中国的诺贝尔物理学奖在哪里？

有一个问题，堪称是20世纪科学界的“圣杯”，一个多世纪以来，人类最聪明的头脑在这个问题上，基本全军覆没。

今年是爱因斯坦诞辰140周年，8月份，老板特许，让科学迷·技术宅·阿信去上海溜达了一趟，在“天才相对论——爱因斯坦的异想世界特展”上，远远见到了久仰的物理学大神——杨振宁先生。

这是我有生以来离神最近的一次，激动……

在目前的国内科学界，能够真正挺直腰板说“我的同事爱因斯坦”的，除了杨振宁先生以外，应该别无他人了吧。

不过根据杨振宁先生现场的演讲，爱因斯坦德语口音很重，而当时年轻的他又很紧张，所以也没太听懂大神都说了些什么。never mind……

今年，除了这次回顾自己与爱因斯坦的过往以外，杨振宁先生还有一番言论也同样引起了大家激烈的争论，那就是：

2019年4月29日下午，在中国科学院大学“明德讲堂”上，物理学家杨振宁先生说高能物理 “盛宴已过” ，第二次在公开场合反对中国建设大型对撞机，再次引发强烈争议。

物理学盛宴已过？！ 要知道，20世纪，人类几乎所有的重大理论突破和神级天才，可都是集中在物理学领域的啊。

杨振宁先生作为20世纪物理学殿堂级的物理学家之一，却选择对当代最前沿的物理学研究方向不再信任， 难道在我们这个时代，天才真的再也没有用武之地了么？

要弄清楚这个问题，就需要我们回溯这场盛宴，其中有一个关键问题，折磨了人类最智慧的头脑100多年之久，一直无解，而且至今都还看不到胜利的曙光，这个问题就是—— 统一场论，或者说我们熟知的万物至理 （ the Theory of Everything ）。

从物理学的两朵乌云到黄金时代的爱因斯坦

这就要从19世纪的最后一天说起……

当时的物理学家们一致认为，物理学发展到19世纪末，已经臻至完美， 只不过它的万里晴空上飘了“两朵乌云”而已 ，anyway，那都不算事儿，反正是已经没什么好研究的了。

但没成想，这两朵乌云，其实是两颗重磅核弹，把他们的整座经典物理学大厦炸得片瓦不留。

引爆第一颗核弹的是个闷闷的德国物理学家——马克思·普朗克。

1900年12月，他正式提出了能量量子化的假说，量子力学的序幕正式开启。

普朗克提出了“普朗克常数”，他的假说简单点说就是： 能量是被分成一份一份的、存在最小单位的 。这个假设在当时的物理学界看来简直就属于脑子有问题的类型，因为能量是连续不断的这个定论早已经像真理一样被烙印在每一个人心中。

所以难怪，普朗克，这位头发梳得一丝不乱的老派普鲁士绅士死活都不肯接受量子力学创始人的殊荣。

普朗克骨子里是一个保守而且中规中矩的人，他完全没有意识到他的理论所带来革命性影响，他认为这只不过是“ 一个纯公式的假说，我其实并没有为此思考很多。 ”他还是一个劲儿地希望把他的理论塞进经典物理学的框框之中去。

这么大的大旗，发起人居然不肯扛，于是，天不怕地不怕的爱因斯坦在1905年，捡起了接力棒，提出了“光量子假说”，也成功跻身进入了量子力学的奠基人的序列之中。

爱因斯坦认为，在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光量子，简称光子。爱因斯坦凭借这一理论获得了诺贝尔物理学奖，图为普朗克在1922年为爱因斯坦颁发诺贝尔奖章。

你以为这就算完了？同年， 爱因斯坦还凭一己之力，亲自引爆了另外一颗核弹 ——相对论的前奏， 狭义相对论 。

用一句话概括狭义相对论，那就是： 光速在任何恒动架构里恒为常数 。这个定理表面上看并不显眼，但却是人类智识的最伟大成就之一。

在随后的补充性论文中，爱因斯坦得出了那个著名的公式：

E ＝ mc²

从而一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒。

尽管普朗克一直在帮爱因斯坦踩刹车，苦口婆心地劝他不要做相对论这种费力不讨好的研究，但在被普朗克邀请加入普鲁士科学院后的1915年， 爱因斯坦在付出了极大的代价之后，终于将狭义相对论推广至非惯性系在内的一切参考系，创立了广义相对论 。

除了思想保守，普朗克身上强烈的普鲁士爱国“传统”也导致了他最后的悲剧人生。尽管与爱因斯坦并称为20世纪物理学的“双峰”、是爱因斯坦的伯乐，但纳粹上台后，他选择服从于国家权威，并公开表示“对于爱因斯坦的离职，没有理由感到惋惜”。 爱因斯坦与普朗克就此决裂。

