历史告诉我们，对终极真相的每一次追问都有所收获，只不过收获到的并非如我们预期。图片来源：《新科学家》
（文/MacGregor Campbell）超引力、大统一场论、终极理论、万物至理，物理学家用各种名称来称呼他们归自然万象于一统的尝试。对某些人来说，这是他们领域中的圣杯，无不坚信有朝一日必得圆满：物质尽皆由细小的、振动的弦构成；三维之外更有额外的空间维度；空间与时间逼近观察时，不再光滑而连续，而是斑驳且离散。
而对另一些人而言，追寻大统一理论无异于猎取赫尔曼·麦尔维尔（Herman Melville）小说中的那头白鲸：一个若隐若现、甚至根本就子虚乌有的猎物。“在我看来，现在这些对所谓万物统一理论的追寻，必将一无所获，”法国马赛理论物理中心的理论物理学家卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）如此断言。丹麦奥胡斯大学的物理学史专家黑尔格·克拉格（Helge Kragh）则道出了更基本的问题：即便我们真的发现了合适的万物理论，而且我们的心智也足以理解它，谁又能断言一切就走到尽头了呢？他认为，“我们无法就某一理论是否是终极理论作出任何断言。”
另一方面，我们现有的关于自然的理论，尽管难称完美，对改变我们人类生活的那些技术和创新所起到的支撑作用，却是意义非凡。因此，我们是否该有此一问：万物理论所为何来？
至少从牛顿时代开始，统一就一直是物理学前进的驱动力。对17世纪60年代的观天者而言，天体的运动是一个至上谜题。为何天球上某些星光居留不动，夜夜相循，而其他一些星光却穿越其间，游走苍穹？对此，大瘟疫期间避居林肯郡偏僻一角的牛顿，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，此力遍存于任意两个物体之间，只与它们的质量和间隔有关。一旦领悟至此，天体之秘就洞若观火，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，而恒星则由于距离遥远而显得固定不动而已。
牛顿的洞察将此前被认为别若云泥的天界和人间统一在一起。他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，还给未来一代代的物理学家构筑起一座神圣的殿堂。
在牛顿开风气之先200余载之后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）又完成了一次与之类似的统一变革。19世纪60年代，麦克斯韦证明了电和磁是同一种力的一体两面。与此同时，归于他名下的方程组还表明，光就是一种电磁辐射。这个思想的火花点亮了如今我们生活的电气时代，从广播到智能手机无不赖以产生。
统一就是力量
今天的万物理论正试图延续上述历程。我们现在认为，所有的物理现象都能通过4种基本作用力来解释。首先是引力，即牛顿描述的有质量物体间的相互作用。接下来是麦克斯韦的电磁力，描述带电物体间的相互作用。所有的“接触”力都来自电磁力。比方说，为何在地球吸引之下，我们不会穿透地面遁入地下？因为鞋底和地面之间的电磁相互作用在支撑着我们。还有两种在亚原子尺度下起作用的力：强核力和弱核力。前者将质子和中子结合在一起成为原子核，后者则掌控着诸如辐射衰变这样的过程。所谓万物理论，就是要表明所有这4种力都是同一种力的不同伪装而已。
1967年，距离麦克斯韦又过去了100年，理论物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）向万物理论迈出了第一步。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，电磁力和弱核力会结合成弱电力。尽管直到今天，还没人令人信服地完成强核力和弱电力的统一，但这两者很好地协调在一起，构成了标准模型，解释了从夸克到希格斯粒子这样的基本粒子如何相互作用。

尽管还远远没有成为万物至理，但弦论提出的数学技巧，已经被用来解释高温超导体的超导机制，并且卓有成效。图片来源：wikimedia.org
全息的弦
问题在于，弦论直到今天也没能完成统一。“当然，在获得确切的实验数据告诉我们弦论是对是错、是否真的描述了自然之前，我们还有还长一段路要走”，阿利斯说道。
那它的意义又何在呢？或许，历史能给出答案：肯定超出你的想像。上世纪90年代末，当时还在美国哈佛大学的理论物理学家胡安·马尔达西纳（Juan Maldacena）试图用量子理论来描述黑洞，他找到的切入点是研究D膜（D-brans），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，最终需要10维空间。另一种则是更为正常的、不包含引力的四维量子理论，跟标准模型的理论基础类似。美妙之处在于，马尔达西纳找到了一套数学技巧，称为Ads/CFT对应（反德西特空间/共形变换对应）——如果某些东西用量子理论计算起来很困难，你就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。
过去几年间，美国斯坦福大学的物理学家西恩·哈特诺尔（Sean Hartnoll）和同事一起，发现了一件非常怪异的事情——我们对高温超导的理解，也许能从马尔达西纳的方法中获益。超导体能毫无阻碍地传导电流，但通常都需要极低的温度，要用液氦或者液氮来冷却。这极大地限制了它的应用范围，目前仅在核磁共振成像和磁悬浮列车的磁铁当中使用。少数“高温”超导体能在相对更高的温度下工作，但是它们超导机制的细节一直是个谜团，阻碍了更高温度超导体的研发。
研究表明，这些高温超导体行为的某些方面，很容易用弦论的数学工具来驾驭。例如，在合适的条件下，高温超导体能在某个方向传导电流，而在垂直方向上阻断电流。利用马尔达西纳找到的对应方法，哈特诺尔及其同事发展出一种“全息奇异金属”（Holographic strange metal）模型，与其他常见的模型相比，能够更好地描述高温超导体的上述行为（详见《自然·物理学》，DOI：10.1038/nphys2701）。“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，”哈特诺尔评论道。
与此同时，马尔达西纳的捷径已经揭示出，本质上，每种物态都与特定的引力图景相吻合，而这些引力图景又可以用弦论的数学来处理。超导体可以被看作是带电粒子和最近刚被发现的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。印度孟买塔塔基础研究院的研究人员士拉兹·明沃拉（Shiraz Minwalla）认为，这些深刻的类比已经“让弦论研究进入了理论物理研究的核心地带”。
物理学有一份长长的重要问题清单。为什么希格斯玻色子的质量如此之小？为何中微子质量不为零？暗物质是什么？暗能量又是什么？一个终极理论或许能将这些问题一网打尽，不过也可能一无所获。但它很有可能回答一些我们一开始压根没有想到的问题。
美国普林斯顿高等研究院的内森·希伯格（Nathan Sieberg）说，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，最终都殊途同归，是为了更好地、甚至彻底完全理解自然表象之下的深层规律，”他说，“过去几个世纪来，我们已经朝着这个目标不断深入，我看不出这段旅程有任何理由会在我们这里嘎然而止。”

然而...