有没有一个单独的统一了自然界显著多样性的深刻的理论？是不是正发现了粒子物理线索到万物之理的一个有趣的模式？某些物理学家正想回答这两个问题。

爱因斯坦曾经说过“宇宙中最不可理解的事情，实际上是都可以理解的。”宇宙的体积之大不可相信，其所包含事物之多不可想象。至今我们已能模拟出它的大部分历史，阐明它的结构，预测它的未来，了解其所含有客体的迷惑多变的行为。我们之所以能做这些事是因为我们了解到所有事物都是通过一个关系网把它们联结在一起的。我们把它们称之为物理定律。

万物归一

一个好的物理学定律或理论的工作就是用一种简单的方法总结出行为的范围，所指出的模式应能对所有叙述的对象是普遍适用的。例如行星、彗星、恒星和银河系在空间中均是沿着不同的轨道在运转，但它们全部都遵循着牛顿的万有引力定律。

而万物之理（Theory of Everything，TOE）将要做的是相似的工作，不仅包括天体物体的运动之外，还应包括宇宙的所有基本性质。它将预言会存在什么粒子，它们一定会有什么特性，它们之间如何相互作用。本文考虑的就是200多年来—直在寻找的这样一种理论。

早在1820年就了解到电流会产生磁场，1821年法拉第设计了一个研究这种现象的简单的电动马达。他和爱因斯坦一样深信自然界的统一性，并假设如果电流能产生磁场，那么磁场也应产生电流。他在1830年发现了这一效应，即我们现在称作的电磁感应。这是一个涉及到电能的产生和传送的最重要原理。

法拉第还做了另一个关于统一理论的主要发现：他指出磁场能影响沿着它的极化面而旋转的光，这一发现使他确信，光一定和电与磁有联系，更证实了他认为的自然界产生的所有力源于同一个起源的想法。18世纪中叶人们已清楚：电、磁和光是有联系的，并正在寻找一个统一的理论。英国物理学家J • C • 麦克斯威尔最后攻克了这一难题。他将法拉第采用的直观图像法用在电磁场上获得了4个数学方程式，揭示了隐含在法拉第电和磁学后面的真谛。麦克斯威尔方程组对电场和磁场作了完整的描述。

但那并不是问题的全部，该组方程意味着这些场的干扰将作为一种速度大约等于每秒为3 x 108米的波即光速向外传播。这证实了法拉第的想法，光本身是一种电磁波，并意味着它们一定是我们看不见的另外一种电磁波，1888年德国物理学家H • 赫茨证明了无线电波的产生和测定。

所以早在20世纪初，已经把电、磁和光放在一个统一的立足点内了。当时知道的唯一一个属于其他的力就是引力。法拉第一直试图测定出引力对光的影响。尽管他是失败了，但是法拉第确信引力和电磁力之间一定有联系。用牛顿的力学定律能够预测大质量的物体如何在力的作用下运行，电磁力和引力提供了这些力，尽管这样看来万物也许可以用力学和电磁学来解释，但是深入下去马上发现有麻烦。

爱因斯坦已经认识到力学和电磁学是不相容的。他问自己如果一个人以光速沿着一束光在运动，那么该束光看起来会如何呢？根据牛顿力学的预测，它会看起来就像电场和磁场的一种固定的干扰，但是按照麦克斯威尔的理论，这是不可能的。这一问题困扰了爱因斯坦，他相信物理定律对所有观察者来讲应该是一样的，而和他们的运动状态无关。麦克斯威尔方程预言，电磁波以大约每秒3 x 108米的固定速度传播，而不考虑一个观察者或光源本身运动得有多快。然而力学则预言如果观察者相对于光源在运动，或相对于假设的媒体并通过它在运动，那么光的速度会变化。这样就存在着矛盾。

1905年爱因斯坦采取了勇敢的一步，他宣称对所有以不变速度运动的观察者来讲，物理定律实际上是相同的，这就是相对性原理。这意味着对所有的观察者来讲，光速一定是相同的，无论你跑得多快，光永远以相同的速度远离你而去。这同时也意味着力学定律必须修改，因此对不同的观察者来讲，空间和时间必定是不一样的：运动着的时钟速度会变慢，运动着的短棒会缩短，质量会随速度增加而增加，能量包含着质量，相反也如此。爱因斯坦用详细推论得出了这些结论，这极大地震惊了他的许多同时代人，这些结论最终均被实验所证实。

