為什麼對統一理論的探求可能最終成為一場空想

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統一是物理學中一個古老的目標。自從19世紀的物理學家如麥克斯韋和克勞修斯試圖統一不同的物理現象以來，尋找一個能夠連線所有已知力和物理定律的大統一理論一直是物理學家們或明或暗的夢想。從某種意義上說，對統一的探求是對和諧的探求，渴望透過一個單一的優雅定律或方程式的視角來觀察整個宇宙，從而解釋一切。

大多數統一的嘗試都取得了顯著的成功。首先，熱力學的先驅們將力學和熱學結合在一起，然後法拉第和麥克斯韋實現了將電、磁和光學編織成無縫畫卷的壯舉。甚至愛因斯坦著名的方程式也可以被看作是一種統一，它強調了物質和能量等基本量只是同一枚硬幣的兩面。

統一的思想貫穿了二十世紀，從確立波粒二象性到建立理解狹義相對論和量子力學的共同框架。費曼、溫伯格和特·胡夫特等粒子物理學的先驅們曾使我們無限接近“最終”理論的終極目標。然而，這僅僅是無限接近而已；眾所周知，引力仍然難以捉摸，它與量子理論的統一仍然是近五十年來物理學中也許是最偉大的未解難題。從愛因斯坦到愛德華·威滕，世界上許多最傑出的人物都曾試圖解決這個問題，但鮮有成功。弦理論聲稱它可以完成這項任務，但在做出關於此效應的可靠、可驗證的預測方面，它並不比其他理論更進一步。

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從實驗的角度來看，探測引力量子理論的最佳方法之一是尋找引力子，即被認為介導引力的粒子。探測引力子的根本問題是引力的性質極其微弱。為了解決這個問題，研究人員設計了極其靈敏的裝置，原則上應該能夠探測到甚至離散的引力子。這項努力的成果之一是LIGO，雷射干涉引力波天文臺，它使用極其靈敏的干涉儀來探測引力波透過時引起的微小時空位移。LIGO是物理學和工程學的奇蹟，其真正目的是探測引力波，而引力波是經典廣義相對論的預言。一個典型的實驗將研究高聚焦雷射束在給定距離的兩個鏡面腔體之間反射的干涉現象，等待來自特定源的引力波在它們之間透過。然後，正如維基百科所說

當引力波透過干涉儀時，區域性區域的時空會發生改變。根據波的來源和極化，這會導致一個或兩個腔體的有效長度發生變化。光束之間有效長度的變化將導致腔體中當前的光與入射光之間產生非常輕微的相位差。因此，腔體將週期性地略微偏離共振，並且在探測器處被調諧為相消干涉的光束將具有非常輕微的週期性變化的失諧。這將產生可測量的訊號。請注意，有效長度的變化和由此產生的相位變化是一種微妙的潮汐效應，必須仔細計算，因為光波受引力波的影響與光束本身一樣大。

請注意最後一句，它談到了效應的微妙性。但是，當涉及到探測引力子本身時，這種微妙性可能會被進一步放大。離散引力子的效應會有多微妙？在約翰·布羅克曼最近的一本書中的一章裡，普林斯頓高等研究院的弗里曼·戴森試圖量化這種微妙性（該章以論文的形式重印在高等研究院的新聞通訊中）。在這個過程中，他還告訴我們，統一引力和量子力學的努力可能最終註定要失敗。這裡的關鍵效應是引力波透過引起的兩個鏡子的位移，這導致雷射束的干涉發生變化，從而產生訊號。戴森的計算表明，這種變化可能非常小，以至於會被時空中的“背景”量子漲落所淹沒。那麼，您可能會說，我們將使鏡子足夠重，以便它們不會受到量子漲落的擾動。戴森告訴我們它們必須有多重

“由於環境和儀器噪聲，實際的LIGO探測器只能探測到遠強於單個引力子的波。但是，即使在完全安靜的宇宙中，我也可以回答這個問題，即理想的LIGO探測器是否可以探測到單個引力子。答案是否定的。在安靜的宇宙中，距離測量精度的限制是由鏡子位置的量子不確定性決定的。為了使量子不確定性變小，鏡子必須很重。基於已知的引力和量子力學定律的簡單計算得出了一個驚人的結果。要用LIGO裝置探測單個引力子，鏡子必須非常重，以至於它們會以不可抗拒的力相互吸引並坍縮成黑洞。換句話說，自然本身禁止我們用這種裝置觀察單個引力子。”

去年我見到戴森時，他告訴我他曾努力尋找計算中的缺陷，但沒有成功。如果這是真的，這種限制遠遠超出了探測離散引力子的範疇。這可能意味著引力的世界和亞原子粒子的世界將永遠彼此分離，由於基本物理屏障的阻礙，彼此的領域無法相互涉足。正如戴森所說