大家好，这里是最佳拍档，我是大飞 今天这期视频，我们继续来聊物理 我们总觉得物理是公式、是实验、是冷冰冰的数字 但是其实它的核心 是一场跨越数百年的统一之旅 从牛顿把天上的引力和地上的引力捏合到一起 到今天物理学家还在追寻能解释所有力、所有粒子的万物理论 这条路上藏着人类最极致的好奇心
也藏着宇宙最底层的秘密 最近 莱克斯·弗里德曼（Lex Fridman）采访了费米实验室（Fermilab）的粒子物理学家唐·林肯（Don Lincoln） 他也是《爱因斯坦未竟的梦想》（Einstein's Unfinished Dream）一书的作者
这期对话通透又深刻的拆解了物理学数百年的统一史 所以今天我们就来给大家聊一聊 为什么统一是物理学的终极追求？
我们离解开宇宙的终极谜题 还有多远呢？我们先从最经典的统一说起 如果回到17世纪中叶 你是当时最顶尖的学者 你会发现一个很有意思的现象
人们把引力分成了两部分 一部分是天体引力 管的是星星、行星怎么转 另一部分是地表引力 管的是你掉个三明治、摔一跤这种日常事 在当时的人看来，这俩完全是两码事 天上的规律和地上的规律 就像两个平行世界一样 直到艾萨克·牛顿（Isaac Newton）出现 他的天才之处在于
他突然意识到，月球其实也在下落 只是它绕着地球转，没掉下来而已 牛顿提出的万有引力定律里 万有两个字是关键 它第一次告诉人类 天上和地上的引力，是同一个东西 这是物理学史上第一个真正意义上的统一 也是第一次打破了天地有别的认知壁垒 当然，牛顿的统一只是起点 时间快进到19世纪
当时的科学家又遇到了类似的问题 电和磁 看起来也是八竿子打不着的两样东西 那时候的电 要么是实验室里的小火花 要么是天上的闪电 而磁，就是吸在冰箱上的小铁块 或者指南针里的指针 从1830年左右开始 一批科学家慢慢发现了两者的关联
比如电流通过导线会产生磁场 磁场变化又能产生电流 直到1860年代 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）把这些零散的发现整合起来 写出了麦克斯韦方程组 这套方程组的神奇之处在于 它把电的变量和磁的变量放在等式两边 直白地告诉我们，电和磁 本质上是同一种力的两个侧面
也就是电磁力 更惊人的是 只要对麦克斯韦方程组做一点微积分运算 就能推导出电磁波的波动方程 而计算出来的电磁波速度 正好等于光速 这就意味着，光本身就是一种电磁波 我们每天看到的光 和闪电、和磁铁，居然是同一类东西 麦克斯韦的电磁统一 不仅重塑了物理学 更直接催生了我们今天的科技文明
如果没有对电磁规律的掌握 就没有电力系统 没有无线电，没有互联网 我们可能还停留在农耕和手工业时代 这也是基础科学的魅力 你今天挖的无用之坑 可能就是明天改变世界的钥匙 就像100年前研究原子核的科学家
没人想到那会催生核能 不管是核发电，还是核武器 都是人类对微观规律掌握后的结果 当然，就像唐·林肯在播客里说的 科学找到的是自然的力量 而怎么用这些力量 是整个社会要共同面对的选择 就像火能做饭 也能烧房子一样 力量本身没有好坏，关键在使用者 聊完经典物理的统一
我们就不得不提阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein） 1905年是爱因斯坦的奇迹年 他发表的狭义相对论 彻底颠覆了牛顿的时空观 牛顿认为，时间是绝对的 不管你在地球、火星 还是在高速运动的飞船上 时间的流速都一样 但爱因斯坦说，不对 时间和空间是绑定在一起的
也就是时空（spacetime） 而这个概念其实是他的老师赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）帮他梳理清楚的 闵可夫斯基从爱因斯坦的方程里发现 一个人的空间和时间 能通过数学变换转换成另一个人的空间和时间 这意味着，空间和时间不是独立的
