在过去的几个世纪中,物理学家将看起来是截然不同的事物联系起来发现它们只不过同一种现象的不同表现,这使我们在理解和预言这个物理世界上获得了巨大的成功。在物理学史上,有一个统一出类拔萃,成为物理学家追求的典范。那就是麦克斯韦在19世纪实现的电与磁的统一。麦克斯韦新的方程允许电磁相互转化,在这个过程中,电场与磁场交互产生,从而形成一种在空间移动的波。计算发现,波速和光速是一样的。
也就是说在空间穿行的电磁波就是光!这是统一所带来最令人惊奇的结果。
物理学家把统一进一步的推进,在某个能量尺度下弱核力和电磁力统一了起来,即电弱相互作用。电弱统一的成功使物理学家信心满满,自然而然的就联想到下一步应该把所有四种基本力(引力、电磁力、弱核力和强核力)合并到一个框架中:万有理论。这四种基本力也是有等级的,它们之间强度悬殊,从强到弱(即从强核力到引力)形成等级。
举个例子,通过简单的计算就能得出两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级。虽然物理学家正努力地构建万有理论,但这无疑是物理史上最具有挑战的一件事。
至今,还没有人能够构建一个完整的万有理论。困难之处在于,四种力无法在同一个尺度下运作。特别是引力,目前还没有有效的理论来描述引力在量子尺度下的行为。爱因斯坦在发表广义相对论最后的形式之前,其实就已经在思考新的统一理论了。
他在1915年,写信给希尔伯特说道:“我常常苦思冥想,在引力与电磁力之间搭建一座桥梁。” 电磁力和引力的统一是为了描述电场和磁场能够产生引力,而引力也能够产生电磁波或光。但是把引力和电磁场的结合,称为统一场论,要复杂的多。
万有理论最有力的候选者是弦理论。简单来说,世间万物最基本的结构并不是粒子,而是由一维的弦组成的。弦理论在二维中描述量子引力,而不是四维。它绕过了所有量子场论途径所带来的问题,但同时引进新的复杂性,即额外的六个维度,这些卷曲的额外空间维的尺度太小了因此无法被探测到。但不幸的是,弦理论还无法复制标准模型的成功。
通往万有引力的另一个途径是圈量子引力(LQG)。LQG的核心特点是空间本身是离散的。
想象一个通常用来形容引力的例子:一张拉的很紧的床单,在其中心放置一个保龄球。我们知道床单本身是量子化的,它由分子组成,而分子又是由原子组成的,再一进步我们发现原子是由原子核(夸克和胶子)和电子构成的。空间本身也是这样的!或许它表现的像织物,但或许它是由有限的、量子化的实体构成的。或许它是由“圈”编织而成的,这也是它名字的来源。
将这些圈编织在一起就得到了一个自旋网络(彭罗斯所发明的),它代表了引力场的一个量子态。在这个图景里,不仅仅是物质是量子化的,空间自身也是量子化的。
但目前为止,还没有任何一个理论能够作为万有理论,这其中也是因为这些理论极难被实验验证。今天,许多一开始作为万有理论被提出的理论都已经迈前一步。
举个例子,弦理论可以用来研究和理解炙热的粒子汤——夸克-胶子等离子体,同时也用来研究像超导这些非常冷的物质中的电子复杂行为等等。寻找一个万有引力并不会对我们的工作产生任何影响,即使我们的工作是科学相关的。这很正常:化学家和电工并不需要掌握量子电动力学(QED),尽管QED是这些工作的基础理论。但是,对万有理论的追寻能够让我们在最基本的层面上理解宇宙是如何运作的。
即使有一天我们成功的找到了一个万有理论,他也可能不是终极的理论。如果我们能够从过去在寻求统一的道路中学习到些什么,那就是每一次把不同理论结合在一起的时候我们都会学到新的东西。这也正是统一能够给我们带来最大的惊喜。