## 物理学之墙（下）

上一讲我们说到，标准模型加上广义相对论能解释世间*几乎所有*的现象。我之所以说“几乎”，是因为它们并不能解释绝对所有的现象 —— 它们解释不了「暗物质」和「暗能量」。这里可能蕴含着世界观的重大改变。

先说暗物质，这其实是个老问题。早在1933年，天文学家弗里茨·茨维基（Fritz Zwicky）就发现，后发星系团外围的星系运动速度似乎有点太快了。星系团是众多星系的结合，这些星系会在引力作用下绕着星系团的中心旋转，就如同地球绕太阳旋转，也如同你用一根绳子拴住一个小球，拉着绳子让它旋转。小球旋转的速度越快，你对绳子的拉力就必须越大 —— 所以外围星系旋转速度快，就说明星系团内部提供了很大的引力。

可是你数一数星系团内部的星系，大概估算一下它们的总质量，会发现根本提供不了那么大的引力。茨维基据此判断，其中必定还有些我们看不见的物质，他称之为「暗物质（Dark Matter）」。

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不过茨维基的观测精度很有限，人们都没在意。直到1970年代，又有天文学家发现，不仅星系团存在这种现象，就连单个星系的外围恒星的旋转速度也是过快的 [1] ——

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等到1980和1990年代，科学家们又通过引力透镜效应（Gravitational Lensing）[2] 发现了新的证据。根据广义相对论，光在引力场中会发生弯曲，这会形成像望远镜一样的效果。而观测显示，某些星系团中的引力透镜效应异常强大，靠可见物质的质量无法解释。

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这些证据共同指向了一个结论：星系中间遍布着很重的暗物质。

到2000年代，物理学家意识到暗物质对我们的宇宙至关重要。在宇宙演化的早期，如果没有暗物质，那些“正常物质”的引力就会太弱，根本来不及形成恒星和星系！据此我们进一步推断，暗物质不管是什么粒子组成的，它的运动速度应该远远小于光速，它应该是有点粘稠的东西。对粒子物理学家来说速度慢就是温度低，所以我们也可以称之为「冷暗物质（Cold Dark Matter）」。

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暗能量，就更奇怪了。

我们非常清楚地知道，宇宙有一个起源，叫「大爆炸（Big Bang）」，大爆炸之后空间一直在膨胀。广义相对论的预言、天文学的观测都证实了这一点，而且我们还找到了大爆炸的遗迹，也就是「宇宙微波背景辐射（CMB）」，绝无问题。

那么按理说，宇宙膨胀的速度应该是逐渐减慢的。毕竟星体之间有引力。这就像你往空中扔一个球，如果初速度足够大，它可能会一直飞出去不再返回 —— 但无论如何，由于引力的存在，它飞行的速度一定会越来越慢，对吧？物理学家曾经设想，引力会让宇宙膨胀逐渐减速，可能会最终停止，乃至于从膨胀改为收缩。

结果发现不是。

1998年，两个独立的研究团队通过观测远方的超新星，惊讶地发现：宇宙膨胀不但没有减速，反而是在加速！

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我们不知道推动宇宙加速膨胀的这个神秘能量是什么，所以就称之为「暗能量（Dark Energy）」。

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暗物质和暗能量到底都是啥呢？也许你的第一反应是，是不是广义相对论有问题。也许我们对引力的理解过于简单了：如果引力在星系尺度上比我们以为的更强，在宇宙大尺度上又变成了“万有斥力”，这不就解释了暗物质和暗能量吗？

请你相信我，无数个物理学家早就想到这个可能性了。他们推出了自己版本的广义相对论，现在全都被否定了。一个有意思的现象是暗物质并非到处都有，它在某些星系中就不存在 [3]。你总不能说不同的星系遵从不同版本的广义相对论吧？广义相对论没问题。

你必须把暗能量和暗物质考虑进来才能解释我们这个宇宙的演化。2000年左右，物理学家推出一个「宇宙学标准模型」，叫「ΛCDM模型（Lambda Cold Dark Matter model）」 —— 其中“Λ”（Lambda）是宇宙学常数，代表暗能量；“CDM”就是冷暗物质（Cold Dark Matter）。宇宙标准模型说，我们这个宇宙中的“普通物质”，也就是能被我们观察和测量的物质，仅占宇宙总能量5%；冷暗物质占27%；而剩下的68%则是暗能量。

ΛCDM模型相当成功地描绘了宇宙从大爆炸到现在的演化过程，跟各种观测结果都符合，它就是物理学家对宇宙的当前科学理解。根据这个模型，我们宇宙的年龄是137.8亿年。

