宇宙方程：万能理论探索中的挑战

第二次世界大战后，曾揭开质能关系、发现恒星秘密的爱因斯坦感到自己孤独且孤立。

物理学最近的几乎所有进展都是在量子理论中取得，而不是在统一场论中。事实上，爱因斯坦哀叹自己被其他物理学家视为遗物。他寻找统一场论的目标被大多数物理学家认为太难了，尤其是当核力仍然是一个谜的时候。

爱因斯坦评论道：“我通常被认为是一个呆板的人，随着岁月的流逝变得又瞎又聋。我觉得这个角色并不太令人讨厌，因为它很符合我的气质。”

过去，总有一个基本原则指导着爱因斯坦的工作。在狭义相对论中，在交换X、Y、Z和T时，他的理论保持不变。在广义相对论中，等价原则是重力和加速度可以等价。但在对万能理论的探索中，爱因斯坦没能找到一个适用的指导原则。即使今天依然如此，当我翻阅爱因斯坦的笔记和众多计算记录时，发现他有很多想法，但没有指导原则。他自己也意识到，这将毁灭他最终的追求。他曾悲伤地说，“我相信，为了取得真正的进步，人们必须再次从自然中找出一些普遍的原则。”

爱因斯坦一直没找到。他曾经勇敢地说，“上帝是微妙的，但不是恶意的。”晚年，他变得灰心丧气，总结道：“我有另一种想法，也许上帝是恶意的。”

尽管大多数物理学家忽略了对统一场论的追求，但不时地仍会有人进行尝试。

甚至欧文·薛定谔也尝试过。他谦虚地给爱因斯坦写信，“你在猎狮子，而我在说兔子。”1947年，薛定谔举行了一次记者招待会，宣布了他的统一场论版本，甚至爱尔兰总理埃蒙·德·瓦莱拉（Éamon de Valera）也出席了。薛定谔说：“我相信我是对的。如果我错了，我将是个大傻瓜。”爱因斯坦后来告诉薛定谔，他也思考过这个理论，发现它是不正确的，薛定谔的理论不能解释电子和原子的性质。

沃纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利也发现了这个问题，并提出了他们的统一场论版本。泡利是物理学界最有名的愤世嫉俗者之一，也是爱因斯坦计划的批评者。他的名言是，“上帝把什么东西拆开了，别的人就不要去试图复原它了”，也就是说，如果上帝把宇宙中的力拆开了，我们有什么资格试图将其统一？

1958年，泡利在哥伦比亚大学作演讲，解释了海森堡-泡利统一场论。玻尔在观众席上。泡利结束讲话后，玻尔站起来发言，“我们确信你的理论是疯狂的，我们的分歧在于你的理论的疯狂程度。”

这引发了一场激烈的讨论，泡利声称他的理论疯狂到可以成立，而其他人则说他的理论不够疯狂。物理学家杰里米·伯恩斯坦当时也在观众席上，他后来回忆道：“这是现代物理学两大巨头的一次离奇的狭路相逢。我一直在想，一个非物理学家的游客会如何看待它。”

玻尔是对的，因为泡利提出的理论后来被证明是不正确的。

实际上，玻尔偶然地发现了一件重要的事情。所有简单明了的理论都被爱因斯坦和他的同事们尝试过，且失败了。因此，真正的统一场论必须与之前的完全不同。它必须“足够疯狂”，才能成为一个真正的万能理论。

第二次世界大战后，科技的真正进步是在发展出一种完整的光和电子的量子理论取得的，即量子电动力学（QED）。该理论的目标是将狄拉克的电子理论与麦克斯韦的光理论结合起来，从而创建一个遵循量子力学和狭义相对论的光与电子理论。然而，将狄拉克的电子理论和广义相对论结合，难度很高。

罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）（他后来领导了制造原子弹的项目）早在1930年就意识到了一些令人不安的事情。当人们试图描述电子与光子相互作用的量子理论时，发现量子修正是发散的，产生了无用的、无穷大的结果。量子修正应该很小——这是几十年来的指导原则。因此，简单地将狄拉克方程（电子）和麦克斯韦理论（光子）结合，存在着一个本质上的缺陷。这困扰了物理学家近二十年，许多物理学家研究它，但进展甚微。