如果将世界看作一个四维的连续体，那么时间或多或少也可以和空间一样作为一个立足点来处理，这样相对论可以作为一个几何学理论来解释。爱因斯坦过去的老师明柯夫斯基称这样一个四维世界为空间-时间。爱因斯坦第一个起来抵制这一想法，但又很快认识到这想法的能力，没有它爱因斯坦不能提出他的杰作——广义相对论，即引力的几何学理论。

爱因斯坦的第一个伟大理论称之为“狭义相对论”，因为它所描述的物理学是从均匀移动的运载工具这一观点出发的，引力效应不是自发建立起来的。但是爱因斯坦想建立一个对所有的观察者均适合的理论，不管他们是否是被加速了或同处在一个引力场中。解决这个问题的关键是一次来自灵感的闪光，那时他认识到一个正在自由下落的观察者不会体验到引力，这也是空间站中天文学家的情况；而在另一方面，在一个正在加速的火箭中的某些人，如果他们同在一个引力场中，会受到压向地面的压力。引力和加速在感觉上是相等的，但是在空间-时间中，它们又是怎样表示的呢？

回答是引力扭曲了空间-时间几何学，就如同你坐在床上时扭曲了床一样。广义相对论处理引力场，就如因为物质的存在而引起空间的局部扭曲一样。这些扭曲还影响其他粒子的飞行轨迹。正如美国物理学家J • 威勒所戏称的：物质告诉空间如何成曲线，空间告诉物质如何运动。

既快又好。已创建了几何力学，并指出引力的出现扭曲了空间-时间几何学，爱因斯坦试图扩大广义相对论，把电磁学也包括进去。他最终的追求目标就是一个统一场理论，即用单独的一套方程来解释力学、电磁学和引力学。他对此是那么的确信，但他忽略了当时核物理的发展已导致了强力的产生，即负责将原子核中的质子和中子结合在一起的一种力；弱力的出现，即涉及某种放射性衰变的力。而许多科学家已相信，在微观水平上，物理学是受量子力学控制的，而爱因斯坦不接受这些理论，他认为根据测不准原理和概率论所建立起来的量子力学不会是基本事实的真正代表。

在1920到1930年，爱因斯坦试图在四维的空间-时间中加入第五维，即把电磁学、力学和引力联结在一起。早在1919年，德国数学家T • 卡鲁扎（T. Kaluza）就几乎完成了这一工作。不过他用这些方程进行了很多的运算后，从来没有得到过十分正确的结论。加人第五维后唯一做到能够表现的方法是，它能够卷曲成的圆环是如此之小，以至没有可观察到的结果。

不过由于量子力学理论获得了无可争辩的成功，恶魔已被消除。量子力学理论的非连续的跳跃和概率化的过程，用连续的经典场理论，包括广义相对论来看，的确是非常奇特的。从爱因斯坦的洞察力来看，将会证明似乎对宇宙的最重要处，有些事情是十分不同的。

量子场概念

本世纪30年代最大的问题是如何写出描述光和物质相互作用的量子力学方程。40年代来自美国的物理学家R • 费尔曼、J • 施温格和来自日本的物理学家朝永振一郎解决了量子电动力学（Quantum electrodynamics QED）问题。在QED中，带电荷的粒子之间出现了一种来自连续交换其他的带力粒子的一种力，这就是光子。在这种模式中，电子通过交换光子来驱逐另一个电子并吸引质子。这有点类似于两个人通过接球和传球在玩“接”重球的游戏，不过QED解释得更吸引人。物理学家用QED计算的电子的磁极距（即它的有效的瞬间磁性）可到达10位有效数字，计算的结果和实验测量完全相符。

QED的惊人成功激励了理论物理学家们试图为新发现的强力和弱力构建类似的交换理论。A • 萨拉姆、S • 温伯格和S • 格拉肖所建立的数学能推广用来解释弱相互作用，仅此而已，还需要3个新的带力的粒子，这就是于80年代中期，在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室中适时发现的三重奏，即W+、W-和Z°粒子。

