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歷史

從古希臘到愛因斯坦

阿基米德可能是人們所知最早一位用公理來描述自然，并且從中演繹出新結(jié)果的科學(xué)家。 他試圖從幾個公理來描述“所有理論”。類似地，任何萬有理論也應(yīng)該是基于一些公理，從這些公理能夠演繹出所有觀察到的現(xiàn)象。

德謨克利特首先提出原子的概念，將所有觀察到的自然現(xiàn)象歸納為原子的運動。在古希臘時期，哲學(xué)家猜測，人們觀察到的自然現(xiàn)象之所以具有顯而易見的多樣性，完全是因為原子與原子之間的碰撞。 在原子論之后，17世紀(jì)的機械哲學(xué)建議，所有作用力可以最終約化為原子與原子之間的接觸力，在那時，原子被想像為微小的固體粒子。

17世紀(jì)后期，艾薩克·牛頓對于長距離引力的描述意味著并不是所有大自然作用力都源自于物體接觸的機制。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》這本巨著里，牛頓提出萬有引力定律，并且用這涉及到超距作用的定律將伽利略·伽利萊對于地球引力的研究、描述行星運動的開普勒定律與潮汐現(xiàn)象統(tǒng)合在一起給予合理解釋。在地球以外發(fā)生的現(xiàn)象與在地球發(fā)生的現(xiàn)象都可以用萬有引力定律做出合理解釋。

1814年，皮耶爾-西蒙·拉普拉斯將這些成果加以發(fā)揮闡揚，他提出一個著名的建議，假若一位足夠聰明的智者知道所有粒子在某個時間的位置與速度，則他可以應(yīng)用自然定律計算出任意粒子在任意時間的位置：

拉普拉斯這樣將經(jīng)典力學(xué)設(shè)想為一種萬有理論；但在量子力學(xué)里，不確定性原理表明，對粒子的位置與動量同時做測量，假若得到的位置越準(zhǔn)確，則得到的動量越不準(zhǔn)確；反之亦然。這意味著測量結(jié)果的不確定性是無法避免的。因此，拉普拉斯的巧思必需被嚴(yán)格修改，萬有理論必需能夠和諧地包含廣義相對論與量子力學(xué)。

1820年，漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的相互關(guān)系。之后，有大量相關(guān)的實驗與理論研究被進(jìn)行與完成，貢獻(xiàn)出很多電磁學(xué)方面的成果，最終導(dǎo)致詹姆斯·麥克斯韋于1865年給出電磁理論。在十九世紀(jì)與二十世紀(jì)早期，物理學(xué)者們漸漸地領(lǐng)悟到很多種常見的作用力，例如，彈性力、黏滯力、摩擦力、壓強等等，都是出自于粒子與粒子之間的電作用力。麥可·法拉第也曾經(jīng)于1849年至1850年之間做實驗試圖整合引力與電作用力、磁作用力，但他并沒有成功找到任何關(guān)連。

大衛(wèi)·希爾伯特于1900年提出了23個極為重要的數(shù)學(xué)問題，即著名的希爾伯特的23個問題。 在其中第六個問題，他挑戰(zhàn)學(xué)者們找到整體物理學(xué)的公理基礎(chǔ)，從數(shù)學(xué)角度來表達(dá)萬有理論。