最后，1949年，三个独立工作的年轻物理学家，美国的理查德·费曼和朱利安·施温格（Julian Schwinger），以及日本的朝永振一郎（Shin'ichro Tomonaga），解决了这个长期存在的问题。

他们非常成功，可以精确地计算出电子的磁性。不过，他们的计算方法存在争议，今天仍然如此。

他们从狄拉克方程和麦克斯韦方程开始，给电子的质量和电荷赋予一定的初始值（称为“裸质量和裸电荷”）。然后，他们计算了对裸质量和裸电荷的量子修正。量子修正无穷大，这是奥本海默早些时候发现的问题。

但神奇正来自于此。如果我们假设最初的裸质量和裸电荷一开始就是无穷大，然后计算无穷大的量子修正，会发现两个无穷大的数可以相互抵消，留下一个有限的结果！换句话说，无穷大减无穷大等于零！

这是一个疯狂的想法，但它奏效了。使用量子电动力学能以惊人的精度计算出电子的磁场强度，能精确到十亿分之一。

史蒂芬·温伯格曾指出，“这里的理论和实验之间的数值上的一致可能是所有科学中最令人印象深刻的。”这就像计算洛杉矶到纽约的距离，精度能达到一根头发的直径以内。施温格为此非常自豪，他的墓碑上刻有这一结果的标志。

这种方法叫重整化理论。然而，这个过程是艰难的、复杂的和让人心烦意乱的。成千上万的项必须逐项精确计算，它们必须精确抵消。

因为重整化的过程太难了，连最初帮助创造量子电动力学的狄拉克也不喜欢。狄拉克觉得这完全是人为的，就像在地毯下刷东西一样。他曾说：“这是不明智的数学。明智的数学是当一个量变小时忽略它。”

重整化理论可以将爱因斯坦的狭义相对论和麦克斯韦的电磁理论结合起来，但它确实非常丑陋。为了抵消成千上万个项，必须掌握大量的数学技巧。但你无法与结果争辩，结果没有错。

这反过来为一系列非凡的发现铺平了道路，这些发现将带来第三次技术革命——高科技革命（包括晶体管和激光），从而有助于创造现代世界。

晶体管，也许是过去一百年的关键发明。晶体管带来了信息革命，带来了电信系统、计算机和互联网的巨大网络。晶体管是控制电子流的阀门。想象一个阀门，轻轻转动它，我们就能控制管道中的水流。同样，晶体管就像一个微小的电子阀门，允许用很少的电量来控制电线中更大的电子流。因此，可以放大微小信号。

同样，激光、激光器也是量子理论的副产品。要制造气体激光器，先从一管氢气和氦气开始，然后向其中注入能量（通过施加电流）。这种能量的突然注入导致气体中数万亿电子跃迁到更高的能级。然而，这个被激发的原子阵列是不稳定的。如果一个电子衰变到较低的水平，它会释放出一个光子，这个光子会撞击到邻近的被激发的原子。这导致第二个原子衰变并释放出另一个光子。量子力学预测，第二个光子与第一个光子振动一致。在管子的两端放上镜子，放大这个光子流。最终，这一过程导致了光子的“雪崩”，即所有光子都在镜子之间一致地来回振动，产生了激光束。

如今，激光随处可见：杂货店收银台、医院、电脑、摇滚音乐会、太空卫星等。激光束不仅可以携带大量信息，还可以传输大量能量，足以烧穿大多数材料。（显然，激光能量的唯一限制是激光材料的稳定性和驱动激光的能量。因此，有了合适的激光物质和能量源，人们原则上可以制造出类似科幻电影中看到的任何激光束。）

欧文·薛定谔是阐述量子力学的关键人物。但他还对另一个困扰了科学家数百年的问题感兴趣：生命是什么？量子力学能解答这个古老的谜吗？他相信，量子革命的一个副产品是理解生命起源的关键。

历史上，科学家和哲学家认为，一定存在某种使生物体活跃的生命力量。当一个神秘的“灵魂”进入一个身体时，它突然变得有生命。许多人相信二元论，即物质身体与精神“灵魂”共存。

