大統(tǒng)一理論、統(tǒng)一場(chǎng)論、終極理論、萬(wàn)物至理、萬(wàn)有理論這些詞指的其實(shí)是同一個(gè)理論——多年來(lái)，物理學(xué)家一直試圖用它描述目前人類(lèi)已知的全部粒子和作用力。

對(duì)一些物理學(xué)家而言，這是他們研究領(lǐng)域中的“圣地”。他們深信，總有一天這些假說(shuō)將得到證實(shí)：物質(zhì)都是由非常細(xì)小的、振動(dòng)的弦構(gòu)成；三維之外還有額外的空間維度；當(dāng)被足夠近地觀察時(shí)，空間與時(shí)間呈現(xiàn)出斑駁且離散的狀態(tài)，不再光滑而連續(xù)。
對(duì)另一些物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，大統(tǒng)一理論就像美國(guó)小說(shuō)《白鯨》中的那頭白鯨一樣，是一個(gè)若隱若現(xiàn)，或者根本就是子虛烏有的獵物。法國(guó)理論物理中心的理論物理學(xué)家卡洛·羅韋利說(shuō)：“在我看來(lái)，對(duì)所謂萬(wàn)物統(tǒng)一理論的追尋，肯定是徒勞無(wú)功、一無(wú)所獲的?！?br>丹麥奧胡斯大學(xué)的物理學(xué)史專(zhuān)家黑爾格·克拉格道出了更基本的問(wèn)題：假如我們真的發(fā)現(xiàn)了合適的理論，而且我們的智力也足以理解它，那是否意味著大功告成了呢？他認(rèn)為：“我們無(wú)法就某一理論是否是終極理論做出任何斷言?！?br>另一方面，現(xiàn)有的物理理論盡管不能說(shuō)是盡善盡美，但是它們對(duì)改變?nèi)祟?lèi)生活的那些技術(shù)和創(chuàng)新起到了顯而易見(jiàn)的支撐作用。因此，更實(shí)際的問(wèn)題或許是：大統(tǒng)一理論有什么用？

統(tǒng)一就是力量
至少?gòu)呐ｎD時(shí)代開(kāi)始，統(tǒng)一就是物理學(xué)前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)17世紀(jì)60年代的天文學(xué)家而言，天體的運(yùn)動(dòng)有很多難以理解的秘密。仰望星空，為什么某些星光始終固定在一個(gè)地方，夜夜相循，而其他一些星光卻穿越其間，游走蒼穹？倫敦大瘟疫期間避居林肯郡偏僻一角的牛頓獨(dú)具慧眼，經(jīng)過(guò)艱苦的思索和研究，想到了一個(gè)答案。推動(dòng)行星和恒星之力，就是讓物體沉墜地面之力，這個(gè)力普遍存在于任意兩個(gè)物體之間，只與它們的質(zhì)量和距離有關(guān)。一旦領(lǐng)悟到這一點(diǎn)，天體運(yùn)動(dòng)的秘密就一目了然了：這不過(guò)是地球附近的行星受太陽(yáng)的引力以不同速率穿行天際，而恒星由于距離遙遠(yuǎn)而顯得固定不動(dòng)罷了。
牛頓的洞察將天界和人間統(tǒng)一起來(lái)，而在此之前，天界和人間被認(rèn)為是水火不相容的。牛頓那套簡(jiǎn)潔普適的方程，不僅讓工程師得以計(jì)算工業(yè)革命賴(lài)以發(fā)生的各種力和力矩，還給后來(lái)一代又一代物理學(xué)家構(gòu)筑起一座神圣的殿堂，為現(xiàn)代物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。
在牛頓開(kāi)風(fēng)氣之先200多年后，麥克斯韋實(shí)現(xiàn)了第二次革命性的大綜合。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋證明了電和磁實(shí)際上是同一種基本相互作用（電磁力）的兩個(gè)方面。他還列出了表達(dá)電磁基本定律的麥克斯韋方程組，因此聞名于世。這個(gè)方程組表明，光就是一種電磁波。這個(gè)思想的火花點(diǎn)亮了我們所生活的電氣時(shí)代，從廣播、電視到智能手機(jī)無(wú)不依賴(lài)它而產(chǎn)生。
大統(tǒng)一理論正試圖延續(xù)上兩次大綜合。目前，科學(xué)家認(rèn)為微觀粒子之間僅存在4種相互作用力，它們分別是萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力。宇宙間所有現(xiàn)象都可以用這4種作用力來(lái)解釋。
首先是萬(wàn)有引力，即牛頓描述的任何有質(zhì)量的物體之間的相互吸引力。牛頓發(fā)現(xiàn)，所有東西一旦失去支撐必然會(huì)下墜，繼而發(fā)現(xiàn)任何兩個(gè)物體之間都存在吸引力，而這個(gè)力與距離的平方成反比。這就是萬(wàn)有引力定律。接下來(lái)是麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的電磁力。這是帶電荷粒子或具有磁矩的粒子通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞著相互之間的作用。所有的“接觸”力都來(lái)自電磁力。比如，為什么在地球吸引之下，我們不會(huì)穿透地面遁入地下呢？這是因?yàn)樾缀偷孛嬷g的電磁相互作用時(shí)刻支撐著我們。還有兩種力在亞原子尺度下起作用：強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。強(qiáng)相互作用力將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起成為原子核。弱相互作用力掌控著諸如輻射衰變這樣的過(guò)程。
所謂大統(tǒng)一理論，就是要證明所有這4種力都是同一種力的不同表現(xiàn)形式而已。雖然大統(tǒng)一理論還沒(méi)有成功，可是建立大統(tǒng)一理論的思想?yún)s始終吸引著成千上萬(wàn)的物理學(xué)家為之前赴后繼。

