史上最燒腦物理學科普（中）
2、廣義相對論，空間是彎曲的?力學＝幾何學
再次，愛因斯坦由一個簡單問題開始：“如果一個人處于自由落體狀態，他就不會感覺到自己的體重？”愛因斯坦透過這個簡單問題掌握了重力的基本特性：在加速度架構下的自然律和重力場的定律是一樣的。這就是所謂等效原理（equivalence principle）。
透過等效原理，愛因斯坦重新思考關于光速的問題：光速會受重力影響嗎？答案是肯定的，重力場會扭曲光線的行進路線。
但是！但是，根據費瑪最短時間原理，光線會采取兩點之間的最短時間路徑，愛因斯坦再次得出一個令人震懾的結論：如果我們可以觀測到光線以曲線前進，那就意味著空間本身是彎曲的！（光以曲線前進這一預測，已經被后人的無數次實驗反復證明。）
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偉大的愛因斯坦進一步得出結論：質能的存在造成周圍時空的彎曲。
我們前面講過，數學家黎曼早在一八五四年就提出了作用力與空間彎曲的關系，并提出了重力場論。愛因斯坦利用黎曼的研究成果，用數學形式表達了他自己的物理學新發現，這就是廣義相對論（general relativity）。
讓我們再來追尋一下廣義相對論的推導過程：
光線以曲線前進＋光線走兩點間最短時間路徑?空間是彎曲的?“質-能”造成“時-空”彎曲?力學＝幾何學
愛因斯坦的偉大，止步于他的第三次嘗試！
在狹義和廣義相對論之后，他終其一生研究統一場論（unified field theory ），簡單說，就是試圖尋找一個公式，能夠同時描述光與重力。可惜，他最終沒有成功。
對這一問題給出答案的，是Theodor Kaluza和Oskar Klein兩位科學家，他們的理論我們稱之為“克魯查-克萊因理論”，簡單說，這個理論就是：在五維空間里，將光與重力的理論統一了起來。
可是，第五維到底在哪里？克魯查說：第五維已經崩解成一個圓圈，它的體積實在太小了，連原子都裝不下，因而也無法測量。一九二六年，克萊因甚至計算出第五維的尺寸只有10E－33公分（10的負33次方），而探測如此微小距離所需要的能量也就是是所謂蒲朗克能量（Planck energy），相當于10E 20億電子伏特，百萬兆倍于質子蘊藏的能量。
克魯查-克萊因理論在當時并未收到廣泛關注和普遍認同，領一時風氣之先的是另一套全新的理論：量子力學（quantum mechanics）
3原子物理學家們的一系列發現
Ⅰ、量子力學，整合了三種自然相互作用力
一九二五年，以薛丁格（Erwin Schr?dinger）和海森堡（Werner Heisenberg）為代表的一組科學家，已經對原子運動給出了幾近完整的數學描述，我們稱之為量子力學。
這是一套與黎曼、愛因斯坦學說迥異的解釋自然力的理論，它的主要理論觀點包括：
1、作用力是由于不連續的能量包交換而產生（也就是量子：quanta）；
2、不同的作用力的產生來自于不同量子的交換；
3、我們永遠無法同時知道次原子粒子的速度及其位置；這就是著名的海森堡測不準定理，這個聽起來不怎么靠譜的定理，卻是半個世紀以來最經得起任何實驗挑戰的一個定理，至今，還沒有任何一個實驗結果違背了這一條定理。
所謂次原子粒子：就是比原子還要微小的粒子。海森堡測不準定律在哲學上的意義在于，它從物質構成的最底層，將所有事物的產生和構成，都解釋為機率的一個表現，而不是一個必然的結果！換句話說，就是沒有所謂客觀存在，也沒有所謂必然結果。這一條，徹底撼動了唯物主義的基石。
4、粒子有可能以有限機率進行穿隧或量子跳躍，并穿越不可浸透的障礙物。
聽起來各種不靠譜是嗎？但是！這個理論不僅反復被實驗證明，而且人們甚至根據該理論制造出了隧道二極管（tunnel diode，或稱江崎二極管）。
量子力學以光子（也就是光的量子）為例，認為弱作用力和強作用力是源于能量量子的交換，并稱之為“楊－米場”，這是楊振寧和他的學生米爾斯于一九五四年發現的理論。到一九七O年代，楊－米場已經可以解開所有核子物質的秘密，可以解釋有關于次原子粒子的任何實驗數據。在解釋電子與光的交互作用時，其精確度達到千萬分之一，號稱是有史以來最精確的理論！科學界對這個理論如此有信心，以至于稱之為“標準模型”（Standard Model）。
量子力學經過五十年的發展，成功地整合了四種自然作用力的三種：強作用力＋弱作用力＋電磁力。但是，包括楊振寧本人在內的許多科學家都認為，標準模型一定不是最終的大一統理論，主要原因是該模型并不包括重力！
