大统一理论、统一场论、终极理论、万物至理、万有理论这些词指的其实是同一个理论——多年来，物理学家一直试图用它描述目前人类已知的全部粒子和作用力。
对一些物理学家而言，这是他们研究领域中的“圣地”。他们深信，总有一天这些假说将得到证实：物质都是由非常细小的、振动的弦构成；三维之外还有额外的空间维度；当被足够近地观察时，空间与时间呈现出斑驳且离散的状态，不再光滑而连续。
对另一些物理学家来说，大统一理论就像美国小说《白鲸》中的那头白鲸一样，是一个若隐若现，或者根本就是子虚乌有的猎物。法国理论物理中心的理论物理学家卡洛·罗韦利说：“在我看来，对所谓万物统一理论的追寻，肯定是徒劳无功、一无所获的。”
丹麦奥胡斯大学的物理学史专家黑尔格·克拉格道出了更基本的问题：假如我们真的发现了合适的理论，而且我们的智力也足以理解它，那是否意味着大功告成了呢？他认为：“我们无法就某一理论是否是终极理论做出任何断言。”
另一方面，现有的物理理论尽管不能说是尽善尽美，但是它们对改变人类生活的那些技术和创新起到了显而易见的支撑作用。因此，更实际的问题或许是：大统一理论有什么用？
统一就是力量
至少从牛顿时代开始，统一就是物理学前进的驱动力。对17世纪60年代的天文学家而言，天体的运动有很多难以理解的秘密。仰望星空，为什么某些星光始终固定在一个地方，夜夜相循，而其他一些星光却穿越其间，游走苍穹？伦敦大瘟疫期间避居林肯郡偏僻一角的牛顿独具慧眼，经过艰苦的思索和研究，想到了一个答案。推动行星和恒星之力，就是让物体沉坠地面之力，这个力普遍存在于任意两个物体之间，只与它们的质量和距离有关。一旦领悟到这一点，天体运动的秘密就一目了然了：这不过是地球附近的行星受太阳的引力以不同速率穿行天际，而恒星由于距离遥远而显得固定不动罢了。
牛顿的洞察将天界和人间统一起来，而在此之前，天界和人间被认为是水火不相容的。牛顿那套简洁普适的方程，不仅让工程师得以计算工业革命赖以发生的各种力和力矩，还给后来一代又一代物理学家构筑起一座神圣的殿堂，为现代物理学奠定了理论基础。
在牛顿开风气之先200多年后，麦克斯韦实现了第二次革命性的大综合。19世纪60年代，麦克斯韦证明了电和磁实际上是同一种基本相互作用（电磁力）的两个方面。他还列出了表达电磁基本定律的麦克斯韦方程组，因此闻名于世。这个方程组表明，光就是一种电磁波。这个思想的火花点亮了我们所生活的电气时代，从广播、电视到智能手机无不依赖它而产生。
大统一理论正试图延续上两次大综合。目前，科学家认为微观粒子之间仅存在4种相互作用力，它们分别是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。宇宙间所有现象都可以用这4种作用力来解释。
首先是万有引力，即牛顿描述的任何有质量的物体之间的相互吸引力。牛顿发现，所有东西一旦失去支撑必然会下坠，继而发现任何两个物体之间都存在吸引力，而这个力与距离的平方成反比。这就是万有引力定律。接下来是麦克斯韦发现的电磁力。这是带电荷粒子或具有磁矩的粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。所有的“接触”力都来自电磁力。比如，为什么在地球吸引之下，我们不会穿透地面遁入地下呢？这是因为鞋底和地面之间的电磁相互作用时刻支撑着我们。还有两种力在亚原子尺度下起作用：强相互作用力和弱相互作用力。强相互作用力将质子和中子结合在一起成为原子核。弱相互作用力掌控着诸如辐射衰变这样的过程。
所谓大统一理论，就是要证明所有这4种力都是同一种力的不同表现形式而已。虽然大统一理论还没有成功，可是建立大统一理论的思想却始终吸引着成千上万的物理学家为之前赴后继。
开启虫洞
1967年，距离麦克斯韦时代又过去了一个世纪，理论物理学家史蒂文·温伯格、穆罕默德·阿卜杜勒·萨拉姆和谢尔登·格拉肖向大统一理论迈出了第一步。他们证明，在相当于宇宙诞生后头十亿分之一秒的极高能量条件下，电磁力和弱相互作用力会结合成弱电力。
尽管直到今天，还没人令人信服地完成强相互作用力和弱电力的统一，但这两者很好地协调在一起，构成了基本粒子理论的标准模型，并且较好地解释了从夸克到希格斯粒子这样的基本粒子是如何相互作用的。
然而，引力仍然像一个问题少年般游离在外。我们今天对引力最好的理解来自爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性，而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接联系，其联系方式就是爱因斯坦的引力场方程。
但是，广义相对论需要一个光滑的时空，这与弱电力和强相互作用力这样的量子作用所要求的概率化的粗糙的时空背景形成了矛盾。结果就是，两者各自为政，量子理论统治着诸如粒子相互作用这样的微观现象，而恒星和星系这样的宏观物体都归引力方程管辖。
要是这一大一小两极相遇，会产生什么现象？美国哈佛大学的马特·斯特拉斯勒认为：“既然只有一个自然存在，那么宏观与微观应该形成一个融洽的整体；但是，有时同时运用这两套方程，会产生一些矛盾。”比如黑洞，质量极其巨大，体积却十分微小。再比如，在时间的开端，茫茫宇宙的质量和能量都集于毫末之中。这些都是极微观尺度下的宏观质量，它们到底算至大还是极小，该用引力方程解释还是用量子理论解释呢？
物理学家提出了很多候选理论，尝试将量子理论和引力统一起来。与牛顿统一运动定律或麦克斯韦的电磁合体不同，未来的大统一理论似乎不太可能给人类的技术带来立竿见影的变革。
美国纽约城市大学的物理学家和未来学家加来道雄指出，牛顿和麦克斯韦的理论都适用于日常生活，而4种基本作用力只有在比大型强子对撞机（LHC）的碰撞能量还要高1000万亿倍的情况下才能够统一。他认为，也许要等10万年后，人类才可能建造出如此强大的对撞机，逼近这一能量。更何况，这样的装置可能有整个太阳系那么大。
加来道雄说，如果未来的人类能产生并控制如此高的能量，他们毫无疑问会创造出更加丰富的技术可能性，甚至有可能开始操控时间和空间。这样一来，人类就有可能开启虫洞，穿越遥远的时空。这些设想中的管道会从时空结构的量子涨落中生发出来，然后又像它们出现时那样迅速关闭。要想弄清楚如何将它们支撑起来成为一个稳定的通道，就需要有新的理论，将小尺度上碎裂的量子理论和大尺度上光滑的广义相对论巧妙地融合起来。这正是大统一理论的用武之地。
（本文编译者陈夕朦为首都师范大学物理系研究生，王洪鹏为中国科技馆工程师。）
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