人類還需要多久才能發現一個解釋宇宙萬物的“萬有理論”
物理學家想找到一個可以描述整個宇宙的理論，但在此之前，他們必須解決一些科學上最難解決的問題。
電影《萬有理論》講述了已故科學家史蒂芬·霍金的故事。在這部電影中，雖然大部分時間都在講述史蒂芬·霍金與其前妻簡的故事，但也擠出了一點兒時間解釋了一下霍金在物理學上都做了些什麼。
如果能夠找到萬有理論，那將是一項驚人的成就，可以使我們最終搞清宇宙中所有不可思議的、令人稱奇的事情。幾十年來，信心滿滿的物理學家一直都在説這一理論面世指日可待。那麼，我們是不是真的即將把所有事物都弄明白了？
從某種程度上説，我們必須拋開我們所處的這個世界的複雜性。“這些規則帶來的結果——我們所看到的發生在我們身邊的事情——遠比其本身要複雜，甚至可以説是無限複雜的。”巴羅説，“在幕後統治着所有這些的規則，卻可能很簡單。”
牛頓在花園中散步，看見一個蘋果從樹上掉下來
據説故事是這樣的：在牛頓23歲那年的一天，他正在花園中散步，看見一個蘋果從樹上掉下來。當時，這位物理學家已經朦朦朧朧地意識到地球能夠藉助重力的作用把物體拉下來。牛頓將這一想法做了進一步的提煉和昇華，認為引力“並不只是在距離地球一定的範圍內才有，這一力量必定還存在於遠遠超過我們通常認為的距離範圍”。根據牛頓晚年的助手康迪特的記錄，牛頓當時説過這樣一句話：“為什麼引力不會遠達月球呢？”
受此啓發，牛頓發現了萬有引力定律，不僅很好地解釋了蘋果為什麼會掉到地上，也很好地解釋了行星為什麼圍繞着太陽公轉。這兩個看似風馬牛不相及的問題，最終被證明遵循着同一個自然定律。
“當時的人們認為，牛頓已經將所有應該解決的問題全都解決了。”巴羅説，“牛頓取得的成就是空前的。”問題是，牛頓自己很清楚，他的工作是存在漏洞的。
例如，萬有引力不能解釋小天體是如何把自身團聚在一起的，因為它的引力強度不足以做到這一點。此外，雖然牛頓可以描述正在發生的事情，但他無法解釋這一切是如何發生的。牛頓的理論是不完整的。
還有一個更大的問題。雖然牛頓定律解釋了宇宙中的許多現象，但在某些案例中，物體的運動打破了他的定律。這種案例十分罕見，通常會涉及極限速度或者強大的引力，但它們的確存在。
其中之一就是水星的軌道，它是距離太陽最近的行星。由於大多數行星在圍繞太陽自轉的同時還進行着公轉，牛頓定律應該可以用來推算它們的自轉方式。然而，牛頓定律在水星身上不靈了。同樣奇怪的還有，水星的軌道是偏離中心的。牛頓的萬有引力定律並不適用於全宇宙，因此不是一個完全意義上的定律。
牛頓時代結束後，又過了兩個多世紀，愛因斯坦帶着他的廣義相對論來拯救現代物理學了。愛因斯坦的廣義相對論向人們展示了其對萬有引力更深層次的理解。
廣義相對論的核心觀點是，雖然時間和空間看上去風馬牛不相及，但實際上，它們是交織在一起的。空間有三個維度：長、寬、高，而宇宙中還有第4個維度，我們稱之為時間。這4個維度以一種巨大的宇宙面的形式被聯繫在一起。如果你曾經在科幻電影中聽到有人提及“時空連續統”，那麼他們説的就是它了。
愛因斯坦提出的偉大觀點就是，像行星一樣，真正稱得上很重的物體，或是運行速度真正稱得上很快的物體，可以扭曲時空。這有點兒像蹦牀：如果你在上面放一個重物，蹦牀的平面就會變形併發生彎曲凹陷，於是其周圍的所有物體都會向着這個重物處滾落。根據愛因斯坦的説法，這就是萬有引力將物體牽拉在一起的原因。
然而，儘管廣義相對論對水星軌道問題的解釋十分成功，但也並非萬有理論。正如牛頓的理論不適用於真正稱得上是巨大的物體一樣，愛因斯坦的理論也不適用於真正稱得上微小的事物。一旦你將目光轉向微觀世界，比如原子，就會發現物質的舉動真是十分怪異。
直到19世紀末期，人們一直認為原子就是物質結構的最小單位。“原子”一詞源自希臘語，意為“不可分割”。正如其所定義的那樣，人們當時認為原子是不能夠再分成更小粒子的粒子了。但是在19世紀70年代，科學家發現了質量只有原子1/2000的粒子。
通過在真空管中計量該粒子射線重量的方式，科學家發現這是一種不同尋常的射線，它是由帶負電的粒子形成的。這是人類第一次發現亞原子粒子：電子。在接下來的半個世紀裏，科學家發現，原子有一個核心，而電子圍繞該核心飛速旋轉。這一核心由中子和質子兩種類型的亞原子粒子構成，佔據了原子質量的絕大部分，中子不帶電荷，而質子帶正電荷。
