不准他对不对。只知道，乐曲还没停。