為什么現(xiàn)在的物理學(xué)停滯不前了，物理學(xué)的盡頭為什么是終極理論，它到底是什么？

在回答這些問(wèn)題之前，你現(xiàn)在可以提出，你能想象到關(guān)于宇宙最大的一個(gè)疑問(wèn)。

比如物質(zhì)是怎么來(lái)的，時(shí)間有沒有盡頭，是什么導(dǎo)致宇宙發(fā)生了大爆炸，暗物質(zhì)和暗能量是什么？

對(duì)于這些提問(wèn)，如今的物理學(xué)已經(jīng)有了可能的回答，但是這些回答都相對(duì)獨(dú)立。

比如，正反物質(zhì)對(duì)稱性破缺可能會(huì)解釋宇宙為何發(fā)生了大爆炸。

在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)中，惰性中微子可能會(huì)解釋暗物質(zhì)的組成元素。

但是，我們無(wú)法只用一種理論就能解釋以上所有的問(wèn)題。

這就證明，目前的物理學(xué)還遠(yuǎn)沒有統(tǒng)一，天空中還有很多烏云。

從本期內(nèi)容開始，我將持續(xù)更新物理學(xué)烏云系列，我自己不喜歡碎片化學(xué)習(xí)，即便是自媒體時(shí)代，也盡量做系統(tǒng)化內(nèi)容。
物理學(xué)烏云系列是系統(tǒng)解讀物理學(xué)尚未解決的難題系列。
目前物理學(xué)難題有62種，此系列已經(jīng)講過(guò)真空災(zāi)變，引力量子化，暗物質(zhì)粒子等烏云。后續(xù)這62種烏云我都會(huì)講到，這一系列我會(huì)慢慢更新，后續(xù)估計(jì)得更新好幾年。

在這些烏云中，最大的一朵只有一種。這也是本期內(nèi)容的核心內(nèi)容。在物理學(xué)烏云系列中，我會(huì)先從最大的一朵烏云講起，這樣你們就有了一個(gè)整體框架，之后更新的內(nèi)容會(huì)在這個(gè)框架內(nèi)開展。這樣學(xué)習(xí)起來(lái)會(huì)更系統(tǒng)，也更有效率。

回歸正題，如果你對(duì)所有物理現(xiàn)象都不斷追問(wèn)原因，那最后的原因一定是因果律失效的終極問(wèn)題。反過(guò)來(lái)講，如果我們從這個(gè)終極問(wèn)題出發(fā)，就能抵達(dá)任何物理現(xiàn)象。

在科學(xué)史上，物理學(xué)家?guī)缀醵挤钚兄?jiǎn)單而統(tǒng)一的信念，物理學(xué)家在對(duì)待兩個(gè)表面上看起來(lái)毫不相關(guān)的自然現(xiàn)象總喜歡嘗試著統(tǒng)一，尋找它們之間更深層次的共同原因，逐步逼近終極問(wèn)題。

終極問(wèn)題對(duì)應(yīng)著終極理論。終極理論也就是萬(wàn)有理論（ToE）

縱觀整個(gè)物理學(xué)史，正是由于我們一直向往終極理論，才推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。

早在17世紀(jì)，人們一直以為天體運(yùn)動(dòng)和拋物運(yùn)動(dòng)是由不同的物理機(jī)制控制。

直到牛頓的出現(xiàn)，才將地球上物體運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，我們才知道天體運(yùn)動(dòng)和蘋果落地原來(lái)是由同一種力量控制。

1865年之前，人類雖然已經(jīng)知道了磁鐵的存在，也知道雷電現(xiàn)象。但是絕對(duì)想不到磁鐵和閃電有什么相同之處。直到麥克斯韋方程組的出現(xiàn)，才將這兩種“毫不相關(guān)”的現(xiàn)象徹底統(tǒng)一起來(lái)，現(xiàn)在我們知道，光，電，磁，化學(xué)反應(yīng)這四種完全不同的現(xiàn)象，其實(shí)都是由電磁作用引起的。

20世紀(jì)初，量子力學(xué)的出現(xiàn)，統(tǒng)一了原子理論和牛頓力學(xué)。

1905年，狹義相對(duì)論統(tǒng)一了質(zhì)量和能量，時(shí)間和空間。

1915年，廣義相對(duì)論統(tǒng)一了時(shí)空和引力。

20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家統(tǒng)一了電磁理論，狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，從而提出量子電動(dòng)力學(xué)。