但是事情並未結束。自那時開始，科學家就找到了將物質分得越來越小的方法，並不斷地重新定義着基本粒子的概念。到了20世紀60年代，科學家已經發現了幾十種基本粒子，並且列出了一份被戲稱為“粒子動物園”的長長的清單。
就我們今天的理解而言，在組成原子的三種粒子中，電子是唯一的基本粒子。中子和質子都可以被進一步分成更小的微型粒子，即夸克。
與支配大物體，如一棵樹或者一顆行星運行的定律相比，支配這些亞原子粒子運行的是一套迥然不同的定律，而這些新定律——基本不具備預測性——擾亂了整個物理學界。
你也許覺得這高深莫測並脱離實際，有這種感覺的人不只你一個。物理學家理查德·費曼是一位量子理論方面的專家，他曾經説過：“我可以非常有把握地説，沒人真正理解量子力學。”
愛因斯坦也被量子力學的模糊不清所困擾。“儘管愛因斯坦在別人的慫恿下嘗試理解量子力學，但他從未真正相信過量子理論。”巴羅説。
但問題是，量子理論與廣義相對論不能相互兼容，因此兩者不可能都是對的。廣義相對論告訴我們，物體的行為是能夠被準確預測的，而量子力學則告訴我們，你能知道的只是物體將要如何變化的可能性。
這意味着，到現在為止，還有一些事情是物理學家無法描述的。黑洞就是一個具體的例子。它是如此巨大，廣義相對論對它是適用的，但同時它又很小，量子力學對它同樣適用。
當然了，除非你接近一個黑洞，否則這種不兼容性並不會影響你的日常生活。但是，在20世紀的大部分時間裏，物理學家都被這種不兼容性所困擾。也正是這種不兼容性，驅使人們去尋找萬有理論。
他面臨的主要挑戰是將萬有引力與電磁力協調到一起。早在19世紀，物理學家已經得出結論，帶電粒子可以相互吸引或者相互排斥，這也是有些金屬能夠被磁鐵吸引的原因。這意味着在物質之間有兩種力可以發揮作用：一方面，它們之間可以通過萬有引力相互吸引，另一方面，也可以通過它們的電磁場相互吸引或排斥。
愛因斯坦想用統一場論把這兩種力結合在一起。為了做到這一點，他把他的時空維度擴展到了5個。愛因斯坦加上的這個第五維度很小，而且是捲曲的，我們無法看到它。但是這一做法根本沒用，愛因斯坦在這個問題上花費了30年，徒勞無功。到愛因斯坦1955年逝世時，他的統一場論仍未被證實。在隨後的10年中，在爭奪萬有理論寶座的賽場上，統一場論最強勁的對手出現了，它就是弦理論。
弦理論背後的理念簡單得出奇。這個世界的基本組成部分，比如電子，實際上根本就不是粒子，而是小“環”或者説是小“弦”。這些弦是如此之小，所以看上去僅僅是一個點。就如同吉他上的弦，這些弦環也是有張力的。這就意味着它們也會以不同的頻率振動，頻率的大小視它們的大小而定。
這些振動決定了每一個弦看上去是什麼種類的粒子。一個弦以某種方式振動，你看到的就是一個電子；當這個弦以另外一種方式振動時，你看到的就不再是電子，而是其他粒子了。“人類在20世紀發現的所有粒子，實際上都是同一種弦，只不過它們振動的方式不同罷了”。
也許人們無法一眼就看出為什麼弦理論是個好主意，但是它似乎搞清了在自然界中起作用的所有的力：萬有引力和電磁力，還要加上人們在20世紀才發現的兩種力——弱核力和強核力。
人們第一次為廣義相對論和量子力學找到了共同點
強核力和弱核力只在微小的原子核內起作用，這也是人們花費了如此長的時間才注意到它們的原因。強核力將原子核結合在一起。弱核力通常無所事事，但如果弱核力變得足夠強大了，就會造成原子核的分裂。這就是有些原子有放射性的原因。
任何萬有理論都必須能夠解釋這四種力。幸運的是，兩種核力和電磁力已經被量子力學解決了。每一種力都是由一種專門的粒子來實現的，但沒有一種粒子可以實現萬有引力。有些科學家認為存在這種粒子，他們將其稱為引力子。引力子必須沒有質量，以一種特定的方式旋轉，並且可以以光速傳播。不幸的是，至今尚未找到過它。
這正是弦理論的由來。弦理論中描述的弦看上去正如一個引力子：弦以一種適當的方式旋轉，沒有質量，並且以光速傳播。弦理論第一次為廣義相對論和量子力學找到了共同點。因此，在20世紀80年代中期，物理學家對弦理論都極感興趣。巴羅説：“1985年，我們意識到弦理論解決了近50年來人們一直致力解決的一大堆問題。”