阿爾伯特·愛因斯坦于1915年發(fā)布廣義相對論，這事件促使對于探索結(jié)合引力與電磁力的統(tǒng)一場論又重新感到興趣。在那時期，強力與弱力尚未被發(fā)現(xiàn)。愛因斯坦覺得引力與電磁力極具魅力。因此，他開始了三十年探索統(tǒng)一場論的旅程，希望能夠證明這兩種作用力是單獨一種理論的顯像。在他人生的最后幾十年，這種唐吉訶德式的探索使得愛因斯坦跟主流物理脫節(jié)?？梢岳斫獾厥牵髁魑锢韺τ谛陆霈F(xiàn)的量子力學(xué)框架更為興奮。在1940年代早期愛因斯坦寫給朋友的一封信里，愛因斯坦發(fā)牢騷，“我已變成一位孤寂的老家伙，人們只知道我不穿襪子，在特別場合像珍奇寶貝一般的展現(xiàn)?！焙諣柭ね鉅?、亞瑟·愛丁頓、西奧多·卡魯扎、奧斯卡·克萊因、愛因斯坦是比較常發(fā)表關(guān)于統(tǒng)一場論的論文的幾位著名物理學(xué)者。愛因斯坦后期生涯竭力探索一種統(tǒng)合的理論，但最終未能成功。 半個世紀(jì)以后，愛因斯坦夢寐以求的統(tǒng)一論已成為現(xiàn)代物理學(xué)的終極標(biāo)靶。

二十世紀(jì)與核相互作用

在二十世紀(jì)，強核力與弱核力的發(fā)現(xiàn)打斷了對于統(tǒng)一論的探索。這兩種作用力的性質(zhì)跟引力、電磁力大不相同。另外還有一個必須超越的障礙，物理學(xué)者承認(rèn)，若要獲得一個可行的萬有理論，則必須從最開始就將量子力學(xué)納入考量，而不是從一個決定性統(tǒng)一論的后果找到量子力學(xué)，這與愛因斯坦所期望的不同。

經(jīng)過多年努力，物理學(xué)者仍舊無法將引力并入量子框架，更不必說與其他基本力統(tǒng)合。因此，他們轉(zhuǎn)移工作焦點，試圖統(tǒng)合其它三種力：電磁力、弱力與強力。1967–68年，謝爾登·格拉肖、史蒂文·溫伯格、阿卜杜勒·薩拉姆提出理論共同將前兩種力合并為電弱力。 對稱性破缺終止了電弱統(tǒng)一：在低能量狀況，電磁力與弱力變得不一樣，因為傳遞弱力的W及Z玻色子的非零質(zhì)量分別為 80.4 GeV 與 91.2 GeV ，而傳遞電磁力的光子的質(zhì)量為零。在高能量，W及Z玻色子可以很容易地被制成，兩種力變得一樣。

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，電弱力與強力明顯不同。至今為止，尋求萬有理論尚未成功，一是因為電弱力與強力尚未被統(tǒng)合，二是因為引力尚未與這些作用力統(tǒng)合。

現(xiàn)代物理

常見理論系列

萬有理論試圖統(tǒng)合大自然的所有基本相互作用：引力、強作用力、弱作用力、電磁力。由于弱相互作用能夠?qū)⒒玖Ｗ訌哪骋环N變換成另一種，萬有理論應(yīng)該也會對于各種可能粒子給出深奧的了解。以下給出通常假定的理論路徑，每一次的統(tǒng)合步驟會導(dǎo)致更上一層樓級。

電弱統(tǒng)合發(fā)生于大約100 GeV，大統(tǒng)一發(fā)生于大約10 GeV，與引力統(tǒng)合猜想應(yīng)會發(fā)生于普朗克能量，大約10 GeV。

至今為止，已有幾種大統(tǒng)一理論被提議來統(tǒng)合電磁力與核力。大統(tǒng)一意味著電核力的存在，猜想應(yīng)會發(fā)生于大約10 GeV，遠(yuǎn)超過任何地球粒子加速器所能達(dá)到的能量。雖然，最簡單的大統(tǒng)一理論已被實驗結(jié)果排除，它的整體概念，特別是當(dāng)與超對稱連結(jié)在一起時，仍舊是理論物理學(xué)術(shù)界的喜好。超對稱大統(tǒng)一理論似乎很有道理，這不僅是因為它們在理論方面的美感，而且因為它們自然地制備出大量暗物質(zhì)，還因為宇宙暴脹可能與大統(tǒng)一物理有關(guān)（雖然宇宙暴漲并不是大統(tǒng)一理論的必然結(jié)果）。但是，大統(tǒng)一理論明顯地不是終極答案；當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)模型與所有提議的大統(tǒng)一理論都是量子場論，需要使用可能隱藏瑕疵的重整化方法來獲得有意義的答案。物理學(xué)者通常將這需求視為它們只是有效場論的標(biāo)志，它們遺漏了在非常高能量時才會出現(xiàn)的關(guān)鍵現(xiàn)象。

