理论物理的“副产品”
为10万年后的人类穿越时空提供技术支撑，这听上去似乎太虚幻、太遥远了，但美国哥伦比亚大学的彼得·沃伊特认为，不能仅仅从实用技术的角度来评判大统一理论。以史为鉴，未来大统一理论很可能将人类引入全新的领域，而且可能是今天的我们闻所未闻的处女地。沃伊特说：“我们知道，在未知的迷雾中存在新的洞察或新的想法，只要轻轻一瞥，顷刻间就能让以前所有的困扰冰消瓦解。当我们回首过去，发现这样的经验屡试不爽时，探索的欲望就会更为急迫。”即使对大统一理论持怀疑态度的学者也承认，大统一理论虽然是虚幻的目标，但在追寻过程中，我们会得到很多新的研究成果。
以牛顿为例，为了形成有关引力和运动的理论，他发明了微积分，以便处理诸如速度等能够连续变化的物理量。微积分是研究变化规律的方法。与变化、运动有关的研究都要与微积分发生联系，都需要运用微积分的基本原理和方法。因此，微积分为其他学科的发展做出了巨大的贡献。要是没有在微积分基础上构建起来的傅里叶变换，想把电脑上热播的影片导入你的智能手机，那几乎是异想天开。傅里叶变换利用微积分将所有信号转换为一系列简单正弦函数的叠加，才使得视频和音频文件能被压缩到适合传输的大小。从这个意义上说，微积分的创立对人类社会的进步和人类物质文明的发展都发挥了巨大的推动作用。
再来看看爱因斯坦从麦克斯韦方程组中获得的启发。麦克斯韦不是实验物理学家，他在理论物理领域内工作，他的工具是数学。他建立了电与磁的统一的数学关系，即麦克斯韦方程组。为了数学上能够自洽，麦克斯韦方程组需要一个不变的光速，其速度不依赖于观测者的运动速度。这引领爱因斯坦接近了一个更深刻的真理：光速不变就是我们宇宙的本来面目，因此，空间和时间必须协调起来，以保证光速为一个常数。用美国康奈尔大学的天体物理学家利奥·斯泰因的话来说：“麦克斯韦发现的是一系列数学关系，爱因斯坦则看到了空间和时间更为深刻的联系。”
科学研究始终薪火相传地持续着。20世纪20年代末，英国理论物理学家狄拉克开始尝试将爱因斯坦的狭义相对论和当时还处在襁褓之中的量子力学结合起来。他提出了描述电子的相对论性方程——狄拉克方程。这个方程表明，电子应该还有一个质量相同但电荷相反的“亲戚”——正电子。狄拉克开始认为这是个错误，但很快实验就揭示出这类反粒子的的确确存在。1932年，美国物理学家安德森在宇宙线实验中观察高能光子穿过重原子核附近时，发现了正电子。这个惊人发现催生了一系列具有现实意义的应用，比如，很多医院都能见到的正电子发射断层扫描仪（PET）。
历史经验已经证明，科学研究过程中存在连锁效应，一些改变人类生活的重大发明创造就是在此过程中产生的。正如美国罗格斯大学的马修·斯特拉斯勒说的：“你关注一件事，会带动更多人关注更多事，结果就会有机缘巧合的收获。”那么，研究大统一理论能给我们带来什么启发呢？
令人着迷的弦
弦理论是最有希望将自然界的基本粒子和4种相互作用力统一起来的理论。英国伦敦国王学院的理论物理学家约翰·阿利斯说：“我认为，弦理论是唯一有资格作为大统一理论框架的候选理论。”
弦理论是理论物理的一个分支学科，一开始并非为大统一理论而提出。20世纪60年代末，正在尝试解释强相互作用力的物理学家提出，最好把参与强相互作用力的粒子理解为以各种方式振动的弦，而不是此前理解的空间中无限小的点；弦的不同振动和运动产生出各种不同的基本粒子。最终，人们找到其他更适合描述强相互作用力的方式，但关于弦的数学如此优雅迷人，以至于让物理学家难以割舍。经过20世纪七八十年代的发展，一个新的想法逐渐成熟起来：弦理论也许更适合描述量子引力，并用以填补微观世界和宏观世界之间的理论鸿沟。
不过，弦理论直到今天也没能完成统一。在获得确切的实验数据证实弦理论是对是错、是否真的描述了自然之前，我们还有很长一段路要走。那么，弦理论又有什么意义呢？
