萊斯利·羅森伯格試圖理解宇宙的嘗試，就像一個臨時的家用熱水器罐，蓋上一些電線，塞進一個大型地下冰箱裡。這個實驗裝置位於華盛頓大學他辦公室隔壁的實驗室裡，是一個超冷的磁化真空室，配備了一個靈敏的探測器，用來監聽被稱為軸子的粒子的微波“砰”聲。這些粒子是看不見的，而且到目前為止，完全是假設性的。
自從1990年代初他在芝加哥大學做博士後研究員以來，羅森伯格就一直在追蹤這種粒子。在那段時間裡，他進行了一次又一次的實驗，獲得了越來越高的精度，但結果仍然是一樣的空洞，希望能有積極的探測結果，從而拯救阿爾伯特·愛因斯坦最偉大——也是最命運多舛——的想法。
物理學家稱之為統一場論，但它更廣為人知，也更形象地被稱為萬物理論。這個想法是設計一個單一的公式，概括所有已知物理力的行為。愛因斯坦在九十年前開始了這項探索。這位偉大的理論家感到困擾的是，指導宇宙行為的兩種基本力——引力和電磁力——似乎遵循不同的規則。他想證明所有型別的物質和能量都受相同的邏輯支配。
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將宇宙捲入一個單一的公式，即使對於愛因斯坦來說，也是一個令人生畏的雄心壯志。“我想知道上帝是如何創造這個世界的，”他在1920年寫給一位德國物理學生的信中經常被引用。“我對這個或那個現象，對這個或那個元素的 spectrum 不感興趣。我想知道他的想法。其餘的都是細節。”
但正如意第緒語諺語所說，“人算不如天算。” 愛因斯坦為了上帝的想法努力了三十年，但都徒勞無功，一條死衚衕接一條死衚衕地走下去。1955年他去世時，留下了一套潦草地寫在他黑板上的未解的統一場方程。
統一的任務落到了後來的幾代物理學家身上，他們將問題分解成無數部分。最初作為一個傑出天才的宏偉願景，已經演變成由不同的物理學家團隊進行的緩慢而艱苦的勞動，每個人都試圖解決一個巨大的宇宙難題的一小部分。例如，羅森伯格並沒有痴迷於包羅永珍的萬物理論。他專注於他那一個棘手而具體的問題：軸子。它具有理論特性，可以消除修改愛因斯坦引力方程的必要性。“我們將看看資料說什麼，”羅森伯格指出。“我不想窺探上帝的想法。”
儘管他們的關注點很窄，但羅森伯格和他的同胞們並沒有將目光從目標上移開。他們正在進行更廣泛的努力，以消除愛因斯坦建立的理論大廈中的缺陷，並從頭開始，而不是從上到下，構建一個更完整的粒子物理模型。他們試圖透過找出自然界的真實行為方式，而不是科學家認為它應該如何行為來推動科學向前發展（羅森伯格將這種方法斥為“閉門造車”）。其他研究人員正在設計實驗，以揭示物理學中一個被稱為暗能量的隱藏方面，或探測可能是我們表面上的三維存在構建塊的二維量子單元。他們的硬資料可能正是當今物理學家在愛因斯坦失敗的地方取得成功所需要的。
芝加哥大學的物理學家約書亞·弗里曼說：“我們實際上可以測試一些關於宇宙演化的瘋狂想法。” 他幾乎確信，物理學家沒有它們就無法得到萬物理論。
宇宙的黑暗面
看看羅森伯格的軸子暗物質實驗（ADMX），就會發現小而美方法的威力。ADMX 表面上只是在尋找一種粒子和一套新的物理規則，但它也可能駁斥對廣義相對論的擔憂，並解決一個主要的宇宙學難題。
這個難題可以追溯到 1930 年代，當時天文學家開始意識到宇宙似乎充滿了某種看不見的成分，這種成分的存在僅僅透過其對可見恆星的引力來為人所知。1980 年代，當新的大爆炸模型表明，看不見的（或“暗”）物質——無論它是什麼——不可能由普通原子組成時，這一發現變得更加奇怪。這就留下了兩種令人不安的可能性。也許引力在大尺度上並不像愛因斯坦認為的那樣起作用，或者宇宙包含一類未知的粒子，這些粒子對我們所有的望遠鏡都是不可見的。