可以说，摧毁经典物理学体系并建立了20世纪崭新物理学体系的两颗核弹，爱因斯坦亲自引爆了一个半。 相对论和量子力学构成了20世纪物理学大厦的两大支柱，物理学迎来了“诸神”的黄金时代。

但爱因斯坦对此并不满意，在他自己看来，广义相对论只不过是他研究的“副产物”而已，而 量子力学更是让他忧心忡忡 。

其中最著名的就是 海森伯测不准定理 ，这个听起来就不怎么靠谱的定理，让爱因斯坦十分抓狂，于是，他说出了那句著名的——“ 上帝不掷骰子 ”：

你信仰掷骰子的上帝，我却信仰客观存在的世界中的完备定律和秩序。……量子力学……这个理论说得很多，但是一点也没有真正使我们更加接近“上帝”的秘密。我无论如何深信上帝不是在掷骰子。——爱因斯坦1926年12月4日写给玻恩的信

理论物理学家马克斯·玻恩（Max Born），爱因斯坦好友，海森伯正是玻恩的学生，因提出量子力学的统计解释而获得1954年的诺贝尔奖。关于海森伯，爱因斯坦还曾吐槽过：“ 海森伯-狄拉克的理论我固然钦佩，但是我却闻不出真理的气味。 ”

而玻尔也毫不客气，1930年第六届索尔维会议期间，他指名道姓地回答道：

“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”。 （科学男神们要是撕起来，也是毫不含糊的）

图为索尔维会议期间，爱因斯坦和玻尔在街头交谈。终其一生，玻尔对于爱因斯坦相当敬重，吵归吵，1922年，玻尔获得了当年的诺贝尔物理学奖，而这一年，诺贝尔委员会决定同时授予（补发）爱因斯坦1921年的诺贝尔物理学奖。玻尔随即向爱因斯坦恭贺道： 得知我在您之后获奖，是一件十分荣幸的事。

由此，爱因斯坦和玻尔这对好友，在学术上针对海森伯的测不准关系和玻尔的互补原理开始了一段长达30年的论战。（但事实证明，测不准原理却是半个世纪以来最经得起任何实验挑战的一个定理，至今，还没有任何一个实验结果违背了这一条定理。）

爱因斯坦觉得，人类的科学应该建立在坚固的理论基石之上，万物皆有规律 ，“测不准”只会让科学建立在不牢固的沙滩之上，推一推就倒。

于是，1933年，从德国入籍美国开始，爱因斯坦在人生中的最后30年，几乎都在下定决心只做一件事情。

就像中国人说的“万法归一”那样， 爱因斯坦希望建立一个理论，把广义相对论和电动力学结合起来，以期能同时解释粒子和量子效应。 他也希望能以此来克服那些令他非常不满意的量子力学的缺陷，而这就是 “统一场论” 。

1955年4月，爱因斯坦去世后，记者所拍摄的爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的办公桌，仿佛爱因斯坦只是中途离开散步去了而已。

这种思想实际上超前了同时代的人好几十年 ，也折磨了后世的物理学家们近一个世纪。

可以说，是爱因斯坦亲自开启了折磨天才的“魔咒”……

从不掷骰子的上帝到杨振宁的“左撇子”上帝

读到这里，你可能会认为，“统一”、“相对论”和“量子力学”，这些关键词已经远远超出了正常人智商的理解范畴，我们有必要了解那么多么？

那么阿信就把它们说得更功利一点， “统一场论”、“大统一理论”或者说“万物至理”，其实就是要将四种自然力：万有引力、电磁力、强核力、弱核力统一到一起。

理论上宇宙间所有现象，都可以用这四种作用力来解释。有啥用呢？

如果我们回看人类掌握“力”的历史，人类诞生的99.99%时间里，只能掌握双手的力量，而当我们发现万有引力定律、麦克斯韦方程和相对论之后，人类今天的力量已经足以摧毁整个地球。

一旦人类将所有的作用力整合成一个作用力，人类能够改变时空的结构，了解宇宙万物的来龙去脉，让物质变得井然有序。 任意地组合与改变粒子，制造出前所未有的物质形态。 我们甚至能左右空间的维度数，成为宇宙的主宰。