然而，薛定谔认为，生命的密码隐藏在某个服从量子力学定律的主分子中。例如，爱因斯坦将以太排除在物理学之外。同样，薛定谔试图将生命力从生物学中驱逐出去。1944年，他写了一本有洞见的书《生命是什么？》，此书对第二次世界大战后的新一代科学家产生了深远的影响。薛定谔建议用量子力学来回答关于生命的最古老的问题。在那本书里，他看到一种遗传密码正以某种方式从一代生物转移到下一代生物。他认为这种代码并不储存在灵魂中，而是储存在我们细胞的分子排列中。利用量子力学，他建立了这个神秘的主分子可能是什么的理论。不幸的是，在20世纪40年代，人们对分子生物学的认识还不足以回答这个问题。

后来，两位科学家詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）读了这本书，对寻找这种“主分子”非常着迷。沃森和克里克意识到分子太小，不可能看到或操控它，这是因为可见光的波长较短。不过，他们还有另一个量子技巧，X光结晶学。X射线的波长在大小上与分子相当，当照射到有机材料的晶体上时，它将向多个方向散射。散射的图案包含了关于晶体详细原子结构的信息。不同的分子产生不同的X光图案。一个经验丰富的量子物理学家，通过观察散射的照片，可以推测出原始分子的结构。所以，尽管你看不到分子本身，但仍然可以破译它的结构。

量子力学如此强大，以至于人们可以确定不同原子结合在一起产生分子的角度。就像一个玩小玩具或乐高玩具的孩子一样，人们可以将原子一个一个地链在一起复制出复杂分子的实际结构。因为沃森和克里克意识到DNA分子是细胞核的主要成分之一，所以这是一个可能的目标。通过分析罗莎琳德·富兰克林拍摄的X光照片，他们得出结论，DNA分子为双螺旋结构。

沃森和克里克在20世纪发表的最重要的一篇论文中使用了量子力学解码DNA分子的整个结构，这是个杰作。他们最终证明了生物的基本过程——繁殖——可以在分子水平上复制，使生命被编码在细胞中发现的DNA链上。

这是一个突破，它使生物学的圣杯——人类基因组计划——得以实现，该计划给了我们一个完整的人的基因的原子描述。

正如查尔斯·达尔文在20世纪的预言，现在有可能构建地球上的生命家谱，因为每种生物或化石都是这棵树上的一个分支。其实，所有这些都是量子力学的产物。

所以，量子物理定律的统一不仅揭示了宇宙的秘密，也统一了生命之树。

我们记得，爱因斯坦无法完成他的统一场论，部分原因是他错过了这个谜题的一个巨大的组成部分——核力。20世纪20—30年代，人们对核力几乎一无所知。

但在第二次世界大战之后，在量子电动力学飞速发展的鼓舞下，科学家将注意力转向了下一个紧要问题——将量子理论应用于核力。这将是一项困难且艰巨的任务，因为他们从零开始，需要全新的强大的工具才能在这片未知的土地上找到自己的路。

核力有两种，强核力和弱核力。由于质子带正电荷且正电荷相互排斥，原子核通常会散开。支撑原子核的是核力，它克服静电斥力。没有它们，我们的世界会溶解成一团亚原子粒子。

强核力可以让很多化学元素的原子核无限稳定。很多元素从宇宙的诞生开始就很稳定，尤其是当质子和中子的数量平衡时。然而，有许多原因会造成一些原子核不稳定，尤其是质子或中子过多时。如果质子过多，电斥力会导致原子核飞散；如果中子过多，不稳定性会导致原子核衰变。需要特别注意的是，弱核力不足以将中子永久地聚在一起，所以中子最终会分裂。自由中子会衰变，剩下三种粒子：质子、电子、反中微子（另一种神秘的新粒子，我们将在后面讨论）。

研究核力是困难的，因为原子核比原子小得多。为了探测质子内部，物理学家需要一种新工具——粒子加速器。我们看到了欧内斯特·卢瑟福在几年前是如何利用装在铅盒里的镭发出的射线发现原子核的。为了探索原子核的更深处，物理学家需要更强大的辐射源。

1929年，欧内斯特·劳伦斯（Orlando Lawrence）发明了回旋加速器，这是今天的巨型粒子加速器的前身。回旋加速器的原理很简单，磁场迫使质子沿圆形路径运动。在每个循环中，质子都将被电场赋予一点能量。最终，经过多次旋转，质子束可以达到数百万甚至数十亿电子伏特。（粒子加速器的基本原理并不难，我高中时就自制了一个电子粒子加速器，一个β管。）