可能性一被絕大多數物理學家所迴避，因為它 ad hoc，而且也很難與星系運動的測量結果相協調。因此，科學主流已經站在可能性二的背後，煽動了數十項巧妙的努力來揭開看不見的暗粒子的面紗。這就是 ADMX 的用武之地。
軸子與推斷的暗物質特性非常吻合，因此如果羅森伯格和他的 ADMX 團隊探測到它們，它們將提供一個更完整的星系形成和演化圖景。它們還將消除對愛因斯坦的一些引力方程進行醜陋修改的必要性。最重要的是，軸子將迫使修改粒子物理學的標準模型。該模型是一個全面的，但顯然不完整的，基本粒子和場論。找到軸子將驗證對標準模型的一個備受爭議的詳細闡述，使物理學家離真正的萬物理論更近一步。
直到最近，軸子在尋找暗物質方面還被認為是希望渺茫。羅森伯格的大多數同事都將注意力集中在另一類被稱為 WIMP（弱相互作用大質量粒子）的粒子上，這些粒子被認為在理論上更具吸引力。“我一直有點格格不入，”羅森伯格興高采烈地承認。然後，各種 WIMP 探測器不斷變得越來越好，但仍然一無所獲。分水嶺時刻出現在去年，當時一個超靈敏的 WIMP 探測器，名為大型地下氙氣（LUX），在南達科他州的山丘下啟動。到目前為止，它也一無所獲。
現在是羅森伯格證明軸子是答案，並在過程中支援廣義相對論——愛因斯坦關於引力來自時空彎曲的想法——的關鍵時刻。ADMX 背後的概念非常簡單明瞭。如果暗物質真的由粒子組成，那麼一定會有持續不斷的粒子風吹過地球和地球上的所有東西（包括你），無時無刻不在。如果這些粒子是軸子，那麼理論上它們會非常偶爾地衰變。粒子本身是看不見的，但在罕見的衰變過程中，它們應該會變成微波，從而產生微弱但可檢測到的訊號。簡單明瞭，是的，但在實踐中難以執行。
羅森伯格說：“我們有一個油桶大小的腔體，它被冷卻到 100 毫開爾文，”即絕對零度以上 0.1 度。極低的溫度確保探測器本身幾乎不產生微波噪聲。接下來，腔體被磁化以刺激軸子的衰變。然後，一個小的、鉛筆狀的探頭監聽一些不應該存在的微波。更具挑戰性的是，沒有人確切知道要監聽哪種微波；訊號的頻率取決於軸子的質量，而軸子的質量當然是未知的。
解決這個問題的唯一方法是在微波頻帶中逐個頻率跳躍；整個 ADMX 工作本質上是一個在 CB 無線電上翻轉頻道的過程。當我提出這個類比時，羅森伯格興奮起來：“我一直對無線電電子學很感興趣。我小時候玩過無線電，將訊號反射到月球上。現在我們正在使用如此靈敏的接收器來檢視訊號，它們可以在火星上獲得四個格的手機訊號！” 他還自豪的是，與愛因斯坦對統一場論的無休止探索不同，ADMX 保證會產生一個具體的答案。
羅森伯格說：“到 2018 年，我們將完全覆蓋軸子的最終搜尋區域。” “到那時，它要麼在那裡，要麼不在那裡。” 換句話說，我們將要麼獲得關於如何構建萬物理論的一個重要新線索，要麼又有一個想法可以從列表中劃掉。
空的空間能量
當羅森伯格逐漸解決暗物質問題時，其他研究人員正在透過追尋宇宙的另一個主要看不見的方面：暗能量，來努力實現物理學的完整圖景。它在效果上與暗物質相反，產生排斥力而不是引力。由於暗能量抵消了引力的作用，因此它直接影響了如何解釋廣義相對論方程。更深刻的是，暗能量無法在當前的粒子物理模型中得到解釋。因此，它為任何潛在的萬物理論提供了關鍵的檢驗。
芝加哥的弗里曼正在執行這樣一項測試。它使用一個定製的相機，綁在位於智利托洛洛山頂的布蘭科四米望遠鏡上，託洛洛山是一座高聳的山峰，海拔超過海平面兩公里。這個想法是收集大量遙遠星系的照片。相機拍攝的每張影像包含 5.7 億畫素，資料量巨大，並且每年 105 個晚上，每晚將收集約 400 張影像，總共五年。該專案被稱為——毫不奇怪——暗能量巡天，當它在 2018 年 2 月完成時，該巡天將檢查 3 億個星系和約 4,000 次超新星爆炸。（相比之下，1998 年至 2000 年在加州大學伯克利分校進行的最先進的自動化超新星搜尋總共發現了 96 個。）
