正如在第一章中所解釋的，一蹴而就地建立一個(gè)包括宇宙中萬物的完備統(tǒng)一理論是非常困難的。取而代之，我們?cè)趯で竺枋鲇邢薹秶录牟糠掷碚撋先〉昧诉M(jìn)步，這時(shí)我們忽略了其他效應(yīng)，或者將它們用一定的數(shù)字來近似表示（例如，化學(xué)允許我們計(jì)算原子間的相互作用時(shí)，可以不管原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)）。然而，最終人們希望找到一個(gè)完備的協(xié)調(diào)的，將所有這些部分理論當(dāng)作它的近似的統(tǒng)一理論。在這理論中不需要為某些任意數(shù)選值去符合事實(shí)。尋找這樣的一個(gè)理論被稱之為“物理學(xué)的統(tǒng)一”。愛因斯坦用他晚年的大部分時(shí)間尋求一個(gè)統(tǒng)一理論，但是沒有成功。

    因?yàn)楸M管已有了引力和電磁力的部分理論，但關(guān)于核力還知道得非常少，所以時(shí)機(jī)還沒成熟。并且，盡管他本人對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展起過重要的作用，但他拒絕相信它的真實(shí)性。

    但是，不確定性原理似乎還是我們生活其中的宇宙的一個(gè)基本特征。因此，一個(gè)成功的統(tǒng)一理論必須將這個(gè)原理結(jié)合進(jìn)去。

    正如我將描述的，由于我們對(duì)宇宙知道得這么多，現(xiàn)在找到這樣的一個(gè)理論的前景似乎是好得多了。但是我們必須小心，不要過分自信――我們?cè)谶^去有過對(duì)成功的錯(cuò)誤的期望！例如，在本世紀(jì)初，曾經(jīng)以為任何東西都可以按照諸如彈性和熱傳導(dǎo)之類的連續(xù)物質(zhì)的性質(zhì)予以解釋。原子結(jié)構(gòu)和不確定性原理的發(fā)現(xiàn)使之徹底破產(chǎn)。然后又有一次，1928年物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者馬克斯?玻恩告訴一群來格丁根大學(xué)的訪問者：“據(jù)我們所知，物理學(xué)將在6個(gè)月之內(nèi)結(jié)束?！彼男判氖腔诘依诵陆l(fā)現(xiàn)的能夠制約電子的方程。人們認(rèn)為質(zhì)子――這個(gè)當(dāng)時(shí)僅知的另一種粒子――服從類似的方程，并且那將會(huì)是理論物理的終結(jié)。

    然而，中子和核力的發(fā)現(xiàn)對(duì)此又是當(dāng)頭一棒。盡管講到這些，仍然有理由謹(jǐn)慎地樂觀，我們現(xiàn)在也許已經(jīng)接近探索自然終極定律的尾聲。

    在前幾章中，我描述了引力的部分理論即廣義相對(duì)論和制約弱力、強(qiáng)力和電磁力的部分理論。這后三種理論可以合并成為所謂的大統(tǒng)一理論（GUT）。這個(gè)理論并不令人非常滿意，因?yàn)樗鼪]有包括引力，并且因?yàn)榘荒軓睦碚擃A(yù)言，而必須人為選擇以和觀測(cè)符合的一些量，譬如不同粒子的相對(duì)質(zhì)量，等等。要找到一個(gè)將引力和其他力統(tǒng)一的理論，主要困難在于廣義相對(duì)論是一個(gè)“經(jīng)典”理論；也就是說，它沒有將量子力學(xué)的不確定性原理結(jié)合進(jìn)去。另一方面，其他的部分理論卻以非?；镜男问揭蕾囉诹孔恿W(xué)。因此，第一步必須將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起。正如我們已經(jīng)看到的，這能產(chǎn)生一些顯著的推論，例如黑洞不是黑的，宇宙沒有任何奇點(diǎn)，是完全自足的并且沒有邊界。正如第七章解釋的，麻煩在于，不確定性原理意味著甚至“空虛的”空間也充滿了虛的粒子和反粒子對(duì)，這些粒子對(duì)似應(yīng)具有無限的能量，并且由愛因斯坦的著名方程E=mc2得知，這些粒子似應(yīng)具有無限的質(zhì)量。這樣，它們的引力的吸引就會(huì)將宇宙卷曲到無限小的尺度。

