·第11章·

自然的力和物理学统一

正如在第3章中解释的，一蹴而就地建立一个完备的宇宙万物统一理论是非常困难的。取而代之，在寻求描述有限范围内的事件的部分理论方面，我们取得了进展，此时忽略了其他效应或者用某些数来对这些效应做近似。尽管我们目前知道，科学定律包含许多数——比如电子电荷的大小和质子电子质量比——但至少现在，我们不能从理论中把它们预言出来。相反，我们必须利用观测将它们找出，然后把它们放到方程中去。某些人将这些数称做“基本常数”，另一些人把它们叫做胡说因素。

不管你持何种观点，以下的事实是值得注意的，这些数值似乎被非常精细地调节过，使生命可能发展。例如，如果电子的电荷稍微不同，它就破坏了恒星中的电磁力和引力的平衡，它们要么没有燃烧氢和氦，要么没有爆发。不管哪种情形发生，生命都不能存在。归根结底，我们希望找到一个完备的协调的统一理论，它将所有这些部分理论作为近似而包容进去，而不必为理论中的任意数，诸如电子电荷强度选取合适的值，以此调节这些部分理论来与事实相符合。

寻求这样一个理论称做物理学的统一。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求统一理论，但是没有成功。因为尽管已有了引力和电磁力的部分理论，但是关于核力，当时知道得还非常少，所以时机还没有成熟。此外，正如在第9章提到的，爱因斯坦拒绝相信量子力学的真实性。但是，不确定性原理似乎是我们生活于其中的宇宙的一个基本特征。因此，一个成功的统一理论必须将这个原理结合进去。

因为我们已对宇宙了解得这么多，现在寻求这种理论的前景似乎要好得多了。但是我们必须防止过分自信——我们在过去有过对成功的错误的期望！例如，在20世纪初，曾经以为任何东西都可以按照连续物质诸如弹性和热导的性质予以解释。原子结构和不确定性原理的发现使之彻底破产。然后又有一次，1928年，物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯·玻恩告诉一群来格丁根大学的访问者：“根据我们所知，物理学将在6个月内结束。”他的信心是基于狄拉克新近发现的制约电子的方程。人们认为质子，这个当时仅知的另一种粒子服从类似的方程，并且那将会是理论物理的终结。然而，中子和核力的发现对此又是当头一棒。尽管讲到这些，仍然有理由谨慎地乐观，我们现在也许已经接近探索自然终极定律的尾声。

在量子力学中，物质粒子之间所有的力或者相互作用应该都是由粒子携带的。所发生的是，诸如电子或者夸克等物质粒子发射了携带力的粒子。这个发射所引起的反弹，改变了物质粒子的速度，其道理和发射炮弹之后大炮后退是相同的。然后，携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞并被吸收，改变了那个粒子的运动。发射吸收过程的净结果和在两个物质粒子之间有过一个力相同。

每种力都是由它自己特有的携带力的粒子来传递。如果携带力的粒子具有大质量，产生和在远距离上交换它们就很困难，于是它们携带的力只能是短程的。另一方面，如果携带力的粒子没有自身的质量，该力就是长程的。由于在物质粒子之间交换的携带力的粒子，不像实粒子，它们不能被粒子探测器直接探测到，所以被称为虚粒子。然而，因为它们具有可测量的效应：它们引起了物质粒子之间的力，所以我们知道它们存在。

粒子交换

根据量子理论，力是由交换携带力的粒子引起的。

携带力的粒子可分成4个种类。应该强调的是，这样地分成4种是人为的；只是为了便于建立部分理论，但是它也许不具深意。大多数物理学家希望最终能找到一个统一理论，统一理论将把所有这4种力解释成为一种单独的力的不同方面。的确许多人愿意说，这是当今物理学的首要目标。

第一种力是引力。这种力是万有的；也就是说，每一个粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力吸引被描写成因交换称做引力子的虚粒子引起的。引力比其他三种力都弱得多；它是如此之弱，若不是它具有两个特别的性质，就根本不可能引起我们的注意：它会作用到非常远的距离，并且总是吸引的。这意味着，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，单独粒子之间的非常弱的引力能叠加起来，产生可观的力量。另外三种力或者由于是短程的，或者由于时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。

第二种力是电磁力。它和诸如电子和夸克之类的带电荷的粒子相互作用，但不和诸如中微子之类的不带电荷的粒子相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个零）倍。然而，有两种电荷：正电荷和负电荷。两个正电荷之间正如两个负电荷之间一样，力是排斥的，但是在一个正电荷和一个负电荷之间的力是吸引的。

一个大的物体，比如地球或者太阳，具有几乎等量的正电荷和负电荷。这样，单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全部相互抵消掉，而余下的净电磁力非常小。然而，在原子和分子的小尺度下，电磁力起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子围绕着原子核公转，正如同引力使得地球围绕着太阳公转一样。科学家把电磁吸引力描绘成由大量称做光子的虚粒子的交换引起的。再说一遍，被交换的光子又是虚粒子。然而，当一个电子从一个轨道转换到另一个离核更近的轨道时，它释放出能量并且发射一个实光子——如果其波长刚好，则作为可见光被肉眼观察到，或者被诸如照相底片之类的光子探测器观察到。同样，如果一个光子和原子相碰撞，它会将电子从离核较近的轨道移到外面更远的轨道。这就把光子的能量消耗殆尽，于是光子就被吸收了。