像羅森伯格一樣，弗里曼過去也曾是一名理論家，但由於設計實際測試的想法而被拉到觀測方面。現在他必須面對任務的現實。“獲取資料很困難，”他說。“處理資料也很困難。”
弗里曼和他的團隊以四種不同的方式分解巡天觀測結果，每種方式都旨在捕捉暗能量行為的特定方面。一項分析專注於一類稱為 Ia 型超新星的爆炸恆星，它們充當太空中的里程碑。它們的亮度表明它們的距離，它們的顏色表明它們遠離我們的速度。將一堆這樣的里程碑放在一起，您就可以瞭解宇宙的膨脹是如何隨時間變化的。其他三種分析探索星系團簇的各種模式。引力傾向於將所有東西拉到一起，而暗能量傾向於將所有東西推開。因此，繪製星系團簇隨宇宙時間變化的圖譜揭示了暗能量效應的強度。
在最簡單的暗能量模型中，它是空的空間中一種不變且普遍存在的特徵。事實證明，粒子物理學的標準理論可以解釋這種能量的存在；它們只是預測的值大了 10120 倍。（有時它被稱為物理學中最糟糕的預測。）解釋暗能量的真實、大幅度較小的值是未來萬物理論最重要的檢驗之一。天文學家也不知道暗能量是否真的是恆定的。如果弗里曼發現它隨時間變化，那是萬物理論必須解釋的另一件事。
不過，在我們達到那個地步之前，還有一個更基本的問題需要解決。“我們的假設是暗能量正在驅動加速膨脹，但我們不確定。有可能在最大的尺度上，廣義相對論根本不是正確的理論，”弗里曼說。相對論的修改版本可能會模仿暗能量效應，他將對此進行密切調查。無論如何，都必須有一個超越愛因斯坦的理論，而暗能量巡天將有助於找到它。
生命是全息圖嗎？
儘管暗物質和暗能量很奇怪，但仍然可以被認為是已知宇宙的裝飾品：在愛因斯坦很容易識別的現實之上，額外粒子或場的糖霜。但是，如果現實需要調整才能在更全面的理論方面取得進展，那又會怎樣呢？如果時空本身具有廣義相對論未描述的新的、未被探測到的屬性，那又會怎樣呢？
費米國家加速器實驗室粒子天體物理中心主任克雷格·霍根正在用他稱之為全息儀的實驗來探索這個令人撓頭的問題。他的目標是找出空間和時間是否由基本單元構成：一個本質上圍繞時間刻度和標尺標記構建的宇宙。在這種另類觀點中，我們生活在三維宇宙中的感覺是一種錯覺。如果您可以將空間放大到足夠大的程度——縮小到原子大小的 10 萬億萬億分之一——您會看到二維畫素，這些畫素只有從大尺度角度觀看時才看起來是三維的，就像電視螢幕上的點一樣。
這些單元中的每一個都將遵循量子規則，例如對其位置具有一定量的內建不確定性。在大尺度上，空間看起來是連續的，正如愛因斯坦所認為的那樣，但它將具有潛在的量子結構。透過這種方式，畫素化宇宙將迫使量子力學進入相對論，消除建立物理統一理論的關鍵障礙。
表面上的 3D 宇宙從 2D 現實中出現的想法被稱為全息原理，因此得名霍根的實驗。“全息儀”也是一個雙關語，模仿了 16 世紀精密測量裝置的名稱。霍根的儀器目前正在費米實驗室收集資料，其設計目的也是以前所未有的精度測量地貌。它由一束雷射束組成，該雷射束被分成兩束，沿著不同的隧道傳送，從鏡子上反射，然後重新組合。如果空間具有量子結構，則與每個畫素相關的位置不確定性應在裝置內產生抖動；該抖動會移動光束的兩半，並使它們失去同步。原則上，全息儀可以測量阿托米尺度（10–18 米！）的運動。
然而，這可能還不夠小。空間的任何潛在量子結構都可能更加微小，以至於實驗上無法檢測到，霍根的一些同事警告他。他將他們的懷疑主義視為挑戰。當我們交談時，他似乎特別高興他的實驗如何敏銳地激怒了斯坦福大學的倫納德·薩斯金德，全息宇宙概念的主要開發者之一。“倫尼對全息原理如何運作有一個想法，但這並不是那個想法。他非常確定我們不會看到任何東西。我們去年參加了一次會議，他說如果我們看到這種效應，他會割喉，”霍根回憶道。
