来源:环球科学ScientificAmerican
从分子到原子,再到更为基础的粒子……物理学家一路向着更微观的世界摸索。一个随之而来的问题是,这个宇宙最基本的成分究竟是什么?是量子纠缠,还是纠缠态之下更为基础的信息?现在,我们距离答案又近了一步……
当你展开双手时,你好奇过它们是由什么组成的吗?显而易见,皮肤覆盖着肉体、血液和骨骼。这些身体组织由分子组成,分子由原子组成,原子又由电子、质子和中子构成。而当我们追溯到基本粒子和能量的层面时,才上升到问题的本质。
然而,我们真的已经深入本质了吗?纵观物理学史,在过去的三百多年中,我们一直在探索现实的本质——物质到底是由什么构成的。一次又一次,我们发现比已知更深入的层次。而每突破到一个新的层次,我们对现实的理解就会被刷新。
量子理论、广义相对论是当今解释现实最为成功的理论,但却互不兼容。随着这两个理论之间的矛盾不断被调和,如今我们也许就处在下一个突破的边缘。粒子、能量、空间、时间,或者任何我们可能认为是最基本物质的东西都不是现实的本质。而关于这个问题的真正答案,我们才刚刚开始窥探到。
现实本质的探索历程
对于构成现实的基本元素,在每个时代都有不同的版本。哲学家德谟克利特(原子论的创始人之一)认为,所有物质都是由原子组成的。而亚里士多德认为现实的本质是土、空气、水和火。在十九世纪末期,人们的关注点转移到了以太上,即所谓光的传播媒介。
然而,在过去的三个世纪中,牛顿重塑了我们对物质组成的认识。他认为现实由三个基本部分构成:时间,有质量的粒子,和一个允许粒子在其中运动的空间。基于这三个基本组成部分,牛顿建立了一套理解宇宙运行原理的体系,并成功地解释了大多数现象。然而,当粒子的运动速度接近光速时,牛顿的理论就捉襟见肘了。
但即使没有这个限制,牛顿的体系也不能解释一切。尽管它描述了万有引力(使得有质量物体在宇宙中运动的吸引力),但却不能解释这种力的本质。除此之外,宇宙之中的其他力也同样神秘,例如电磁力。一直以来,我们对现实本质成分的讨论从未停止(见下图)。
现今,我们迫切地需要将量子理论和广义相对论统一起来。前者是我们对微观世界的最佳描述,而后者是爱因斯坦关于万有引力的天才理论。当我们试图描述黑洞或者大爆炸时,我们需要结合二者,但这看起来却是不可理喻的。
不合理之处在于,