20世紀(jì)60年代，弱力和量子電動(dòng)力學(xué)又被統(tǒng)一，形成了電弱理論。

如今，物理學(xué)學(xué)家一邊在統(tǒng)一強(qiáng)力和電弱理論，也就是大統(tǒng)一理論（GUT）。

另一邊，又在統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論，也就是量子引力理論。

之后，量子引力理論將于大一統(tǒng)理論再次統(tǒng)一，也就是預(yù)期中的萬(wàn)有理論

從字面意思上理解，合格的萬(wàn)有理論是能夠解釋宇宙中一切的自然現(xiàn)象的。

而宇宙無(wú)非是物質(zhì)的，且物質(zhì)是變化的。

所以萬(wàn)有理論只需解釋物質(zhì)的構(gòu)成，和物質(zhì)的變化 這兩個(gè)問(wèn)題即可。

基于這兩個(gè)問(wèn)題，萬(wàn)有理論就構(gòu)建起了兩個(gè)框架

第一個(gè)框架就是描述物質(zhì)的構(gòu)成，第二個(gè)框架就是描述物質(zhì)的變化規(guī)律。

我們先來(lái)看第一個(gè)框架，宇宙的一切都是由物質(zhì)，場(chǎng)，和能量構(gòu)成的，而場(chǎng)和能量又可以等價(jià)成物質(zhì)，所以我們只需研究物質(zhì)是如何構(gòu)造起來(lái)的，則就可以完成第一個(gè)框架的構(gòu)建。

現(xiàn)在我們知道，目前所有的物質(zhì)可能都是由62種基本粒子構(gòu)成（包含引力子）。這些基本粒子有負(fù)責(zé)構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子，也有負(fù)責(zé)傳遞力和賦予質(zhì)量的玻色子。除了暗物質(zhì)，目前我們所認(rèn)識(shí)到的所有物質(zhì)，其基礎(chǔ)材料都可以在標(biāo)準(zhǔn)模型中找到。

但對(duì)于第一個(gè)框架，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)可以很好地解釋，但是還未統(tǒng)一。

第二個(gè)框架用于描述物質(zhì)之間的各種變化規(guī)律。

宇宙中的變化看似包羅萬(wàn)象，比如：木材的燃燒，海水的流動(dòng)，原子彈的爆炸，植物的光合作用等等，但是萬(wàn)變不離其宗，宇宙中所有的變化無(wú)非都是四種最基礎(chǔ)的變化引起的。

這四種最基礎(chǔ)的變化就是四種基本作用力。物理法則不認(rèn)同超距作用，任何作用力都必須存在一種信使粒子來(lái)傳遞力。所以 四種基本作用力就是相互交換信使粒子的產(chǎn)物。

電磁力是物質(zhì)之間交換光子的產(chǎn)物。燃燒的本質(zhì)就是分子化學(xué)鍵的斷裂和重組，其過(guò)程由電磁力主導(dǎo)，且交換光子。

包括光合作用，海水的流動(dòng)，摩擦生熱的過(guò)程中都會(huì)交換光子，其本質(zhì)都是由電磁力引起的。

弱力是物質(zhì)相互交換W和Z玻色子的產(chǎn)物。原子核中的質(zhì)子和中子會(huì)相互變換，這種變換的本質(zhì)就是交換W和Z玻色子引起的。

強(qiáng)力是物質(zhì)相互交換膠子的產(chǎn)物，夸克之間交換膠子才形成了強(qiáng)力，從而形成夸克禁閉效應(yīng)。

引力是物質(zhì)相互交換引力子的產(chǎn)物，理論上，天體之間交互了引力子才維系了引力（待證實(shí)）。

宇宙中最基礎(chǔ)的變化，正是由四種基本力在不斷交換信使粒子時(shí) 引起的，在四種基本力的原始推動(dòng)下，產(chǎn)生了多米諾骨牌效應(yīng)，進(jìn)而推動(dòng)了整個(gè)物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了譬如，超新星爆發(fā)釋放的伽馬射線，黑洞合并 釋放的引力波， 地球自轉(zhuǎn)形成的磁場(chǎng)等等千變?nèi)f化的現(xiàn)象。

現(xiàn)在再仔細(xì)分析萬(wàn)有理論的兩個(gè)框架，第一個(gè)框架負(fù)責(zé)解釋物質(zhì)的構(gòu)成，第二個(gè)框架負(fù)責(zé)解釋物質(zhì)在四種基本力作用下的變化。

對(duì)于第一個(gè)框架，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)給出了62種基本粒子，但是如果要統(tǒng)一物質(zhì)的構(gòu)成理論，就需要找到這62種基本粒子之間更深層次的一致性，只需通過(guò)一種理論就可以延伸出這62種基本粒子。