在爱因斯坦逝世30年后，统一场论变成了理论物理学的热点。 焦点就在于物理学家们当时还并不完全了解的两种自然力—— 强核力和弱核力 。

这一部分的故事，我们要从1956年夏天的一场“赌局”开始。

那是在美国召开的一场非常重要的粒子物理学会议—— 罗彻斯特会议 ，当时的物理学巨头 费曼和盖尔曼就宇称是否守恒这一问题进行了反复的思考，并为此设了“赌局”，参会的物理学家们基本都下了注 。

理查德·费曼，20世纪后半叶最负盛名的物理学家之一，年仅24岁就加入美国原子弹研究项目小组，参与秘密研制原子弹项目“曼哈顿计划”，被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，1965年诺贝尔物理学奖获得者。费曼绝顶聪明，性格乖张，据说他喜欢去脱衣舞酒吧画画、解方程， 一生花边新闻不断 。

其中就包括， 当时还被称为“青年物理学家”的杨振宁 ，他告诉费曼，他和他的同事李政道早就已经开始研究这个问题了，只不过没有得到任何结论而已。

杨振宁和费曼在一起。关于这场赌局，国内有人说成是费曼和杨振宁两个人的打赌，从实际情况来看，他们是把这句话传走样了。杨振宁后来评价评价费曼：“ 他是一个几乎任何事情都与众不同的人。 ”可以说很委婉了。

在这之后不久，这两个中国年轻人回到芝加哥，带着勇气和过人的学术胆量，发现了 宇称不守恒定律 。

杨振宁与李政道

问题来了， “宇称”是啥 ？如果我们将“左”和“右”这两个字的含义对换过来，自然界的性质不发生改变，那么这之中就存在一个守恒的量，我们称这个量为“宇称”。或者我们可以简单地理解为照镜子，如果镜里镜外都是一致的，那就是宇称守恒。

杨振宁和李政道发现，事实上，宇称是不守恒的， 上帝并不是一个“弱左撇子”，而是个“强左撇子” 。仅仅一年之后，诺贝尔物理学奖就被授予了这两个年轻物理学家，此时，爱因斯坦刚刚过世两年。

1957年，杨振宁和李政道被授予诺贝尔物理学奖。

事实上，费曼距离发现弱相互作用违反宇称守恒仅仅一步之遥，他提出了这个问题、引起了整个物理学界的争论和思考，却没有跟进，让人有点不可理解。从费曼的性格上，其实不难发现背后的原委， 费曼不是一个能够老老实实坐着研究物理学文献的人，而这却是杨振宁和李政道所有工作的基础 。

而在此之前的1954年，杨振宁还发表了一个没有被物理学界看中的理论： 杨—Mills规范场论（即非阿贝尔规范场论） 。到1970年代， 杨－Mills规范场论已经可以解开所有核子物质的秘密，可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据 。

在主宰世界的4种基本相互作用中，弱电相互作用和强相互作用都由杨—Mills理论描述，而描述引力的爱因斯坦的广义相对论也与杨—Mills理论有类似之处。杨振宁称此为“对称支配力量”。杨—Mills理论是20世纪后半叶伟大的物理成就， 杨—Mills方程与Maxwell方程、Einstein方程共同具有极其重要的历史地位 。

至此，量子力学经过50年的发展，成功整合了四种自然作用力的三种：强作用力＋弱作用力＋电磁力。但是，包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为， 标准模型一定不是最终的大一统理论，主要原因是该模型并不包括“万有引力” 。

从霍金到加来道雄

那么“大一统理论”在人类的整个知识金字塔中处于什么样的位置呢

图片来源：李剑龙在一刻talks的演讲

如果我们从美剧《生活大爆炸》来看的话，就会明白为什么谢耳朵在全剧中都有种俯瞰众生的智商优越感，唯一能让谢耳朵俯首帖耳的活人只有一个——那就是 红色问号 中的霍金。

霍金将物理学视为最高学科，他说：“对我而言，生物学似乎太描述性了，并且不够基本。它在学校中的地位相当低。最聪明的孩子学数学和物理，不太聪明的学生物学。”

霍金的主要研究领域是宇宙论和黑洞，他证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型， 在统一20世纪物理学的两大基础理论——相对论和量子力学方面走出了重要一步。

由小雀斑主演的霍金生平传记电影，直接以《万物理论》为名，这便是原因。

所以，从霍金的最有名的那本《时间简史》中，我们能读到霍金笔下那种为宇宙立传、解释宇宙中一切事物和原理的底气，最后一张直接就叫“物理学的统一”。

每当霍金对有没有上帝、宇宙中有没有外星生命、我们应该如何与外星人打交道等等这样一些像是科幻电影编剧才抒发的情感高谈阔论时，请不要怀疑，这些问题正是涵盖在他的研究领域之内的。