他們的爭議應該很快得到解決。在收集了一個小時的資料後，全息儀正在接近普朗克靈敏度，霍根認為在這個尺度上，空間的顆粒感可能會顯現出來。他預測，完整的答案可能會在一年內出現，然後會發生一些事情——他只是不確定是什麼：“如果我們沒有看到任何東西，或者我們確實看到了某些東西，無論哪種方式，它都會限制人們的想法。沒有人知道到底會發生什麼。”
愛因斯坦的夢想，仍在繼續
在霍根發表評論後，我很渴望與薩斯金德交談，聽取他的看法。與人們對沉思、痴迷於數學的理論家的刻板印象相反，薩斯金德很快就開始討論可測試的概念。“人們抱怨理論物理學家對他們的想法輕率，因為他們不面對可證偽性的問題。那是胡說八道。我們都非常關心可證偽性，”他說。但如果有一個實驗室測試，他認為，全息儀不是這樣做的方法。
薩斯金德說，更好的選擇是觀察可觀測宇宙的邊緣，尋找支援弦理論的行為。在這個理論中，所有粒子和力都是能量擺動弦的不同振動模式，這使其成為對所有粒子和力的統一解釋。（這些弦與宇宙弦不同，宇宙弦可能是時空中的缺陷。）它還對大爆炸時的物理條件做出了預測。更值得注意的是，一些版本——薩斯金德研究的版本——對甚至更早階段的條件做出了預測，在我們宇宙誕生之前。薩斯金德認為，天文學家或許能夠從來自我們宇宙遙遠區域的輻射中識別出先前存在的證據。
不過，他更認為，物理學統一的下一步進展將不是來自實驗或觀測，而是來自對黑洞以及空間和時間的深入數學探索。“未來 5 到 10 年內，將會發生重要的事情，”薩斯金德預測。“我不是說我們將擁有完整的萬物理論；我們甚至還差得很遠。但將會對引力和量子力學之間的聯絡有重大見解。”
當這種聯絡被揭示時，薩斯金德——像當今大多數理論家一樣——預計量子力學將佔據上風，引力和廣義相對論將被迫在其框架內生存。但由於愛因斯坦是帶領我們走上這條道路的人，因此將最後的話語權交給當今領先的愛因斯坦學者之一，安大略省 Perimeter 理論物理研究所的物理學家李·斯莫林，似乎是公平的。
斯莫林確信，他的許多痴迷於量子的同事在追求終極理論時，從字面上看是想得太小了。“量子力學只是一種合理的子系統理論，”他說，“但廣義相對論不是對子系統的描述。它是對宇宙作為一個封閉系統的描述。” 如果你想將宇宙作為一個整體來理解，那麼你必須像愛因斯坦那樣，用相對論的術語來思考它。
這種方法使斯莫林得出了一個驚人的假設，即物理定律可能會隨著時間而演變，並且宇宙具有自身歷史的記憶——他稱之為先例原則。透過這種方式，他設想超越量子力學的具體、無法解釋的細節（這個特定場的強度或那個特定粒子的質量），並將它們都視為單一、封閉系統宇宙的發展方面。他甚至有一個關於如何檢驗他的想法的概念。
斯莫林說：“如果我們能夠進化出一個龐大而複雜的系統，但仍然由純量子態描述，我們將迫使自然界發明一些新穎的系統性。我們可以想象用量子裝置來做到這一點。” 在實驗室中一遍又一遍地建立相同的系統後，自然界可能會開始偏愛某種量子態。“這將很難與實驗實踐的噪聲區分開來。但並非不可能。”
斯莫林無意聽起來神秘，但在某種程度上，他似乎不是在談論物理宇宙，而是在談論愛因斯坦的精神。一個世紀前，一個人揭示了一種思考宇宙的新穎方式。六十年前，那個生命被奪走了，就像所有人的生命遲早都會被奪走一樣。但愛因斯坦的思想仍然在今天的研究人員身上留下了鮮明的印記。他們為了一個古老的理想而進行新的實驗。這種衝動似乎勢不可擋，因為他們不斷地重複他對更深層次真理、更高層次啟蒙的追求。