电弱力理论统一了电磁力和弱力，捡起了麦克斯威尔已经扔掉了的东西。若从逻辑上来推理，强力也应该立刻归入其内，在某种程度上也已经这样做了。粒子物理的发现意味着强力主要来自所有由强相互作用的粒子组成的夸克之间的更基本的相互作用，这就是色力。量子色动力学（Quantum chromodynamics QCD）考虑了新的一套带力粒子所产生的色力，这些带力粒子就是由夸克所交换的胶子。遗憾的是用QCD所进行的计算却是难以置信的难，并且不可能获得采用QED计算时所得到的相应的精确度。

不过物理学家们相信，也许有可能“转换”QCD到电弱力理论，产生出对所有粒子相互作用均适用的一个大统一理论（Grand unified theory GUT）OQED、电弱力理论和QCD根据对称的观念形成了一种数学上分级的系统。两位美国科学家杨振宁和B • 米切尔研制了这种联系，即现在称之为的杨-米切尔理论。

如果这些想法奏效的话，物理学家们将会指出，电磁力、弱力和色力全部源于单一的一种超力。在通常的实验条件下，3种相互作用力的强度是完全不同的，但是在高温高压下，即大爆炸之后存在的瞬间，它们是相似的。

在过去的100年中，全世界各种类型的检出器中，已经预测和发现了一连串新的更加奇异的粒子，由质子、中子和电子所组成的原子的清晰图像已经给出了各色齐备的一群粒子：强子（如质子和中子），像电子一类的粒子或称“轻子”和带力的载体（像光子和胶子）。

60年代物理学家们认为强子能根据它们的性质排列生成简单的几何模式，其中最著名的强子模式称为八重态，是由美国物理学家M • 盖尔曼和他的以色列同事Y • 尼曼在1960年提出来的。就像元素周期表一样，元素能够根据它的基本原子结构来解释，强子模式也可以按照它们的最基本粒子即目前知道的夸克来解释。该模型就是今天所知的标准模型，有3代不同的夸克和轻子，而每代夸克或轻子又含有成对粒子，全部组成了6个夸克和6个轻子，标准模型同时还需要12个带力的粒子。

超越标准模型

标准模型的一个麻烦问题是大约有20个参数必须“适应”或调整到和实验数据相符，而不能从第一原理中可推导出来，这些量甚至还包括了像电子质量等一类最基本的量。这种任意性使物理学家们很不满意。所以他们正在寻找一种更普遍适用的理论，从这一理论中，这些基本数值能如同用麦克斯威尔方程组给出光速数值那样相同的方法来推导。

在杨-米切尔量子场理论中的对称具体化是理论物理学家们捕捉GUT的主要线索。对称次序越高，存在的粒子也越多：1个光子，4个带电弱力的载体，8个胶子等。超过这些甚至次序更高的对称，会预测到还有新的至今仍没有发现的粒子。

称为超对称理论（Supersymmetry SUSY）—个主要的方法预测了每一个所知粒子均存在着一个新的超对称粒子或称为超子（Sparticles）。但是至今没有一个这种超对称粒子或超子被检测到。另一个新提出的GUT认为，轻子和夸克包括它们之间的相互作用是有联系的，并且能相互转换成两种粒子。这个理论的一个结论是，当其中夸克本身转换成轻子时，质子能衰变。这意味着作为我们今天所知道的所有物质最终均是不稳定的，试图检出到质子的衰变至今没有成功，这也表明，如果质子完全衰变，它们的半衰期至少长达1032年。

检定特征性粒子的失败，SUSY的相互作用以及提出另一个GUT理论，这些均不是怀疑这些理论的唯一原因。在他们计算某些特别事件的结果时，通常的方法是考虑全部事件可能发生的方法，然后一个一个地计算增加的贡献，但是这经常得到看起来似乎是不可能的结果，像无意义空间的能量达到无穷大值。另外还有一个引力的困难。GUT的理论仅仅处理已知粒子的相互作用，他们试图最终也不包括引力。