量子引力步驟涉及到解決量子力學(xué)與廣義相對論之間的分歧。至今為止，尚未出現(xiàn)任何可以廣被接受的量子引力理論，因此也尚未出現(xiàn)任何可以廣被接受的萬有理論。

除了解釋圖表里的作用力以外，萬有理論也或許可以解釋現(xiàn)代宇宙學(xué)提出的兩種候選論題：宇宙暴脹與暗能量。但是，這些論題尚未能用實驗嚴(yán)格證實。更加地，宇宙學(xué)實驗建議暗物質(zhì)存在，而且是由標(biāo)準(zhǔn)模型以外的基本粒子組成。

弦理論與M理論

弦理論或許有可能成為宇宙的最終理論。很多物理學(xué)者認(rèn)為，在宇宙初始時期（大爆炸之后10 秒內(nèi)），四種基本力都曾屬同一種基本力。與大多數(shù)其它理論不同，弦理論可能正在合并這四種基本力的過程。根據(jù)弦理論，宇宙的每一個粒子，在它的最微觀層級（普朗克尺度），是由各種呈不同方式振動中的弦組成。弦理論聲稱，這些獨特振動方式的弦形成了獨特質(zhì)量與力荷的粒子，例如，電子是以某種方式振動的弦，上夸克是以另一種方式振動的弦。

弦理論有一個很令人驚訝的性質(zhì)，即它需要額外維來達(dá)成一致性。 在這方面，弦理論可以被視為建構(gòu)在對于卡魯扎-克萊因理論的深刻了解之上?？斣?克萊因理論將廣義相對論推廣至五維宇宙（其中有一維很微小，并且蜷作一團）；從四維觀點來看，就好像廣義相對論與麥克斯韋的電動力學(xué)在一起。這使得統(tǒng)合規(guī)范與引力的相互作用的點子更具有信服力，也使得額外維的概念更具有信服力，但是它并沒有對于詳細(xì)實驗要求做任何處理。弦理論還有一個重要性質(zhì)，即它具有超對稱性，這性質(zhì)與額外維是解決標(biāo)準(zhǔn)模型的 等級差問題 （ 英語 ： hierarchy problem ） 的兩個主要提議，等級差問題提出疑問，為什么引力比其他種作用力更為微弱的很多？額外維解答涉及允許引力傳播至其它維度，而又限制其他種作用力于四維時空；使用明確的弦機制，這點子已被實現(xiàn)。

弦理論的研究因在各種理論與實驗方面獲得的成果而得到很多鼓勵。在實驗方面，標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子內(nèi)涵，經(jīng)過補充了中微子質(zhì)量的理論，恰巧能夠用SO(10)的旋量來表現(xiàn)，這是E8的子群，慣常地會出現(xiàn)于弦理論，例如雜交弦理論 或（有時等價的）F-理論。 弦理論可以解釋為什么費米子會有三世代，也可以解釋幾個夸克世代之間的混合率。 在理論方面，弦理論已開始處理量子引力的某些關(guān)鍵問題，例如，解決黑洞信息佯謬、數(shù)算正確的黑洞熵。

1990年代后期，物理學(xué)者注意到，在這方面的努力有一個重大障礙，即有非常多可能的四維宇宙。額外維有很微小，并且蜷作一團，可以被緊致化的方式有很多種（有一個估計得到10 種方式），每一種會對粒子或作用力給出不同的性質(zhì)。這一系列模型知名為弦理論園景。