而是一个整体 狭义相对论的两个核心前提 其实特别简单 第一 所有观察者看到的物理定律都是一样的 第二，不管你怎么运动 测量到的光速都是同一个数值 第二个前提在当时看起来很反直觉 但是所有实验都验证了它的正确性 比如光速不会因为你朝着光跑、或者背着光跑而改变 正是这两个前提
推导出了时间膨胀、长度收缩这些反常识的结论 也让我们第一次意识到 时空的本质比我们想象的复杂得多 而爱因斯坦后来的广义相对论 更是把引力的本质讲透了 引力不是一种力，而是时空的曲率 大质量的物体 比如地球、太阳会把周围的时空压弯 小物体在弯曲的时空里运动 看起来就像是被吸引了
这又是一次对引力的重新定义 也是朝着统一的又一步 但爱因斯坦的后半生 都在试图把电磁力和引力统一起来 也就是统一场论 可惜直到他去世，这个目标也没实现 这也成了物理学界的一个传承 从爱因斯坦开始 一代又一代物理学家
都在追寻能把所有力统一起来的万物理论（Theory of Everything，ToE） 到了现代粒子物理阶段 我们又实现了一次关键的统一 电弱统一 物理学家发现，电磁力和弱核力 也就是负责放射性衰变的力 在高能状态下其实是同一种力 只是在低能状态下表现出不同的样子 而解释这个过程的关键
就是希格斯玻色子（Higgs boson） 也就是大家常说的上帝粒子 唐·林肯（Don Lincoln）在播客里详细解释了希格斯场（Higgs field） 这个场弥漫在整个宇宙空间里 基本粒子和它的相互作用程度 决定了粒子的质量 比如夸克、电子和希格斯场相互作用强 就有了质量 光子不和它相互作用
所以光子没有质量 2012年 欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子 验证了1964年彼得·希格斯（Peter Higgs）等人的理论 这也是标准模型（Standard
Model）的最后一块拼图 说到标准模型 它是目前描述微观粒子和力的最成功的理论 但是请注意，它并不包含引力 也解释不了暗物质和暗能量 所以它注定是一个过渡理论 这就引出了当代物理学最大的几个谜题 也是我们今天要聊的核心 暗物质、暗能量、正反物质不对称 以及万物理论的困境 先说说暗物质（Dark Matter） 我们为什么确定暗物质存在呢？
有三大天文证据 第一，星系的旋转速度 如果只有可见物质 星系边缘的恒星转速应该慢得多 早就飞出去了 第二，星系团的运动 星系团里的星系运动速度远超可见物质的引力所能束缚的范围 第三，引力透镜 光线经过大质量天体时会弯曲 而有些弯曲程度 远超过可见物质的质量能解释的
我们已经排除了黑洞、流浪行星这些可能 确定暗物质是一种不发光、不与电磁力相互作用的未知物质 但尴尬的是，我们找了30年 从弱相互作用大质量粒子（WIMPs）到各种候选体
探测器的灵敏度提高了一百万倍 却什么都没找到 唐·林肯说 暗物质的可能质量范围极广 从小行星那么重，到比电子还轻 我们就像在一个大小未知的草堆里找一根针 更有意思的是 科学家发现了DF2和DF4这类几乎没有暗物质的星系 这反而成了暗物质存在的强证据 如果暗物质只是引力理解错了 那这些星系就没法解释
再说说暗能量（Dark Energy） 这比暗物质更神秘 暗能量是一种排斥力 正在加速宇宙的膨胀 但我们对它的本质一无所知 而量子场论（Quantum Field Theory）在这里栽了个大跟头 当我们用量子场论计算真空的能量密度时 结果比观测到的暗能量密度大了10^120倍
这是科学史上最离谱的预测偏差 没有之一 唐·林肯把这称为物理学最糟糕的预测 它直接说明 我们对量子场论和引力的耦合机制 有根本性的错误认知 量子场论本身是个很成功的框架 它结合了经典场论、狭义相对论和量子力学
把粒子描述成场的激发态 比如光子就是电磁场的涟漪 但一旦涉及引力，这套理论就失效了 这也是我们需要新理论的核心原因 接下来是正反物质不对称的谜题 爱因斯坦的方程告诉我们 能量产生时 应该生成等量的物质和反物质 比如一个光子可以变成一个电子和一个正电子 但是我们的宇宙里，几乎全是物质