爱因斯坦的广义相对论又能够如何呢？可否用它的连续的空间-时间几何学，将非连续的量子场理论也包括进去呢？有一种方法声称能够一举解决这一难题，这就是称之为超弦的理论。

标准模型在处理轻子、夸克和带力的玻色子时，全部把它们看作像点一样的不同的基本粒子，相反在弦理论中，它们全部是由同样的基本构架的弦扩展推导而来。在这种模型中，我们所看到的它们之间的差别，像电子和中子，或上夸克和下夸克，就是说是由于其中弦的振动方式不同而已，正如一把吉他的不同波长的弦所发射出的声音存在着不同的和声，正因为存在着无穷数目的振动模式，所以原则上也可能存在无穷数目的粒子——仅仅少数能够被观察到，是因为其余的均涉及到很高的能量。

我们用吉他的弦还能描绘出另外一种相似性。正如音乐的和声生成了有规律的数学模式，并以一种有规律方法来增加频率，所以粒子也可生成一种模式，尽管是一种更复杂的模式。和声的模式来源于弦的一维特征，和它的尾端固定。弦理论中粒子之间的复杂对称和它们的相互作用均需要有更多的维，在这方面弦理论又回到了卡鲁扎的想法。如果宇宙有10维，而不是空间-时间的四维，那么所有杨-米切尔场理论的对称性能会合并到单一的自洽的GUT，并且不会在那儿结束。弦理论的一个特性就是实际上它预言了广义相对论的方程。

另外一个有希望的迹象是在低能领域，弦理论表现出如早先GUT的超对称性（这里命名为超弦），并预言了超粒子的存在。这一重要性是因为弦理论的大部分预言所涉及到的能量是如此之高，以至于我们不可能用目前检出它们的方法来做实验。不过预测超粒子的质量大约是质子的100到1000倍，这意味着用目前的加速器我们能够检测到它们，例如用将于2005年前后起动的CERN的大型强子对撞机。

一次信任的飞跃

如果超弦理论是正确的话，它提出了一个使物理学本质很尴尬的问题。由弦组成的宇宙的10维中的6个是卷曲成一个很小的圆环（技术术语是Compactified），不会超过普朗克长度，即比原子核的直径还要小1020倍，这就是为什么我们正好看到三维空间和一维时间。但同时也对实验物理学提出了一个问题。我们从来没有预测到可以通过实验来探索这些Compactified，因为做这种实验要涉及到不可想象那么高的能量。

所以这样一个既奇异又主要不能够检定的理论，为什么会对理论物理学产生这类影响呢？这是唯一的一个能避免GUT产生无穷大的理论，这也是唯一一个能够强迫使维数有一定控制的（该理论只能在10维或26维情况下工作）理论，这也是唯一一个不把引力排除在外的理论，这也是唯一一个能应付量子理论对空间-时间有效应的理论，其中需要在最小的空间-时间几何学范围内——必须有内在的不确定性——用一个光谱上连续的广义相对论在奇点预测。也许超弦理论吸引人的地方是完全对称能够产生我们在粒子物理学中所看到的所有模式之间的关系和我们所相信的普通世界。下降趋势是由于数学上碰到难以克服的困难，至今没有人能用该理论导出任何基本的性质，如同用第一原理导出电子的质量。

我们正在接近这样一个时期，即最强有力的物理理论必须具有它内部固有的完美和协调一致的优点，而非它们和实验结果完全一致。当然现在还不是这样。正因为相信了自然界内部的对称性和简洁性，激励了法拉第、爱因斯坦和费尔曼，以及其他在统一场理论上不断进取的科学家。

如果今天最大的希望实现了，弦理论或另一个正在竞争的理论，作为真正的TOE出现了。那么接下去会是什么呢？它会给我们一个预测任何事情或万物的工具么？从粒子之间的相互作用一直到宇宙的演化，很可能这个物理宇宙的两个极端现象会帮助我们，因为它们大部分取决于基本力之间的相互影响。但这会是中等水平的小帮助，就像化学和生物学，此处我们会发现，这就是会对我们日常生活带来最直接影响的事物。

 [New Scientist，1999年2月20日]