我想起来写这篇文章，是因为我曾经以为ΛCDM模型会被推翻。

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2021年，美国发射了詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）。它几乎是一上去就有了一些意外发现。最引人瞩目的是，它在距离我们超过130亿光年的地方，观测到了几个特别庞大的星系。

你要知道，因为光速有限，我们看到的越远的地方，就是越早的宇宙：那里应该是宇宙刚刚诞生不久，大约三、四亿年甚至更早的样子。可是根据ΛCDM模型，那时候的宇宙还太年轻，根本来不及形成那么大的星系！[4]

这很令人振奋。这种「对不上」，往往能促进科学进步，也许会揭示更深的秘密。会不会宇宙学标准模型错了？结果2023年就有人提出 [5]，宇宙的真实年龄可能不是137.8亿年，而是267亿年！

如果真是如此，我们的宇宙观会有颠覆性的变化……

然而那很可能是一场虚惊。2024年，加拿大圣玛丽大学的几个研究者分析了附近更多的星系，发现它们都不是那么大，都看起来很正常 [6]……看来早期的观测可能存在误差，或者是多个星系的光被混在一起导致了误判。

ΛCDM模型仍然是对的。韦布的确有些新发现，但目前为止都只是*修正*了物理学家对早期宇宙的一些认识，而不是颠覆了模型。

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所以物理学的世界观仍然稳定。

我有时候想，如果费曼穿越到今天，他会对物理学的发展有什么评论呢？

理查德·费曼（Richard Feynman）大概是最后一个以鲜明个性闻名于世的物理学家。他有极具创意的工作，他的物理直觉、幽默感和教学风格至今仍然被青年学生传颂。费曼之后的物理学界越来越倾向于群体合作，研究变得规模化、工程化，你没有太多机会展示个性。

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费曼是1988年去世的。那时候标准模型早已成熟，他也知道暗物质，他还设想了量子计算机。如果费曼穿越过来，他会对量子计算机的进展十分满意。但真正令费曼欣喜的必然是AI，他绝对想不到大语言模型可以这么厉害，我们竟然已经接近AGI和ASI。

但是对于物理学，费曼也许会略微摇头……

你们探测到了引力波吗？真厉害啊！啊，不过这只是证明了广义相对论的正确。其实我早在1950年代就计算过引力波传递能量的实在性。

大型强子对撞机（LHC）终于找到了希格斯粒子？哈！很好，看来标准模型没问题，我们当年的理论是对的。

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因为黑洞的工作拿了2020年的诺贝尔物理奖？黑洞不是奥本海默1939年就提出来的吗？还是我老师惠勒给命名的。你知道我最佩服彭罗斯的一点是什么吗？就是他活的足够长。霍金要是多活几年也该拿奖的，不过无所谓，其实都是验证了我们老一辈的洞见而已。

费曼唯一感到震惊的，就是宇宙竟然在加速膨胀。但是除了告诉他这个事实，我们对宇宙为啥加速膨胀，几乎是一无所知。

而如果费曼听说21世纪的物理学投入了那么多的人力物力，动辄几十上百亿美元一个大装置，他一定会引用一个 AI 界流行语：物理学的 scaling law（缩放定律）不行啊！幸亏咱物理学界没有英伟达，不然股票早跌完了。

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标准模型、广义相对论和ΛCDM模型，就是物理学对世界的最新版解释 —— 而这个版本，已经很多年没有更新过了。

这三个理论合起来能解释你所能想到的所有物理现象，但是没有人对此感到满意。这里有太多看起来一点都不自然的东西，需要进一步的解释！

比如说，标准模型描写的是小尺度的物理世界，这是一个充满不确定的世界，这里的一切「力」都是通过某种粒子传递的相互作用 —— 而对比之下，广义相对论描写的是大尺度世界，是一个确定的力量，它认为引力是空间的弯曲：这两个理论根本是矛盾的。在黑洞和宇宙起源这两个地方，你必须面对小尺度的强引力：那你说那个引力是确定的还是不确定的，是粒子还是空间的弯曲？

物理学家一直想把标准模型和广义相对论统一起来，为此发明了「超弦理论」和「圈量子引力（Loop Quantum Gravity）」之类的漂亮学说，但那些学说几十年了都只是数学游戏，没有任何实验验证。费曼会对此毫不意外，因为他当初就不看好。