反过来，这个质子束最终被导向一个目标，在那里，它撞击其他质子。通过筛选碰撞所产生的巨大碎片，科学家能够识别出新的、以前未被发现的粒子。（发射粒子束粉碎质子的过程是一个笨拙且不精确的操作。这被比作将一架钢琴扔出窗外，然后试图通过分析撞击声来确定钢琴的属性。尽管这个过程很笨拙，但它是我们探测质子内部的仅有的几种方法之一。）

在20世纪50年代，当物理学家第一次用粒子加速器粉碎质子时，他们沮丧地发现了一团意想不到的粒子。

这是过剩产生的尴尬。人们认为，自然应该随着你的探索越深入越简单，而不是越复杂。对量子物理学家来说，大自然也许确实是恶意的。

罗伯特·奥本海默对新粒子的泛滥感到沮丧，他声称诺贝尔物理学奖应该授予当年没有发现新粒子的物理学家。恩利克·费米（Enrico Fermi）宣称，“如果我知道会有这么多希腊名字的粒子，我会成为一个植物学家而不是物理学家。”

研究人员淹没在亚原子粒子中。这种混乱促使一些物理学家声称，也许人类的大脑不够聪明，无法理解亚原子领域。他们认为，也许人类的大脑不够强大，不足以理解原子核内发生的事情。

加州理工学院的默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和他的同事的工作开始澄清一些困惑，他们声称在质子和中子内部，存在三种更小的被称为夸克的粒子。

这是一个简单的模型，但它在给粒子分组方面非常有效。像之前的门捷列夫一样，盖尔曼可以通过观察他的理论中的间隙来预测新的强相互作用粒子的性质。1964年，夸克模型预言的另一个粒子在实验中被发现，即负欧米伽子。这验证了理论的正确性，盖尔曼因此获得了诺贝尔奖。

夸克模型能够统一这么多粒子的原因是它基于对称性。我们记得，爱因斯坦引入了四维对称，把空间变成了时间，反之亦然。盖尔曼引入了包含三个夸克的方程，当你在一个方程中交换它们时，方程保持不变。这种新的对称性描述了三个夸克的重组。

加州理工学院的另一位伟大的物理学家，理查德·费曼，重整了量子电动力学。默里·盖尔曼引入了夸克。他们的个性和气质截然相反。(www.xing528.com)

在流行媒体中，物理学家普遍被描绘成疯狂的科学家（如《回到未来》中的“布朗博士”）或无可救药的无能书呆子（如《大爆炸理论》中的形象）。然而，现实中，物理学家有各种类型的身材和性格。

费曼是一个放浪形骸的讨人厌者，擅长表演，举止滑稽，总用粗俗的口音讲着粗俗的故事和粗暴的噱头。（第二次世界大战期间，他曾在洛斯阿拉莫斯国家实验室破解了装有原子弹秘密的保险箱。在保险箱里，他留下了一张神秘的纸条。第二天，当官员们发现这张纸条时，他在国家最高机密实验室的行为引起了极大的恐慌。）对费曼来说，没有什么是不正统或不体面的。出于好奇，他甚至曾将自己密封在高压舱里，看看能否体验一次灵魂出窍的经历。

然而，盖尔曼恰恰相反，他总是一副绅士派头，言语得体，举止优雅。观鸟、收藏古董、语言学和考古学是他喜欢的消遣，从不背诵滑稽的故事。尽管性格不同，但他们都有相同的动力和决心，这有助于他们理解量子理论的奥秘。

与此同时，人们在理解弱核力方面取得了长足的进步，弱核力的作用距离和大小皆小于强核力。

例如，弱核力不足以将许多类型的原子的原子核保持在一起，所以它们会分裂并衰变为更小的亚原子粒子。正如我们看到的，放射性衰变是地球内部维持高热的原因。雷鸣般的火山爆发和地震释放的可怕能量皆来自弱核力。必须引入一个新粒子来解释弱核力。例如，中子是不稳定的，最终会衰变为质子和电子，这叫β衰变。为了计算，物理学家需要引入第三种粒子，一种叫做中微子的神秘粒子。