有些學(xué)者主張，這些理論可能方式都會被付諸實現(xiàn)于大量個宇宙，但是只有少數(shù)幾個宇宙能夠適合智慧生命，因此宇宙的基本常數(shù)其實應(yīng)是人擇原理的后果，而不是從理論推導(dǎo)出的數(shù)值。這種論述引起很多學(xué)者的批評；他們認(rèn)為，弦理論無法給出有用的（原創(chuàng)的、可證偽的、可檢證的）預(yù)測，應(yīng)該被視為一種偽科學(xué)。 但也有些學(xué)者對于這批評表示不認(rèn)同。盡管如此，在理論物理學(xué)里，弦理論仍舊是非常熱門的研究論題。

自從1990年代以來，很多物理學(xué)者主張，11維M理論就是萬有理論。五種不同的超弦理論描述它的不同極限。最大超對稱11維超引力描述它的另外極限。但是，對于這論點，并沒有在學(xué)術(shù)界得到廣泛共識。

圈量子引力論

  在自旋網(wǎng)絡(luò)里，每一個“節(jié)點”代表一個空間顆粒，節(jié)點與節(jié)點之間的連結(jié)線段稱為“鏈接”，代表隔離空間顆粒的基本表面。伴隨著每個鏈接的數(shù)字是基本表面面積的量子數(shù)。此圖并沒有展示出空間顆粒的量子數(shù)。幾個節(jié)點與相互連結(jié)的鏈接共同形成循環(huán)。

圈量子引力論將廣義相對論關(guān)于時空的概念引入量子場論，因此，它能夠精致地用數(shù)學(xué)表述出量子時空，并且對于實際物理問題，例如，黑洞熱力學(xué)、大爆炸的奇點物理等等給出解答。

圈量子引力論預(yù)測，在普朗克尺度，空間呈顆粒結(jié)構(gòu)。對于電磁場案例，代表電磁頻率的算符具有離散線譜，因此每個頻率的能量被量子化，其量子是光子。對于引力場案例，代表微觀空間區(qū)域體積的算符具有離散線譜，因此每個微觀空間區(qū)域的體積都被量子化，其量子是基本空間顆粒，稱為“節(jié)點”。在空間顆粒與空間顆粒之間的隔離表面也具有量子性質(zhì)，會被量子化成為“鏈接”。這些節(jié)點與鏈接形成了自旋網(wǎng)絡(luò)。在普朗克尺度，由于空間的顆粒結(jié)構(gòu)性質(zhì)，量子場論的紫外線無窮大能量被截止，因此擺脫了在量子場論里時常會碰到的無窮大困擾。

按照圈量子引力論，時空是一系列隨著時間流易而改變的空間，每一個節(jié)點形成一條“邊線”，每個鏈接形成一個“界面”，這時空的歷史可以用自旋網(wǎng)絡(luò)來描述，稱為自旋泡沫，是由很多邊線與界面所組成。自旋泡沫表現(xiàn)出時空的歷史。

有些學(xué)者聲稱，圈量子引力或許可以復(fù)制一些貌似標(biāo)準(zhǔn)模型的特性。至今為止，只有第一代費米子能夠被建模， 李·斯莫林 （ 英語 ： Lee Smolin ） 研究團隊用類似自旋泡沫的時空穗帶為砌塊組成先子來完成這模型。可是，它們并沒有給出拉格朗日量來描述這些粒子的相互作用，也尚未證明出這些粒子是費米子，更還未實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的規(guī)范群或相互作用。這模型詮釋電荷與色荷為拓?fù)淞?；電荷是單獨線帶所載有的扭曲的數(shù)量與手性，色荷是這種扭曲的變版。 斯莫林的原創(chuàng)論文建議，更高代費米子可以被更復(fù)雜的穗帶，但他們并沒有給出明確建模方法。

近期發(fā)展

目前，尚未有任何包括標(biāo)準(zhǔn)模型與廣義相對論的候選萬有理論。例如，沒有候選理論能夠給出精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)或電子質(zhì)量。粒子物理學(xué)者期望，正在進(jìn)行的實驗，例如，探索新粒子與暗物質(zhì)，所得到的結(jié)果能夠?qū)θf有理論給出更多新點子。

參閱

統(tǒng)一場論

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