物理學的夙願是什麼？
李·斯莫林在《物理學的困惑》一書中寫道：「物理學的夙願和拙劣的愛情小說一樣，是為了統一。在可能的時候，把過去認為不同的兩樣事物結合起來，作為一個實體的不同方面——這是科學最大的驚奇和快樂。」
下面這張圖總結了物理學家在過去一百多年中為了追求統一所取得的成果：
1862年，麥克斯韋為我們展示了一次優美的統一。在他書寫的幾個簡潔的方程中，蘊藏著自然界中最令人驚奇的事：電力和磁力，實際上是一種力——電磁力的兩面。更令人驚喜的是，麥克斯韋方程不僅實現了統一，還發現了在空間傳播的電磁波就是光！
麥克斯韋方程。
到了20世紀初，物理學上空的兩朵烏雲終於引發了兩次重大的物理學革命。第一個革命來自於愛因斯坦。1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，並寫下了或許是有史以來最廣為人知的一個方程：E=mc2。十年後，他在狹義相對論的基礎上提出了一個全新的引力理論——廣義相對論，顛覆了牛頓的理論。第二個革命或許更加深刻，來自量子力學。這兩個理論是現代物理學的兩大基石。前者將引力和彎曲的時空聯繫在一起，且描述著整個宇宙；後者則支配了亞原子粒子以及它們之間的相互作用。但是，如何將這兩個理論統一成一個，即所謂的量子引力理論，這是物理學界的最大的目標。
引力和電磁力是許多人所熟悉的，但自然界中還有兩種已知的基本力——強核力（將質子內部的夸克束縛在一起）和弱核力（支配了粒子的衰變）。我們不禁思考，既然電力和磁力可以被統一成電磁力，那麼有沒有一種可能，自然界中的四種基本力其實只是一種力的四面？這也是量子引力理論想要回答的問題。
早在1919年，德國數學家卡魯扎在研究廣義相對論時就發現了一個驚人的數學事實。廣義相對論是基於四維時空（三維空間+一維時間）描述的，但是卡魯扎假設如果時空是五維的（四維空間+一維時間），那麼他就可以將引力和電磁力統一了。愛因斯坦也被卡魯扎的想法迷住了。雖然卡魯扎的嘗試最終以失敗告終，但額外維度的思想卻從此流傳了下來。
五維的引力 = 四維的（引力+電磁力）。
到了1960年代，描述電磁力的量子電動力學（QED，在該理論中，電磁力是由光子傳遞的）已經被很好的建立起來，但是並沒有成熟的理論解釋強核力和弱核力。當時，物理學家在實驗室中發現弱核力展現了一些跟QED同樣的特徵，特別是它可能是由一種跟光子類似的玻色子傳遞的（傳遞力的粒子被稱為規範玻色子）。理論上，物理學家也發現QED所基於的U(1)群能夠被推廣到更大的SU(2)群（對應於弱核力）。
1967年11月20日，溫伯格在物理評論快報上發表了一篇標誌性的論文《輕子模型》（A Model of Leptons），建立了SU(2)×U(1)方程。事實上，為了統一電磁力和弱核力，格拉肖在1961年以及薩拉姆和沃德在1964年的時候，就已經提出了相同的結構，只是溫伯格並不知道。他們的理論需要兩個大質量的帶電玻色子——W+和W-，以及兩個中性的玻色子——無質量的光子和大質量的Z。之後，科學家在實驗中找到了所有預言的粒子，意味著電磁力和弱核力成功地被統一成了一種力——電弱力！
溫伯格的論文《輕子模型》，為高能粒子物理學在20世紀後半葉的發展指明了方向。在只有兩頁半紙的論文中（算上參考文獻和致謝在內），溫伯格優雅而簡潔地書寫了宇宙中最深層的秘密。如今，這篇論文每周至少會被引用三次。它的內容是粒子物理學的標準模型的核心。