霍金和列纳德·蒙洛迪诺

而霍金好的搭档，曾经和他合著《时间简史（普及版）》的理论物理学家蒙洛迪诺，则在科幻这个问题上做得更加彻底。

蒙洛迪诺带着6000美元去了好莱坞去为《星际航行：下一代》写剧本，和斯皮尔伯格开发电脑游戏……不过期间他居然还有力气从事理论物理学研究，在娱乐圈变得大红大紫的时候，还能在顶级学术期刊《物理学评论A》上一连发表4篇论文。

除了霍金和蒙洛迪诺之外，还有我们耳熟能详的另外一位“文体两开花”的大咖，他无数次出现在各种纪录片中——加来道雄，他也在和霍金从事着同样的研究工作。

加来道雄，虽然听起来像是日本人，可是他是第三代美国人。

加来道雄教授所研究的领域，也处于金字塔尖的那个 红色问号 之中，他是超弦理论的奠基人之一， 从他的这句——“我的同事霍金”，我们就可以知道他在理论物理学界的地位了。

自从8岁那年，第一次知道了爱因斯坦后，加来道雄便沉迷于物理的世界之中不可自拔，到高中时，他已经阅读完了所有关于“统一场论”的文献资料，16岁就亲自动手造出了一台核粒子加速器，并获得氢弹之父爱德华·特勒的推荐，入读哈佛大学。

按照加来道雄的超弦理论，粒子并非是宇宙的基本元素 ，物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深，可以解释所有的自然基本定律。

简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海，那么基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。 我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐。弦，是能够储存大量数据的最精简的方式之一 。

超弦理论，以及在其基础上发展起来的弦场理论，统合了所有的自然律和作用力，菲尔兹奖章（诺贝尔奖没有设立数学奖，菲尔兹是数学界的最高奖项）获得者威藤说：“ 所有物理学上的伟大思想，都是超弦理论的副产品。 ”

“原本我们认为构成物质的粒子并不存在，存在的只是弦在超级空间中的运动。”“各种不同的粒子只不过是弦的不同震动模式而已。”“自然界所发生的一切相互作用包括物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来理解。”

由加来道雄教授参与构建的超弦理论，被认为是解开百年前爱因斯坦百思不得其解的 “万物至理” （theory of everything） 的一把重要钥匙 。

而这正是杨振宁对于中国物理学界未来发展的期望，他认为目前中国的高能物理将资金倾斜到大型对撞机上的做法是不合时宜的，未来弦理论才是我们的着力方向。

但是，超弦理论已经超越我们人类的现实技术太远了，以至于，我们要去验证加来道雄的理论是否正确，还需要很多年的时间。

举个例子来说，1915年爱因斯坦就在广义相对论中预言了黑洞，而直到2019年4月人类才首次拍摄到了黑洞的照片。可以说，我们的理论和技术之间，现在隔了一个难以逾越的沙漠，不管我们怎么努力，当下都很难跨越。

所以，看到这里，也不难理解为什么杨振宁先生会反对我们花费巨额投入来建大型对撞机。

回顾科技史，我们会发现， 很多技术和理论的突破，都需要建立在人类基于时间和技术循序渐进的积累之上，这种鸿沟不是我们当下通过繁巨的投入就可以跨越的 。

但这并不是说理论物理学就真的再无用武之地。 通过霍金和加来道雄这样顶级的物理学家们致力于构建构建大一统理论的努力，物理学正在逐步拆除和突破学科间的壁垒：

物理学家 杰弗里·韦斯特 在《规模》一书中开始运用物理学原理和数学方法分析生物、城市和公司的成长与规律问题。

理论物理学家 列纳德·蒙洛迪诺 在《弹性》和《思维简史》中，通过梳理科学发展史，探讨我们思维的发展脉络。

理论物理学家和天体生物学家 保罗·戴维斯 在《生命与新物理学》中则将生物学、化学、信息科学、数学、哲学和量子力学融合在一起，用全新视角探究生命的本质。

物理学大一统理论的影响，甚至已经超出了物理学范畴的本身，启发了 爱德华·威尔逊 写出了为人类所有知识构建统一理论的《知识大融通》……

“统一场论”，作为科学理论界的“圣杯”，正下渗到知识的各个领域，帮助我们重新阐释万物。

参考文献：

[1]加来道雄,《Hypersapce》.

[2]布莱恩,《The Elegant Universe》.

[3]丘成桐,《The Shape of Inner Space》.

[4]《如何评价杨振宁先生在国科大现场交流中与年轻研究生的讨论？》,知乎.

[5]方在庆，《一个真实的爱因斯坦》，北京大学出版社.

[6]《物理学的忧伤》,量子学派.