    相當(dāng)類似地，在其他部分理論中也發(fā)生似乎荒謬的無限大。但是，所有這些情形下的無限大都可用稱作重正化的過程消除掉。這牽涉到引入其他的無限大去消除這些無限大。雖然這個(gè)技巧在數(shù)學(xué)上頗令人懷疑，而在實(shí)際上似乎確實(shí)行得通，并用來和這些理論一起作出預(yù)言，這些預(yù)言極其精確地和觀測(cè)一致。然而，從企圖找到一個(gè)完備理論的觀點(diǎn)看，由于不能從理論中預(yù)言，而相反的為了適合觀測(cè)，必須選擇質(zhì)量和力的強(qiáng)度的實(shí)際值，因此重正化確實(shí)具有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷。

    在試圖將不確定性原理結(jié)合到廣義相對(duì)論時(shí)，人們只有兩個(gè)可以調(diào)整的量：引力強(qiáng)度和宇宙常數(shù)的值。但是調(diào)整它們不足以消除所有的無限大。因此，人們得到一個(gè)理論，它似乎預(yù)言了諸如時(shí)空的曲率的某些量真的無限大，但是觀察和測(cè)量表明它們地地道道是有限的！人們對(duì)這個(gè)結(jié)合廣義相對(duì)論和不確定性原理的問題懷疑了許久，直到1972年才被仔細(xì)地計(jì)算最后確證。4年之后，人們提出了一種叫做“超引力”的可能的解答。它的思想是將攜帶引力的自旋為2稱為引力子的粒子和某些其他具有自旋為3的新粒子結(jié)合在一起。在某種意義上，所有這些粒子可認(rèn)為是同一“超粒子”的不同側(cè)面。這樣就將自旋為1/2和3/2的物質(zhì)粒子和自旋為0、1和2的攜帶力的粒子統(tǒng)一起來了。自旋1/2和3/2的虛的粒子反粒子對(duì)具有負(fù)能量，因此抵消了自旋為2、1和0的虛的粒子對(duì)的正能量。這就使得許多可能的無限大被抵消掉，但是人們懷疑，可能仍然保留了某些無限大。人們需要找出是否還遺存下未被抵消的無限大。然而，這計(jì)算是如此之冗長和困難，以至于沒人準(zhǔn)備著手去進(jìn)行。即使使用一個(gè)計(jì)算機(jī)，預(yù)料至少要用4年工夫，而且犯至少一個(gè)或更多錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)是非常大的。這樣，只有其他人重復(fù)計(jì)算，并得到同樣的答案，人們才能判斷已取得了正確的答案，但這似乎是不太可能的！

    盡管這些問題，盡管超引力理論中的粒子似乎與觀察到的粒子不相符合的這一事實(shí)，大多數(shù)科學(xué)家仍然相信，超引力可能是對(duì)于物理學(xué)統(tǒng)一問題的正確答案?？磥硭菍⒁推渌ο嘟y(tǒng)一起來的最好辦法。然而，1984年人們的看法發(fā)生了顯著的改變，他們更喜歡所謂的弦理論。在這些理論中，基本的對(duì)象不再是只占空間單獨(dú)的點(diǎn)的粒子，而是只有長度而沒有其他維，像是一根無限細(xì)的弦這樣的東西。這些弦可以有端點(diǎn)（所謂的開弦），或它們可以自身首尾相接成閉合的圈子（閉弦）。一個(gè)粒子在每一時(shí)刻占據(jù)空間的一點(diǎn)。這樣，它的歷史可以在時(shí)空中用一根線代表（“世界線”）。另一方面，一根弦在每一時(shí)刻占據(jù)空間的一根線。這樣它在時(shí)空里的歷史是一個(gè)叫做世界片的二維面。（在這世界片上的任一點(diǎn)都可用兩個(gè)數(shù)來描述：一個(gè)指明時(shí)間，另一個(gè)指明這一點(diǎn)在弦上的位置）。一根開弦的世界片是一條帶子：它的邊緣代表弦的端點(diǎn)通過時(shí)空的路徑。一根閉弦的世界片是一個(gè)圓柱或一個(gè)管：一個(gè)管的截面是一個(gè)圈，它代表在一特定時(shí)刻的弦的位置。