1970年代，描述在質子和中子內部的夸克和膠子之間的複雜相互作用的理論逐漸建立了起來，稱為量子色動力學（QCD，規範群是SU(3)）。QCD背後的數學十分複雜困難，以至於有相關的問題被列為了千禧年七大數學難題之一。
今天我們知道，描述電磁力、弱核力和強核力以及所有已知的基本粒子，都被囊括在了粒子物理學的標準模型中。在過去的幾十年里，標準模型極為成功，但也稱不上完美，因為它並沒有解決所有問題，比如暗物質和等級問題等。
標準模型的拉格朗日量。這個方程描述了標準模型中的所有基本粒子和它們之間的相互作用。| 圖片來源：THOMAS GUTIERREZ
事實上，物理學家還沒有成功地將電弱力和強核力統一在一起，雖然有一些相關的「大統一理論（GUT）」，但都沒有得到實驗的證實。在1974年的時候，格拉肖和喬吉發現數學對稱群SU(3)、SU(2)和U(1)可以被納入一個單一的更大的對稱群SU(5)。SU(5)預言了質子會發生衰變，但唯一的問題是，目前實驗還沒有觀察到任何質子衰變的跡象。
1970年代後期，超對稱理論的出現或許為最終的量子引力理論指明了方向。超對稱的思想很簡單，即每一個標準模型中的基本粒子都有一種被稱為超對稱夥伴的粒子與之匹配。如果超對稱是對的，那麼在大統一理論所需要的能量尺度下，電磁力、弱核力和強核力最終統一在一起（它們的耦合常數在高能量下會聚在一起）。
當我們考慮超對稱的時候，電磁力、弱力和強核力同時會聚在一點上（右邊）。| 圖片來源：?CERN
而當我們在引力理論中把超對稱考慮進去，結果很顯然，那就是超引力理論。粒子物理學家認為傳遞引力的粒子是一種無質量、自旋為2的粒子，即引力子（假想粒子，還為被實驗探測到）。前文提到的卡魯扎為了統一電磁力和引力，提出了需要一個額外維度的思想，而超引力則需要七個額外的維度。
在所有的量子引力理論中，弦論經常被認為是最有希望的候選理論。弦論假設所有的粒子（電子、光子等）都不是點狀粒子，而是由振動的弦組成的。不同的振動狀態會形成不同的粒子。1980年代中期，對弦理論的關注得到前所未有的飆升，當時物理學家發現它對量子引力給出了在數學上一致的描述。但弦理論的五個已知版本都是「微擾」的，意味著它們在某些條件下會失效。
1995年，威滕發現所有的弦論都有著同一根源。他發現了種種表明微擾弦論可以合成為一個相干的非微擾理論的跡象，他稱其為M理論。M理論看起來像是在不同物理條件下的不同弦理論，但它本身在有效性範圍上並沒有什麼限制，這是量子引力理論需具備的一個重要前提。M理論將弦理論的五個版本以及超引力統一到一個單一的數學結構中。到了1997年，馬爾達西那發現了AdS / CFT對偶，將弦論和物理學家已經研究得相當透徹的量子場論聯繫了起來，這令所有弦論研究者都興奮不已。
大統一、超對稱、M理論，不僅是非常優美的想法，而且還解決了許多標準模型無法解決的問題，因此吸引了許多理論物理學家的追隨。然而，無論它們多麼美妙，終歸需要實驗的驗證。我們需要記住，一個好的科學理論必須滿足以下三個條件：
1.它必須能夠複製現有科學理論所有的成功預言；
2.它要能解釋最新的實驗、觀測數據，即那些現有科學理論無法解釋的；
3.最重要的是，它還應該提出可被檢驗的預言。
麥克斯韋方程、廣義相對論、標準模型都符合這三點。
21世紀，雖然我們發現了希格斯玻色子（2012年）和引力波（2015年），但在基礎物理學上並沒有任何實際性的突破。是物理學家走錯了方向？還是我們只是需要擁有足夠的耐心？我們並不知道，但我們都期待下一次物理學革命可以早日到來。
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