開(kāi)啟蟲(chóng)洞
1967年，距離麥克斯韋時(shí)代又過(guò)去了一個(gè)世紀(jì)，理論物理學(xué)家史蒂文·溫伯格、穆罕默德·阿卜杜勒·薩拉姆和謝爾登·格拉肖向大統(tǒng)一理論邁出了第一步。他們證明，在相當(dāng)于宇宙誕生后頭十億分之一秒的極高能量條件下，電磁力和弱相互作用力會(huì)結(jié)合成弱電力。
盡管直到今天，還沒(méi)人令人信服地完成強(qiáng)相互作用力和弱電力的統(tǒng)一，但這兩者很好地協(xié)調(diào)在一起，構(gòu)成了基本粒子理論的標(biāo)準(zhǔn)模型，并且較好地解釋了從夸克到希格斯粒子這樣的基本粒子是如何相互作用的。
然而，引力仍然像一個(gè)問(wèn)題少年般游離在外。我們今天對(duì)引力最好的理解來(lái)自愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論中，引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性，而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量-動(dòng)量張量直接聯(lián)系，其聯(lián)系方式就是愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程。
但是，廣義相對(duì)論需要一個(gè)光滑的時(shí)空，這與弱電力和強(qiáng)相互作用力這樣的量子作用所要求的概率化的粗糙的時(shí)空背景形成了矛盾。結(jié)果就是，兩者各自為政，量子理論統(tǒng)治著諸如粒子相互作用這樣的微觀現(xiàn)象，而恒星和星系這樣的宏觀物體都?xì)w引力方程管轄。
要是這一大一小兩極相遇，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？美國(guó)哈佛大學(xué)的馬特·斯特拉斯勒認(rèn)為：“既然只有一個(gè)自然存在，那么宏觀與微觀應(yīng)該形成一個(gè)融洽的整體；但是，有時(shí)同時(shí)運(yùn)用這兩套方程，會(huì)產(chǎn)生一些矛盾?！北热绾诙?，質(zhì)量極其巨大，體積卻十分微小。再比如，在時(shí)間的開(kāi)端，茫茫宇宙的質(zhì)量和能量都集于毫末之中。這些都是極微觀尺度下的宏觀質(zhì)量，它們到底算至大還是極小，該用引力方程解釋還是用量子理論解釋呢？
物理學(xué)家提出了很多候選理論，嘗試將量子理論和引力統(tǒng)一起來(lái)。與牛頓統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)定律或麥克斯韋的電磁合體不同，未來(lái)的大統(tǒng)一理論似乎不太可能給人類(lèi)的技術(shù)帶來(lái)立竿見(jiàn)影的變革。
美國(guó)紐約城市大學(xué)的物理學(xué)家和未來(lái)學(xué)家加來(lái)道雄指出，牛頓和麥克斯韋的理論都適用于日常生活，而4種基本作用力只有在比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的碰撞能量還要高1000萬(wàn)億倍的情況下才能夠統(tǒng)一。他認(rèn)為，也許要等10萬(wàn)年后，人類(lèi)才可能建造出如此強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)，逼近這一能量。更何況，這樣的裝置可能有整個(gè)太陽(yáng)系那么大。
加來(lái)道雄說(shuō)，如果未來(lái)的人類(lèi)能產(chǎn)生并控制如此高的能量，他們毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)創(chuàng)造出更加豐富的技術(shù)可能性，甚至有可能開(kāi)始操控時(shí)間和空間。這樣一來(lái)，人類(lèi)就有可能開(kāi)啟蟲(chóng)洞，穿越遙遠(yuǎn)的時(shí)空。這些設(shè)想中的管道會(huì)從時(shí)空結(jié)構(gòu)的量子漲落中生發(fā)出來(lái)，然后又像它們出現(xiàn)時(shí)那樣迅速關(guān)閉。要想弄清楚如何將它們支撐起來(lái)成為一個(gè)穩(wěn)定的通道，就需要有新的理論，將小尺度上碎裂的量子理論和大尺度上光滑的廣義相對(duì)論巧妙地融合起來(lái)。這正是大統(tǒng)一理論的用武之地。
（本文編譯者陳夕朦為首都師范大學(xué)物理系研究生，王洪鵬為中國(guó)科技館工程師。）