从诺贝尔奖看物理学前沿：超弦理论与圈量子引力的较量

每年一度的诺贝尔奖颁奖又开始了，可以说是科学界的盛事。今年的诺贝尔物理学奖报告了一个大冷门，授予了为人工智能神经网络创立做出开创性工作的科学家。如果去查阅几篇人工智能神经网络方面的论文，你会发现，其中应用更多的是数学和计算机科学知识，与物理学的关联似乎并不紧密。

不过，这也展现出了物理科学的一个困境。自爱因斯坦的广义相对论和量子力学建立和完善以来，物理学已经很久没有什么突破性的进展了。而这两门科学的创立，已经是一百多年前的事了。这就要说回诺贝尔物理学奖，似乎是无奖可发，只能选择当下最火的人工智能技术了。

回到前面的话题，广义相对论在宇宙大尺度上表现得很好，量子力学在微观尺度上表现得更好。这两项理论，以人类目前的实验和天文观测手段，还没有找到任何相互矛盾的实验数据和观测数据。然而问题是，这两个理论本身却是相矛盾的。量子力学无法解释引力是如何产生的，而广义相对论应用到微观领域，就会产生奇点，也就是质量无穷大和密度无穷大的点。

所以，如果有谁能够解决这一问题，将引力量子化，毫无疑问将获得诺贝尔奖。因此，从事这方面研究的科学家非常之多。这方面最热门的要属超弦理论，其次就是圈量子理论。在现在的量子力学当中，基本粒子，比如电子、夸克等，被看成是没有体积的。而如果在这个前提下想将万有引力量子化，也会碰到无法消除的无穷大。

弦论的解决方法其实很简单。既然一个没有体积的点会造成这样的困境，于是科学家就用有长度可振动的弦来代替它。而圈量子理论则更加简单。既然广义相对论会产生奇点，那么科学家们就假设空间是量子化的。也就是说，空间是有最小的组成单位的，就像早期的原子论认为万事万物都是由最小的原子组成一样。这个最小的空间单位的大小大约就是普朗克常数，这样也就消除了密度无穷大的奇点。

但是这两个理论最大的问题就是，不管是弦还是空间的最小单位，它们的理论尺度都远远小于现阶段我们人类实验手段所能够探测到的最小尺度。就是说，以人类现在的技术水平，无法检验这两个理论到底谁对谁错。所以它们也没办法获得诺贝尔奖。

最近，我看到一个节目，说是一个以中国科学家为主体的科研团队，找到了证明圈量子理论是错误的方法。原理说起来不算太复杂。因为圈量子理论假设存在最小的长度单位，这一点其实是和爱因斯坦的狭义相对论相冲突的。在狭义相对论当中，时间和空间都是相对的。对时间和空间的测量，取决于观察者的运动状态。也就是说，长度对不同观察者来说，是没有一个统一的值的。

圈量子理论设定了一个最小的长度单位，这个长度单位对所有的测量者来说都是一致的。那么如果它是对的，爱因斯坦就是错的。这样只能改变光的速度，也就是不同颜色的光速度其实有很小的差异。换句话说，如果对不同颜色的光速进行测量，它们应该存在很微小的差异。这可以证明圈量子理论是对的。但是，中国科学家做了大量的类似实验，并没有找到这样的光速差异。