中微子有时也称幽灵粒子，因为它能穿透整个行星和恒星而不被吸收。阅读本书时，你的身体正被来自外太空的大量中微子辐射，其中一些穿过了整个地球。

泡利在1930年预言了中微子的存在，他曾感叹：“我犯了最严重的错误。我居然引入了一个永远无法观测到的粒子。”尽管中微子难以观察，但人们还是在1956年分析核电站发出的强烈辐射时发现了它。

为了理解弱核力，物理学家再次引入了一种新的对称性。由于电子和中微子是一对弱相互作用的粒子，一些人提出它们可以配对，给出一个对称性。那么，这种新的对称性反过来又可以与麦克斯韦理论的旧的对称性结合。由此产生的理论被称为电弱统一理论，它将电磁力与弱核力统一起来。

史蒂芬·温伯格、谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）的电弱统一理论为他们赢得了1979年的诺贝尔奖。

所以，光并未像爱因斯坦希望的那样与引力结合，事实上，它更喜欢与弱核力结合。

因此，强核力是基于盖尔曼的对称性，将三个夸克结合在一起产生质子和中子；弱核力是基于更小的对称性，即电子与中微子的重新排列，然后与电磁力结合。

不过，尽管夸克模型和电弱统一理论在描述亚原子粒子群方面很强大，但仍然留下了巨大的空白，其中最紧迫的问题是：是什么将所有这些粒子聚集在一起？

因为麦克斯韦场在预测电磁学方面非常成功，物理学家开始研究麦克斯韦方程的一个新的、更强大的版本。它由杨振宁和罗伯特·米尔斯（Robert Mills）在1954年提出，这不是麦克斯韦在1861年写下的一个场，而是引入了场家族。盖尔曼在这个理论中，用排列夸克的对称性重新排列杨-米尔斯场的新集合。

这一想法非常简单，即电场维系原子稳定，可用麦克斯韦方程组描述。那么，也许将夸克联系在一起的是麦克斯韦方程的一个广义化，即杨-米尔斯场。现在，描述夸克的对称性同样适用于杨-米尔斯场。

然而，几十年来，这个简单的想法逐渐失去了活力，因为人们在计算杨-米尔斯粒子的性质时，结果为无穷大，与我们在量子电动力学中遇到的情况相似。不幸的是，费曼引入的一系列技巧不足以重整杨-米尔斯理论。多年来，物理学家对寻找有限的核力理论感到绝望。

最后，一个有进取心的荷兰研究生杰拉德·特·胡夫特（Gerard't Hooft）鼓起了足够的勇气和洪荒之力走进了这个充满无穷项的灌木丛，并用蛮力将杨-米尔斯的田地重整化。当然，那时的计算机已经足够先进，可以分析这些无穷项。当计算机程序输出一系列代表这些量子修正的结果时（数值为“0”），他知道自己找到了答案。

这一突破立即引起了物理学家的注意，物理学家谢尔登·格拉肖惊呼，“这家伙要么是个十足的白痴，要么是物理学领域最伟大的天才！”

1999年，他和他的导师马丁努斯·维尔特曼（Martinus Veltman）赢得了诺贝尔物理学奖。突然，有了一个新的场，可以用来将核力中已知的粒子结合起来，并解释弱核力。在应用于夸克时，杨-米尔斯场被称为胶子，因为它像胶水一样把夸克粘在一起。根据计算机模拟显示，杨-米尔斯场凝结成一种类似太妃糖的物质，然后像胶水一样将夸克结合在一起。为了做到这一点，人们需要三种类型或三种颜色的夸克，且遵循盖尔曼的三夸克对称性。于是，一种新的强力理论开始获得广泛的认可，量子色动力学（QCD）。今天，这个理论是强核力领域里的著名的理论。

渐渐地，在一片混乱中，出现了一种新理论——标准模型。因此，围绕亚原子粒子群的混乱得到消除。一个杨-米尔斯场（称为胶子）将中子和质子中的夸克联系在一起；另一个杨-米尔斯场（称为W和Z粒子）描述了电子和中微子之间的相互作用。

不过，阻碍标准模型最终被接受的是缺乏粒子拼图的最后一块，称希格斯玻色子，也称上帝粒子。只有对称是不够的，我们需要一种方法打破这种对称性，因为我们周围的可见宇宙并非完美对称。