維度才可以做到這一點，這與我們在地球上能夠看到的三維相去甚遠。
“對此我們只能調和着來説，在我們的世界中，我們只能看到向外擴展的三個維度。”巴羅説，“其他的維度其實就在那裏，只是對我們來説它們都小得非同尋常，以至於我們無法察覺到。”
圈量子引力告訴我們，時空實際上是分成很多小塊的
由於弦理論存在着種種問題，許多科學家並不信服弦理論。一些科學家已經轉而研究另一種理論：圈量子引力理論。圈量子引力論並不試圖將粒子物理學整合在一起，以打造一種包羅萬象的理論，而是試圖為萬有引力找到一種量子解釋。圈量子引力理論比弦理論的侷限性更大，但也並非一無是處。
圈量子引力理論認為時空實際上是分成小塊的。當你將畫面拉遠，它似乎是一個平滑的表面，但當你將畫面拉近的時候，它就變成了一堆由線或圈連接的點。這些細線編織在一起，就為萬有引力提供了一種解釋。
然而，這一理論同弦理論一樣面臨着一堆問題，比如，沒有過硬的實驗證據。
儘管有着各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的
為什麼這些理論一路走來總是磕磕絆絆呢？有一種可能是，我們知道的根本就不夠多。“認為我們已經發現一切的想法，的確很誘人。”巴羅説，“但是，我們能否為所有已經觀測到的現象找到一個萬有理論，還很難説。”
還有一個更直接的問題。這些理論真的很難進行測試，其中一個最主要的原因是，數學是一門很麻煩的學科。多年來坎德拉斯一直在努力尋找一種測試弦理論的方法，但到目前為止仍未成功。
“阻礙弦理論發展的主要障礙是我們擁有的數學知識不足以推動物理學的研究進展。”巴羅説，“我們現在還處在初期階段，還有很多很多東西等着我們去探索。”
儘管有着各種問題，弦理論看上去仍是很有希望的。“多年來，人們一直試圖將萬有引力和其他物理現象統一起來。”坎德拉斯説，“我們已經有了可以解釋電磁力和其他力的理論，卻找不到一種理論解釋萬有引力。有了弦理論，我們就可以把它們糅合在一起了。”
而真正的問題，簡單地説就是我們可能無法甄別出萬有理論。
M理論其實並沒能提供一個萬有理論
當弦理論在20世紀80年代開始流行時，就有5個不同的版本。“人們開始擔心，”巴羅説，“如果真的存在一個萬有理論，它怎麼可能有5個版本呢？”在接下來的10年中，物理學家發現，這些理論是可以互相轉換的，它們只是看待同一事物的不同方式。
最終的結果是M理論的出現。M理論是在1995年提出的，是弦理論的一個更深層次的版本，包容了所有的早期版本。這看起來很好，至少我們又回到了一個理論，而且M理論只需要11個維度，比26個維度好多了。
這看起來也許比無用的理論還要糟糕，但許多物理學家現在認為，它指向的是一個更深層次的真理。
M理論有一個最簡單的論斷，那就是我們的宇宙是多個宇宙中的一個，而M理論的每一個版本可對應解釋其中的一個宇宙。這個巨大的宇宙是由多個宇宙集合成的多重宇宙。一開始，多重宇宙就像“一個由多個泡泡組成的巨大泡沫，所有宇宙只是在形狀和大小上略有不同。”巴羅説。而後，每個泡泡各自擴展成了自己的宇宙。
“我們就在這些泡泡中的一個裏。”巴羅説。隨着泡泡們的擴展，在其內部可能會出現新的泡泡，每一個新的泡泡都是一個新的宇宙。“這就使得宇宙地理學變得相當複雜了”。
存在着數以萬億計的其他宇宙，每一個都是獨一無二的
在每一個氣泡形的宇宙內，適用同樣的物理法則。這就是在我們的宇宙裏一切行為表現似乎都相同的原因。但在其他宇宙內，規則就完全不同了。“在我們的宇宙中存在的物理法則，就好比是地方法則。”巴羅説，“這些物理法則統治着我們的宇宙，但並不適用於所有宇宙。”
這會使我們得出一個奇怪的結論。如果弦理論真的是將廣義相對論和量子力學結合在一起的最佳方式，那麼它既是萬有理論，同時又不是萬有理論。一方面，弦理論使我們能夠對自己的宇宙有一個完美的描述，但它似乎又會不可避免地導致我們得出這樣的結論：在我們的宇宙之外還有數以萬億計的其他宇宙，而且每一個都是獨一無二的。
“也許它對我們想法的最大改變，就是使我們不再期望存在什麼獨特的萬有理論。”巴羅説，“可能的理論如此之多，它們幾乎填滿了我們思維中的每一個可能性。”