20世纪90年代末，美国哈佛大学的理论物理学家胡安·马尔达西纳试图用量子理论来描述黑洞。他找到的切入点是研究D膜，它相当于一种质量更大的多维的弦。他发现D膜的行为能用两种不同但等价的方式来描述。一种是通过改动弦论，将引力包括进来，为了能在数学上自洽，最终需要10个空间维度。另一种则是更为正常的、不包含引力的四维量子理论，与标准模型的理论基础类似。更为奇妙的是，马尔达西纳找到一套数学技巧，称为“反德西特空间/共形场论对应（AdS／CFT对应）”。在一定条件下，如果某些东西用量子理论计算起来很困难，可以用这种对应把它转换到其他维度的空间中去，使其计算起来更为简单。
马尔达西纳的研究给其他科学家带来了新的思路。近年来，美国斯坦福大学的物理学家西恩·哈特诺尔和同事发现，我们对高温超导的理解也许也能从马尔达西纳的方法中获益。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。由于没有电阻，电流流经超导体时不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。超导是一种宏观的量子现象，用形象一点的语言来说，它是一种集体运动，就如同幼儿园的小孩子们过闹市，如果让他们分开就会走散；要是有老师带领，让小朋友手拉手一起走就很容易。但是，超导通常需要极低的温度，要用液氦或者液氮来冷却。低温的要求极大地限制了超导体的应用范围，目前它只在磁共振成像和磁悬浮列车的磁铁当中使用。少数“高温”超导体能在相对高的温度下工作，但是它们超导机制的细节一直是个谜团，这也阻碍了更高温度超导体的研发。
现在研究证明，高温超导体行为的某些方面，很容易用弦理论的数学工具来解释。例如，在合适的条件下，高温超导体能在某个方向传导电流，而在垂直方向阻断电流。利用马尔达西纳提出的AdS／CFT对应，哈特诺尔和同事提出一种“全息奇异金属”模型。相比其他的常见模型，这个模型能够更好地描述高温超导体的上述行为。哈特诺尔评论道：“全息奇异金属模型能捕捉到高温超导体的这个侧面，其他模型则难以胜任。”
与此同时，马尔达西纳的研究还引导科学家揭示出，每种物态本质上都与特定的引力图景相吻合，而这些引力图景又可以用弦理论的数学来处理。例如，超导体可以被看作带电粒子和希格斯粒子构成的恒星，经典液体则可以用不旋转、无电荷黑洞的数学模型来模拟。印度塔塔基础研究所的士拉兹·明沃拉认为，这些深刻的类比已经让弦理论研究进入了理论物理研究的中心地带。
物理学发展到19世纪末期，可以说已经达到了相当完美、成熟的程度。20世纪初，英国著名物理学家开尔文勋爵预言物理学的大厦即将建成，今后物理学家用不着再干什么了，只需要把各种数据测得精确些就行了。然而，100多年后的今天，多数物理学家相信物理学的大厦远远没有建成，物理学迟早还会有突破性的发展。目前，还有非常多的物理学问题没有定论。例如，为什么希格斯玻色子的质量那么小？为何中微子还有质量？暗物质是什么？暗能量又是什么？大统一理论或许能回答这些问题，也有可能一无所获，但同时它也很有可能回答一些我们一开始就没有想到的问题。
美国普林斯顿高等研究院的内森·希伯格说，我们有足够的理由说服人们继续追求终极目标。“我想无论出发点如何，最终都会殊途同归，因为所有的努力都是为了更好地，甚至彻底理解自然表象之下的深层规律。”他说，“过去几个世纪，科学家已经朝着这个目标不断前进，我们没有理由相信这种进步会在我们这里戛然而止。”
（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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