今天，我们看宇宙时，四种力都相互独立地工作。乍一看，重力、光和核力似乎并无共同之处。但当时间回退到过去时，这些力开始汇聚，创世的瞬间也许只有一种力。

一幅新的图景开始出现，它使用粒子物理学解释宇宙的最大奥秘——宇宙的诞生。突然，两个截然不同的领域开始合二为一，量子力学和广义相对论。

在这幅图景中，在宇宙大爆炸的瞬间，四种力被合并成一个服从主对称性的超力，这种主对称性可以将宇宙中的所有粒子旋转并相互转换。支配超力的方程式是上帝方程，其对称性是爱因斯坦和物理学家一直未能找到的对象。

大爆炸后，随着宇宙的膨胀，炽热的宇宙开始冷却，各种力和对称逐渐破碎，留下了今天标准模型支离破碎的弱力和强力对称性。这个过程，被称为对称性破裂。这意味着我们需要一种机制精确地打破原始的对称性，留下标准模型，这就是希格斯玻色子的来源。

为了明白这一点，可以想象一个大坝，水库里的水是对称的。我们旋转水，水看起来是一样的。而经验告诉我们，水往低处流。根据牛顿的观点，水总是需要寻找更低的能量状态。如果大坝溃决，水会突然冲向下游，进入低能量状态。所以，大坝后面的水处于更高的能量状态。物理学家把大坝后面的水的状态称为“假真空”，因为它是不稳定的。当溃坝中的水达到“真空”后，也即达到下面山谷中能量最低的状态时，水才变得稳定。大坝溃决后，原来的对称没有了，但水到达了真正的基态。

当你分析沸腾的水时，也会发现这种效应。在水沸腾之前，它处于“假真空”状态，它不稳定但很对称，即你可以旋转水，水看起来总是一样的。加热时，水会形成微小的气泡，每个气泡的能量都比周围的水低。最后，气泡不断膨胀，直到足够多的气泡融合，水沸腾了。

按照这种设想推理，宇宙原本处于完全对称的状态，所有的亚原子粒子都是同一对称的一部分，它们的质量都为零。因为它们的质量为零，故而可以重新排列且让方程保持不变。然而，由于某种未知的原因，它不稳定了。显然，“假真空”转移到“真空”所必需的场是希格斯场。就像法拉第的电场渗透到空间的各个角落一样，希格斯场也充满了整个时空。

由于某种原因，希格斯场的对称性开始被打破。

希格斯场内部开始形成微小的气泡。气泡之外的所有粒子都保持无质量和对称；气泡之内的一些粒子有质量。随着大爆炸的发生，气泡迅速膨胀，粒子开始获得不同的质量，原来的对称性被打破了。最终，整个宇宙以新的状态存在于一个巨大的气泡中。

进入20世纪70年代，许多物理学家的辛勤工作开始有了回报。在“荒野”中搜寻几十年后，他们终于开始把拼图的所有部分拼合。他们意识到，通过将三种理论（代表强力、弱力和电磁力）拼合，可以写出一组与实验室观察结果完全一致的方程[1]。

将这些力黏合在一起的关键是对称性。通过重组三个夸克发现的对称性，可以与重组电子和中微子的对称性以及麦克斯韦方程中的对称性相结合。打破对称性的是希格斯场。最终的理论很尴尬，虽然还不能算成功，但它向前迈出了一大步，因为它符合数据。

需要注意的是，标准模型（见图9）可以准确预测物质的性质，一直追寻到大爆炸后的几分之一秒内。

图9　标准模型。标准模型是一个奇怪的亚原子粒子集合，它准确地描述了我们的量子宇宙，有36个夸克和反夸克，12个弱相互作用粒子和反粒子（称为轻子），以及一大堆杨-米尔斯场和希格斯玻色子，它们是在激发希格斯场时所产生。

尽管标准模型代表了我们对亚原子世界的最佳理解，但仍存在许多漏洞。首先，标准模型未提及重力。这是一个大问题，因为重力是控制宇宙大规模行为的力量。每次，物理学家试图将重力添加到标准模型中时，方程都无法求解。由于它的量子修正无穷大，就像量子电动力学和杨-米尔斯粒子一样。因此，标准模型无法揭示宇宙中一些难以解决的秘密，比如，大爆炸之前发生了什么、黑洞里有什么。