反物质少得可以忽略 科学家计算过，早期宇宙中 每产生10亿个反物质粒子 就会有10亿+1个物质粒子 这些正反物质相互湮灭 剩下的那一点点物质 就构成了今天的星系、地球 还有我们自己 这个幸运的偏差是怎么来的呢？
目前最有希望的线索是中微子振荡 如果物质中微子和反物质中微子的振荡速率略有不同 可能就能解释这个不对称性 这也是现在粒子物理实验的核心方向之一 说到反物质，还有个很有意思的点 那就是生产反物质的难度和成本 唐·林肯透露 在费米实验室（Fermilab） 要撞击10万个质子到靶材上 才能产生一个反质子
就算用最先进的加速器 一年也只能生产约1纳克的反物质 要生产1克反物质 也就是它的爆炸能量相当于广岛和长崎原子弹的总和 则需要连续生产数十亿年 美国国家航空航天局（NASA）估算 反物质的成本约为每克62万亿美元 这不是物理难题 而是工程和能量密度的难题 聊完这些谜题 我们回到最核心的问题 万物理论（ToE）真的存在吗？
我们离它有多远呢？唐·林肯的观点很务实 他相信宇宙有底层规律 只要给足够的时间和努力 我们一定能找到 但是这个过程可能需要50到500年 他打了个比方 就像南方古猿在非洲游荡 它们能理解身边的环境 却永远无法想象阿尔卑斯山或南极洲的存在 我们现在的实验能标，和统一尺度 也就是普朗克尺度差了千万亿倍
凭现在的认知去预测那个尺度的物理规律 无异于傲慢的极致 而目前最热门的两个候选理论 处境都不太乐观 第一个是弦理论（String Theory）
它认为宇宙的基本单元不是点粒子 而是振动的微小弦 因为能整合引力和量子力 一度被视为万物理论的最佳候选 但问题是，弦理论数学上很美 却没有可证伪的预测 它导出了一个景观 包含无数种可能的宇宙 却无法通过实验验证 从1970年代至今 弦理论一直都没有解决核心的问题 越来越多的年轻科学家不愿把一生
耗在一个可能永远无法验证的理论上 第二个是圈量子引力（Loop Quantum Gravity） 它不走额外维度的路线 而是直接把空间量子化 认为空间不是连续的 而是由离散的微小单元构成 但是它只聚焦于引力 没有整合其他力 离万物理论还有很远的距离 最后 唐·林肯聊了一些关于自己的个人经历
他小时候痴迷科幻小说 读艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）、卡尔·萨根（Carl Sagan）、乔治·伽莫夫（George Gamow）的科普书 对宇宙的起源和命运这些大问题充满好奇
他大学先学了哲学和宗教 后来发现这些领域给不了他想要的答案 才转向物理学 80年代选择粒子物理而非宇宙学 是因为粒子物理能通过实验得到确定的答案 而不是只靠思辨 他回忆自己读研时 每天从早上8点工作到半夜12点 一周六天 不是因为聪明，而是因为韧性 实验失败了、设备坏了 他不会想回家 而是会生气
他对自己说，我不会让宇宙打败我 这种对未知的执念 正是区分学生和真正的科学家的关键 而科学进步的核心 也从来不是顿悟式的瞬间 而是一种充满对抗性的批判文化 科学是让人不舒服的、尖锐的批判 只有把所有错误的假设都推翻 剩下的才可能是真相 唐·林肯说 我们永远不能相信自己的想法
除非它经过了严格的实验验证 好了，我们总结一下 物理学的数百年 其实就是一部拆墙的历史 把看似无关的现象 拆掉它们之间的墙 找到底层的统一规律 从牛顿到麦克斯韦 从爱因斯坦到希格斯玻色子 我们走了很远，但是离终点还远得很
暗物质、暗能量、正反物质不对称 这些谜题就像宇宙给我们的作业 而万物理论 就是这份作业的终极答案 有人可能会问，研究这些有什么用？除了满足好奇心 其实我们永远不知道基础科学会带来什么应用 就像麦克斯韦不会想到 他的电磁方程会催生互联网 就像研究原子核的科学家 不会想到核能会改变世界 但人类的伟大之处
就在于我们愿意追问为什么 愿意为了一个可能几代人都看不到答案的问题 付出一生的努力 感谢收看本期视频，我们下期再见