正如在第一章中所解釋的，一蹴而就地建立一個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，我們在尋求描述有限范圍事件的部分理論上取得了進步，這時我們忽略了其他效應，或者將它們用一定的數(shù)字來近似表示（例如，化學允許我們計算原子間的相互作用時，可以不管原子核內部的結構）。然而，最終人們希望找到一個完備的協(xié)調的，將所有這些部分理論當作它的近似的統(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。尋找這樣的一個理論被稱之為“物理學的統(tǒng)一”。愛因斯坦用他晚年的大部分時間尋求一個統(tǒng)一理論，但是沒有成功。

    因為盡管已有了引力和電磁力的部分理論，但關于核力還知道得非常少，所以時機還沒成熟。并且，盡管他本人對量子力學的發(fā)展起過重要的作用，但他拒絕相信它的真實性。

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

    正如我將描述的，由于我們對宇宙知道得這么多，現(xiàn)在找到這樣的一個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――我們在過去有過對成功的錯誤的期望！例如，在本世紀初，曾經以為任何東西都可以按照諸如彈性和熱傳導之類的連續(xù)物質的性質予以解釋。原子結構和不確定性原理的發(fā)現(xiàn)使之徹底破產。然后又有一次，1928年物理學家諾貝爾獎獲得者馬克斯?玻恩告訴一群來格丁根大學的訪問者：“據(jù)我們所知，物理學將在6個月之內結束?！彼男判氖腔诘依诵陆l(fā)現(xiàn)的能夠制約電子的方程。人們認為質子――這個當時僅知的另一種粒子――服從類似的方程，并且那將會是理論物理的終結。

    然而，中子和核力的發(fā)現(xiàn)對此又是當頭一棒。盡管講到這些，仍然有理由謹慎地樂觀，我們現(xiàn)在也許已經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論和制約弱力、強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）。這個理論并不令人非常滿意，因為它沒有包括引力，并且因為包含不能從理論預言，而必須人為選擇以和觀測符合的一些量，譬如不同粒子的相對質量，等等。要找到一個將引力和其他力統(tǒng)一的理論，主要困難在于廣義相對論是一個“經典”理論；也就是說，它沒有將量子力學的不確定性原理結合進去。另一方面，其他的部分理論卻以非常基本的形式依賴于量子力學。因此，第一步必須將廣義相對論和量子力學結合在一起。正如我們已經看到的，這能產生一些顯著的推論，例如黑洞不是黑的，宇宙沒有任何奇點，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，這些粒子對似應具有無限的能量，并且由愛因斯坦的著名方程E=mc2得知，這些粒子似應具有無限的質量。這樣，它們的引力的吸引就會將宇宙卷曲到無限小的尺度。

    相當類似地，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。雖然這個技巧在數(shù)學上頗令人懷疑，而在實際上似乎確實行得通，并用來和這些理論一起作出預言，這些預言極其精確地和觀測一致。然而，從企圖找到一個完備理論的觀點看，由于不能從理論中預言，而相反的為了適合觀測，必須選擇質量和力的強度的實際值，因此重正化確實具有一個嚴重的缺陷。

    在試圖將不確定性原理結合到廣義相對論時，人們只有兩個可以調整的量：引力強度和宇宙常數(shù)的值。但是調整它們不足以消除所有的無限大。因此，人們得到一個理論，它似乎預言了諸如時空的曲率的某些量真的無限大，但是觀察和測量表明它們地地道道是有限的！人們對這個結合廣義相對論和不確定性原理的問題懷疑了許久，直到1972年才被仔細地計算最后確證。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的新粒子結合在一起。在某種意義上，所有這些粒子可認為是同一“超粒子”的不同側面。這樣就將自旋為1/2和3/2的物質粒子和自旋為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具有負能量，因此抵消了自旋為2、1和0的虛的粒子對的正能量。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，這計算是如此之冗長和困難，以至于沒人準備著手去進行。即使使用一個計算機，預料至少要用4年工夫，而且犯至少一個或更多錯誤的機會是非常大的。這樣，只有其他人重復計算，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，大多數(shù)科學家仍然相信，超引力可能是對于物理學統(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，基本的對象不再是只占空間單獨的點的粒子，而是只有長度而沒有其他維，像是一根無限細的弦這樣的東西。這些弦可以有端點（所謂的開弦），或它們可以自身首尾相接成閉合的圈子（閉弦）。一個粒子在每一時刻占據(jù)空間的一點。這樣，它的歷史可以在時空中用一根線代表（“世界線”）。另一方面，一根弦在每一時刻占據(jù)空間的一根線。這樣它在時空里的歷史是一個叫做世界片的二維面。（在這世界片上的任一點都可用兩個數(shù)來描述：一個指明時間，另一個指明這一點在弦上的位置）。一根開弦的世界片是一條帶子：它的邊緣代表弦的端點通過時空的路徑。一根閉弦的世界片是一個圓柱或一個管：一個管的截面是一個圈，它代表在一特定時刻的弦的位置。

    兩根弦可以連接在一起，形成一根單獨的弦；在開弦的情形下只要將它們的端點連在一起即可。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，如同振動著的風箏的弦上的波動。一個粒子從另一個粒子發(fā)射出來或者被吸收，對應于弦的分解和合并。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，這個過程對應于一個H形狀的管（在某種方面，弦理論有點像管道工程）。H的兩個垂直的邊對應于太陽和地球上的粒子，而水平的橫杠對應于在它們之間旅行的引力子。

    弦理論有一個古怪的歷史。它原先是60年代后期被發(fā)明出來，以試圖找到一個描述強力的理論。其思想是，諸如質子和中子這樣的粒子可被認為是一根弦上的波動。這些粒子之間的強力對應于連接其他一些弦之間的弦的片短，正如在蜘蛛網中一樣。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力的觀察值。

    1974年，巴黎的朱勒?謝爾克和加州理工學院的約翰?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0）。在通常尺度下，弦理論和廣義相對論的預言是相同的，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0除）更小時，它們就不一樣了。

    然而，他們的工作并沒有引起很大的注意，因為大約正是那時候，大多數(shù)人拋棄了原先的強作用力的弦理論，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)在設想的弦張力要大得多而已。

    1984年，由于兩個明顯的原因，人們對弦理論的興趣突然復活。一個原因是，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展。

    另一個原因是，約翰?施瓦茲和倫敦瑪麗皇后學院的邁克?格林發(fā)表的一篇論文指出，弦理論可以解釋內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到的粒子類型。

    弦理論也導致無限大，但是人們認為，它們在一些像雜化弦的形式中會被消除掉（雖然這一點還沒被確認）。然而，弦理論有更大的問題：似乎時空是十維或二十六維，而不是通常的四維時它們才是協(xié)調的！當然，額外的時空維的確是科學幻想的老生常談；它們提供了克服廣義相對論的通常限制的理想方法，即人們不能行進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。想像我們生活的空間只有二維，并且彎曲成像一個錨圈或環(huán)的表面。如果你處在這環(huán)的內側的一邊，而要跨過環(huán)到另一側的一點去，你必須沿著環(huán)的內邊緣上的圓圈走，直到目標點。然而，你如果允許在第三維空問里旅行，你可以直接穿過去。