歷史地看，可以這么說：量子力學只是根據次原子粒子的部分外表特性做了整理，卻未對它們的來源做出任何說明。
Ⅱ、超重力論，在十一維空間統合四種作用力
統合量子理論和重力，以創造出一個“萬有理論”（Theory of Everything），這個問題挫折了二十世紀最聰明的心智，包括愛因斯坦、海森堡等等一眾科學界的巨擎和大碗，但均不可得。
一九七六年，紐約州立大學石溪分校的三位物理學家寫下了超重力理論。簡單說，這個理論對黎曼的“度量張量”模型進行研究，幾乎實現了愛因斯坦統合已知作用力的夢想。
他們發現，在一個十一維的度量張量模型里，包含了自然界里幾乎所有的粒子與作用力：愛因斯坦的重力理論、楊－米場與麥克斯韋爾場、還有夸克與輕子。如圖所示：
（圖中的括弧，代表一個十一維的黎曼度量張量場。如果把它簡化成四維，就是愛因斯坦的重力場；提高它的維度數，我們就可以推導出麥克斯韋爾方程組和標準化模型；最終，在十一維度，統合了代表四種作用力的所有方程組。）
超重力理論雖然在模型上統合了四種作用力，但它的缺陷在于在很多關鍵節點上沒有具體量化的數學模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。新的，也是最強大有力的物理學計劃已經登場，它就是：超弦理論（Superstring Theory）
Ⅲ、超弦，統合所有作用力和自然律
一九六八年，超弦理論被意外發現。當時，兩位年輕的理論物理學家在歐洲核子研究中心（CERN）意外發現十九世紀數學家尤拉完成的尤拉貝塔函數（Euler beta funcation）竟然符合幾乎所有描述基本粒子強交互作用所需的全部特質。
什么是弦論呢？愛因斯坦在后半生中，一直在尋找統一場論，即一個能在單獨的包羅萬象的數學框架下描寫自然界所有力的理論。他渴望以前人從未成功達到過的清晰來揭示宇宙活動的奧秘，由此而展示的自然界的動人美麗和優雅。
如今，相當一部分物理學家相信他們終于發現了一個框架，有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體：一個單一的理論，一個能描述一切現象的理論，這就是弦論。它正在實現當年愛因斯坦滿懷熱情追求的統一理論的理想。
弦論可以用來描述引力和所有基本粒子。它的一個基本觀點就是自然界的基本單元, 如電子、光子、中微子和夸克等等, 看起來像粒子，實際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式，正如小提琴上的弦。
弦理論中的宇宙弦(我們把弦論中的弦稱作超弦,以免與普通的弦混淆)可以作某些模式的振動。每種振動模式都對應有特殊的共振頻率和波長。所有的基本粒子, 如電子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發態。
每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位，即普朗克長度（10E -33厘米）。弦實在是太細微了，從遠處觀察，我們實在無法區分它究竟是弦的共振還是粒子。只有當我們把粒子放大，我們才能看出那根本不是一個點狀粒子，而是一種振動弦。
按照超弦理論，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相當于琴弦的合音定律。弦論博大精深，可以解釋所有的自然基本定律。
簡言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海，那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產生, 也不斷在湮滅。我們現實的物質世界, 其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂！甚至包含生命復雜信息和編碼的去氧核糖核酸（DNA）分子，也是類似弦的結構。弦，是能夠儲存大量數據的最精簡的方式之一。
超弦理論，以及在其基礎上發展起來的弦場理論，統合了所有的自然律和作用力，菲爾茲獎章（諾貝爾獎沒有設立數學獎，菲爾茲是數學界的最高獎項）獲得者維藤說：“所有物理學上的偉大思想，都是超弦理論的副產品。”
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