再比如说，标准模型有至少19个自由参数，包括比如说下夸克的质量、电磁相互作用的强度等等。这些参数不是理论本身要求的，而是实验测量出来的。而有意思的是，如果把参数稍微变化一下，我们这个宇宙就不会是这个样子，而且很可能不会允许有生命存在！[7]

那你说这些参数是从哪来的？难道是上帝为了让生命出现而手动微调出来的吗？

还有，暗物质和暗能量到底是什么？它们在模型中也是生硬的输入，完全不知道是从哪来的。

粒子物理的标准模型和宇宙学的ΛCDM模型好使是真的很好使，但它们都不是特别优雅的理论。它们看起来很像是被“拼凑”出来的。如果这就是宇宙的设计草图，我们要求知道图纸背后更根本的设计思想。

还有量子力学的问题。量子不确定性到底是一种根本的物理特性，还是只是我们对世界认知的局限？量子纠缠背后的机制究竟是什么？这些问题已经困扰了我们一百年。

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就在我们眼前，物理学摸到了一道墙。

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这道墙有明显的斧凿痕迹，看起来一点都不自然，我们知道墙的另一边肯定有东西。但是我们几十年了都突破不了。

有人说 AI 能不能帮我们突破 —— 我看未必。如果我们突破不了是因为物理学家不够聪明，AI可以帮我们，但现在局面似乎不是因为物理学家不聪明，而是因为我们没有更厉害的实验手段。

比如要想检验超弦理论，我们可能需要建一个像月球那么大的粒子加速器。可是人类在可以预见的未来都不可能建那么大的加速器。所以我们只能往天上看，毕竟宇宙是穷人的实验室。但也许望远镜再怎么厉害，也只能看那么远 —— 我们怎么都不可能看到宇宙刚刚诞生时候的样子。

而这就意味着我们也许永远都不能知道墙外的秘密。毕竟，宇宙没有义务让你理解。

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但正所谓「凡墙皆是门」，我们也不是一点希望都没有。好消息是，现在墙上至少有两条裂缝。

这两条裂缝都跟中微子有关。中微子是标准模型中的一种基本粒子，它不带电，你不会感觉到它，它基本上只在原子核衰变的时候有存在感。

标准模型认为中微子的质量应该是严格的0。可是一系列实验证明，中微子有极其微小的质量。它的质量是怎么来的呢？

还有，完美的宇宙中每产生一个物质粒子，就会产生一个反物质粒子，那么正反物质会碰在一起湮灭掉，所以宇宙中根本就不会剩下什么粒子……可我们这个宇宙中为什么剩下了这么多的正物质粒子呢？这跟中微子参与的某种对称性破缺有关 [8]，而标准模型的计算结果不足以解释那个差距。

这两个事实说明标准模型不是一个绝对正确的理论。这道墙有破绽。

谁能突破这些破绽，谁能解决这一讲中任何一个难题，谁的名字就会跟上一讲中那些英雄豪杰并列。

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注释

[1] 动图和下面一张图来自 https://bigthink.com/starts-with-a-bang/who-discovered-dark-matter-fritz-zwicky-vera-rubin/

[2] 问答：什么是“引力透镜”？

[3] 暗物质用“不存在”证明了自己的存在

[4] 跟韦布围观最古老的星系

[5] University of Ottawa. (2023, July 11). Reinventing cosmology: New research puts age of universe at 26.7 -- not 13.7 -- billion years. ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230711133118.htm

[6] Saint Mary’s University. “New Data Challenge Early JWST Claims about the Age of the Universe.” Saint Mary’s University News, April 22, 2024. https://news.smu.ca/news/2024/4/22/new-data-challenge-early-jwst-claims-about-the-age-of-the-universe.

[7] 一个让人寝食难安的世界观

[8] 量子力学番外篇2：这个宇宙的物理学并不完美，而这很值得庆祝

### 💡 精华要点
- 1.物理学的世界观自20世纪70年代以来基本保持稳定，主要由标准模型、广义相对论和ΛCDM宇宙学模型构成。这个世界观能解释绝大多数物理现象，但仍存在一些根本性问题无法解答。
- 2.物理学似乎遇到了一道墙，在理论突破和实验验证方面都面临巨大挑战。这种停滞可能源于实验手段的局限，而非物理学家智力不足。
- 3.尽管面临瓶颈，物理学仍有突破的希望。比如中微子质量和物质-反物质不对称等现象与标准模型预测不符，为未来突破提供了可能的方向。谁能解决这些问题，谁就可能成为下一个物理学革命的引领者。