    兩根弦可以連接在一起，形成一根單獨(dú)的弦；在開弦的情形下只要將它們的端點(diǎn)連在一起即可。在閉弦的情形下，像是兩條褲腿合并成一條褲子。類似地，一根單獨(dú)的弦可以分成兩根弦。在弦理論中，原先以為是粒子的東西，現(xiàn)在被描繪成在弦里旅行的波動(dòng)，如同振動(dòng)著的風(fēng)箏的弦上的波動(dòng)。一個(gè)粒子從另一個(gè)粒子發(fā)射出來或者被吸收，對(duì)應(yīng)于弦的分解和合并。例如，太陽作用到地球上的引力，在粒子理論中被描述成由太陽上的粒子發(fā)射出并被地球上的粒子吸收的引力子。在弦理論中，這個(gè)過程對(duì)應(yīng)于一個(gè)H形狀的管（在某種方面，弦理論有點(diǎn)像管道工程）。H的兩個(gè)垂直的邊對(duì)應(yīng)于太陽和地球上的粒子，而水平的橫杠對(duì)應(yīng)于在它們之間旅行的引力子。

    弦理論有一個(gè)古怪的歷史。它原先是60年代后期被發(fā)明出來，以試圖找到一個(gè)描述強(qiáng)力的理論。其思想是，諸如質(zhì)子和中子這樣的粒子可被認(rèn)為是一根弦上的波動(dòng)。這些粒子之間的強(qiáng)力對(duì)應(yīng)于連接其他一些弦之間的弦的片短，正如在蜘蛛網(wǎng)中一樣。這弦必須像具有大約10噸拉力的橡皮帶，才能使這理論給出粒子之間強(qiáng)力的觀察值。

    1974年，巴黎的朱勒?謝爾克和加州理工學(xué)院的約翰?施瓦茲發(fā)表了一篇論文，指出弦理論可以描述引力，只不過其張力要大得多，大約是1000萬億億億億噸（1后面跟39個(gè)0）。在通常尺度下，弦理論和廣義相對(duì)論的預(yù)言是相同的，但在非常小的尺度下，比十億億億億分之一厘米（1厘米被1后面跟33個(gè)0除）更小時(shí)，它們就不一樣了。

    然而，他們的工作并沒有引起很大的注意，因?yàn)榇蠹s正是那時(shí)候，大多數(shù)人拋棄了原先的強(qiáng)作用力的弦理論，而傾心于基于夸克和膠子的理論，后者似乎和觀測(cè)符合得更好。謝爾克死得很慘（他受糖尿病折磨，在周圍沒人給他注射胰島素時(shí)昏迷死去）。這樣一來，施瓦茲幾乎成為弦理論的惟一支持者，只不過現(xiàn)在設(shè)想的弦張力要大得多而已。

    1984年，由于兩個(gè)明顯的原因，人們對(duì)弦理論的興趣突然復(fù)活。一個(gè)原因是，在證明超引力是有限的以及解釋我們觀察到的粒子的種類方面，人們未能真正取得進(jìn)展。

    另一個(gè)原因是，約翰?施瓦茲和倫敦瑪麗皇后學(xué)院的邁克?格林發(fā)表的一篇論文指出，弦理論可以解釋內(nèi)稟的左手征性的粒子存在，正如我們觀察到的一些粒子那樣。不管什么原因，大量的人很快開始作弦理論的研究，而且發(fā)展了稱之為雜化弦的新形式，這種形式似乎能夠解釋我們觀測(cè)到的粒子類型。

    弦理論也導(dǎo)致無限大，但是人們認(rèn)為，它們?cè)谝恍┫耠s化弦的形式中會(huì)被消除掉（雖然這一點(diǎn)還沒被確認(rèn)）。然而，弦理論有更大的問題：似乎時(shí)空是十維或二十六維，而不是通常的四維時(shí)它們才是協(xié)調(diào)的！當(dāng)然，額外的時(shí)空維的確是科學(xué)幻想的老生常談；它們提供了克服廣義相對(duì)論的通常限制的理想方法，即人們不能行進(jìn)得比光更快或者旅行到過去的限制。其思想是穿過更高的維抄近路。你可用以下方法描繪這一點(diǎn)。想像我們生活的空間只有二維，并且彎曲成像一個(gè)錨圈或環(huán)的表面。如果你處在這環(huán)的內(nèi)側(cè)的一邊，而要跨過環(huán)到另一側(cè)的一點(diǎn)去，你必須沿著環(huán)的內(nèi)邊緣上的圓圈走，直到目標(biāo)點(diǎn)。然而，你如果允許在第三維空問里旅行，你可以直接穿過去。