其次，标准模型是通过手工将描述各种力的理论拼接而创建的[2]，其最终理论为拼凑而成。（一位物理学家将它比作将鸭嘴兽、土豚和鲸鱼融合为一体，并宣称其为自然界最优雅的生物。据说，由此产生的动物是只有母亲才爱的动物。）

再次，标准模型有许多未确定的参数（夸克的质量和相互作用的强度）。事实上，大约有20个常数需要手工输入，我们不知道这些常数来自哪里，分别代表什么。

最后，标准模型存在三个版本，或者说，在标准模型中有三代夸克、胶子、电子和中微子。物理学家认为，如此笨拙且难操作的东西能支撑宇宙的基本理论令人费解。

鉴于重要性考虑，许多国家都支持花费数十亿美元制造下一代粒子加速器。目前，头条新闻是瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机，这是有史以来最大的科学机器，耗资120多亿美元，周长近17英里（约27.4公里）。

大型强子对撞机看起来像一个巨大的“甜甜圈”，横跨在瑞士和法国边界。在管道内，质子被加速，直到它们达到极高的能量。此后，它们与另一束相反方向的高能质子碰撞，释放出14万亿电子伏特的能量，形成巨大的亚原子粒子簇。最后，我们将用世界上最先进的计算机对这团粒子作分析。

大型强子对撞机的目标是复制宇宙大爆炸后不久出现的条件，从而创造这些不稳定的粒子。最近，在2012年，标准模型的最后一块拼图希格斯玻色子被发现。

尽管这是高能物理伟大的一天，但未来的路仍然漫长。标准模型确实描述了所有粒子的相互作用，从质子内部深处到可见宇宙的边缘。但问题依然不少，这个理论很不雅观。过去，每当物理学家探索物质的基本性质时，新的优雅的对称就开始出现，所以物理学家发现标准理论是有问题的，在最基本的层面上，自然似乎更喜欢粗糙一些的理论。

尽管标准模型取得了实际的成功，但很明显，它只是万能理论的“热身”，“好戏”还在后面。

与此同时，物理学家被应用于亚原子粒子的量子理论的惊人成就所鼓舞，开始重新审视已沉寂了几十年的广义相对论。现在，物理学家将目光投向了一个更加雄心勃勃的目标——将标准模型与重力结合——这意味着人们需要一个重力的量子理论。这将是一个真正的万能理论，可以计算出标准模型和广义相对论的所有量子修正。

此前，重整化理论是一个巧妙的手法，消除了量子电动力学和标准模型的所有量子修正。关键是将电磁力和核力表示为粒子，称为光子和杨-米尔斯粒子，然后神奇地挥挥手，通过在其他地方重新吸收它们以使无穷大消失。

物理学家天真地遵循这一悠久的传统，采用爱因斯坦的引力理论，引入了一种新的粒子——引力子。因此，爱因斯坦引入的代表时空结构的光滑表面现在被数万亿微小引力子云包围。

可悲的是，在过去的70年里，物理学家为消除无穷大而辛苦积累的一大堆技巧对引力子来说毫不奏效。引力子产生的量子修正是无穷大的，不能在其他地方被重新吸收。在这里，物理学家碰壁了，他们之前取得的一连串的胜利戛然而止。

沮丧之余，物理学家开始尝试一个温和的目标。由于无法建立完整的引力量子理论，他们试图计算当普通物质被量子化而不管重力时会发生什么。这意味着，他们将计算恒星和星系的量子修正，但不触及重力。仅仅通过量子化原子，人们希望创造一个垫脚石（阶段性的成果），并获得洞察力以制定量子引力理论的更大目标。

这是一个更温和的目标，但它为一系列令人惊讶的、新的、迷人的物理现象推开了大门，这些现象将挑战我们看待宇宙的方式。突然，量子物理学家遇到了宇宙中最奇异的现象：黑洞、虫洞、暗物质和暗能量、时间旅行，甚至宇宙本身的创造。

同时，这些奇怪的宇宙现象的发现也是对探索万能理论提出的挑战。物理学家不仅要解释标准模型中人们熟悉的亚原子粒子，还要解释所有那些拓展人类想象力的奇怪现象。