目前物理學(xué)正在用超弦理論試圖統(tǒng)一這些基本粒子。

認(rèn)為最基本的物質(zhì)就只有一種，這是接近普朗克尺度的弦，弦的不同形式的震動(dòng)才衍生出不同的基本粒子。

同理到第二個(gè)框架，四種基本作用力也必須統(tǒng)一，也就是說(shuō)，四種基本力一定存在一種更深層的一致性，通過(guò)這種一致性，從而才衍生出四種基本作用力。

而目前，物理學(xué)只統(tǒng)一了弱力和電磁力，弱力和電磁力只是在低能量狀態(tài)下才表現(xiàn)得像不同的力，但能量只要足夠大（100GeV），弱力和電磁力就會(huì)表現(xiàn)成同一種電弱作用力。這就是電弱理論。

所以我們就可以設(shè)想，如果外部條件合適，強(qiáng)力和電弱作用力是不是也會(huì)統(tǒng)一表現(xiàn)成同一種力？電弱理論如果統(tǒng)一了強(qiáng)力就會(huì)晉升成大統(tǒng)一理論。

如果大統(tǒng)一理論完成，那剩下的就只有引力了。

大統(tǒng)一理論之所以不包括引力，是因?yàn)橐κ痔厥?。?qiáng)力，弱力和電磁力起碼已經(jīng)明確了它們的信使粒子。但目前，我們甚至連引力的信使粒子（引力子）都沒有找到。為了不讓引力拖大統(tǒng)一理論的后腿，所以物理學(xué)家另辟蹊徑，讓電弱理論先統(tǒng)一了強(qiáng)力再說(shuō)。至于引力，則嘗試用新的理論單獨(dú)統(tǒng)一，這就是量子引力理論。

兩條支線任務(wù)同時(shí)并進(jìn)，電弱理論統(tǒng)一強(qiáng)力后，晉升成大統(tǒng)一理論，量子力學(xué)統(tǒng)一引力后，晉升成量子引力理論。

兩條支線任務(wù)完成后，之后再統(tǒng)一量子引力理論和大統(tǒng)一理論，到那時(shí)，四種基本作用力則徹底被統(tǒng)一，萬(wàn)有理論則大事可成。

但回顧物理學(xué)史，貌似這樣的思路往往潛藏著巨大的隱患。參考以太的發(fā)展史，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)的方向往往事與愿違。

事實(shí)上，萬(wàn)有理論遠(yuǎn)比想象的困難多了

我先說(shuō)兩個(gè)最大的問(wèn)題，一個(gè)是理論上的問(wèn)題，另一個(gè)是哲學(xué)上的問(wèn)題。

我們先說(shuō)說(shuō)理論上的問(wèn)題，在物理學(xué)統(tǒng)一的過(guò)程，似乎一直忽略了暗物質(zhì)和暗能量。

暗物質(zhì)和暗能量之所以存在，是因?yàn)榇蟪叨认碌奶煳默F(xiàn)象和現(xiàn)有的引力理論不符。

造成如此的局面無(wú)非就是兩種可能

第一種可能：暗物質(zhì)和暗能量不存在，引力理論需要修改。

第二種可能：暗物質(zhì)和暗能量存在，這就證明物理學(xué)中存在很大的不確定性因素。

這兩種可能的任何一種 都極大地阻礙了萬(wàn)有理論的統(tǒng)一之路。

除了理論上的困難，還有哲學(xué)上的困難。

首先我們思考一下，物理理論的本質(zhì)是什么？

物理理論的本質(zhì)無(wú)非就是對(duì)自然現(xiàn)象的歸納和總結(jié)，但并不能解釋自然現(xiàn)象為何如此。

我們不生產(chǎn)現(xiàn)象，我們只是現(xiàn)象的歸納工。

如果自然現(xiàn)象本就是獨(dú)立的，而不存在一個(gè)可以延伸出各種自然現(xiàn)象的最基本現(xiàn)象。

那么萬(wàn)有理論就不可能成功。

因?yàn)槿f(wàn)有理論的意義就是將所有自然現(xiàn)象歸納到一個(gè)理論中，從這個(gè)最基礎(chǔ)的萬(wàn)有理論出發(fā)，就可以解釋任何自然現(xiàn)象。

物理理論只能基于現(xiàn)象，如果現(xiàn)象本不如此，則理論則也該不如此。

最后，說(shuō)一下我自己的感想，我認(rèn)為萬(wàn)有理論可能永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檎嬲饬x上的萬(wàn)有理論意味著物理學(xué)的停滯，我們僅基于一個(gè)理論就足以解釋宇宙中的所有現(xiàn)象，這是十分悲哀的。

自然規(guī)律還不足以可憐到人類僅有幾百年的時(shí)間就被完全掌握了。

追求物理學(xué)的統(tǒng)一是探索宇宙的驅(qū)動(dòng)力，而不是終點(diǎn)。我始終相信一句話：已知圈越大，未知圈就更大。