第三种力称为弱核力。我们在日常生活中并不直接接触到这种力。然而，它导致放射性——原子核衰变。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出把这个相互作用和电磁力统一的理论后，我们才清楚地理解弱核力。此举正如大约100年前麦克斯韦统一电学和磁学一样。该理论的预言与实验非常符合，使萨拉姆和温伯格以及也在哈佛的谢尔登·格拉肖一起获得了1979年的诺贝尔物理学奖。格拉肖提出过类似的统一电磁力和弱核力的理论。

第四种力是强核力。它是4种力中最强的力。这是另一种我们并不直接接触的力，但是正是这种力将我们日常世界的大部分东西维系在一起。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。如果没有强核力，那么带正电荷的质子之间的电斥力将导致宇宙中的每个原子核分崩离析，除了只包含一个质子的氢原子核之外。科学家相信，这种力由称做胶子的粒子携带，它只和自身以及夸克相互作用。

统一电磁力和弱核力的成功，使许多人试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（简称GUT）之中。这称号相当夸张：所得到的理论并不那么辉煌，也没把全部力都统一进去，因为它并不包含引力。因为它们包含了一些不能从这个理论预言，而必须人为选择去适合实验的参数，所以它们也不是真正完备的理论。尽管如此，它们可能向着完备的全面统一理论推进了一步。

寻找一个把引力和其他力统一的理论的主要困难在于，引力论——广义相对论——是仅有的非量子的理论：它没有考虑不确定性原理。因为其他力的部分理论，以非常根本的方式依赖于量子力学，为了把引力和其他理论统一，就需要寻找把该原理结合到广义相对论中的一种方法。但是迄今还无人能够找到一种量子引力论。

创造量子引力论之所以如此困难与这个事实有关：不确定性原理意味着甚至“空虚的”空间也充满了虚的粒子/反粒子对。如果情形并非如此——即如果“空虚的”空间真的是完全空虚的——那就意味着所有的场，比如引力和电磁场就必须精确地为零。然而，场的值及其随时间的变化率与粒子的位置和速度（也就是位置的改变）相像：不确定性原理意味着，人们越精确地知道这些量中的一个，则只能越不精确地知道另一个量。所以，如果在空的空间中的一个场被精确地固定在零上，那么它就既有准确的值（零），又有准确的变化率（也为零），这就违反了上述原理。这样，在场的值中必须有不确定性或者量子涨落的某个最小量。

人们可以将这些涨落看成许多在某一时刻同时一起出现，运动分开，然后又走到一起，并且相互湮灭的粒子对。它们像携带力的粒子一样是虚粒子，而不像实粒子，它们不能用粒子检测器直接观测到。然而，它们的间接效应，诸如电子轨道的能量的微小改变，可以测量到，而这些数据和理论预言符合的精确程度令人印象深刻。在电磁场涨落的情形下，这些粒子是虚光子，而在引力场涨落的情形下，它们是虚引力子。然而，在弱力场和强力场涨落的情形下，虚粒子对是物质粒子对，例如电子或者夸克以及它们的反粒子。

问题在于虚粒子具有能量。事实上，因为有无数的虚粒子对，它们似应具有无限的能量，因此，由爱因斯坦的方程E=mc2（见第5章）可知，它们似应具有无限的质量。根据广义相对论，这意味着它们的引力会将宇宙弯曲到无限小尺度。那显然没有发生！在其他部分理论——强、弱和电磁力的理论——中也发生类似的似乎荒谬的无限大，但是所有这些情形下的无限大都可用称为重正化的过程消除掉，这就是为什么我们能够创造出那些力的量子理论。

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虚粒子/反粒子对的费恩曼图

把不确定性原理应用到电子，就使得即便在空虚的空间中，虚粒子/反粒子对也会出现，然后再相互湮灭。

重正化牵涉到引入新的无限大，它具有消除理论中产生的无限大的效应。然而，它们无需被准确地消除。我们能够选择这新的无限大以便留下小的余量。这些小的余量在理论中称为重正化的量。

尽管在实际中这个技巧在数学上相当可疑，但是它似乎的确行得通，并用来与强、弱和电磁力的理论一起做出预言，这些预言和观测的一致达到非凡的精度。然而，从企图找到一个完备理论的观点看，由于重正化意味着不能从理论预言质量和力的强度的实际值，它们必须被选择出来去符合观测，因此重正化具有一个严重的缺陷。不幸的是，在企图利用重正化从广义相对论中消除量子的无限大时，我们只有两个可以调整的量：引力的强度和宇宙常数的值。因为爱因斯坦相信宇宙不再膨胀，他将宇宙常数项引进了他的方程（见第7章）。结果是，调整它们不足以消除所有的无限大。因此人们得到的量子引力论似乎预言，诸如时空曲率之类的某些量真的无限大——但是观察和测量表明这些量全然有限！

把广义相对论和不确定性原理结合在一起可能会有这个问题，这一点被质疑了一段时期，在1972年通过仔细的计算后才得到最后证实。4年之后，科学家提出了一种叫做超引力的可能解决方法。不幸的是，去找出在超引力中是否存在未被对消而留下的无限大的计算，是如此之冗长和困难，以至于没人准备着手去进行。即使利用计算机，预计也要花费许多年，况且至少犯一个也许更多错误的可能性是非常大的。于是只有当其他人重复计算，并得到同样答案时，我们才能断定已经取得了正确的答案，但这似乎是不太可能的！尽管存在这些问题，尽管超引力理论中的粒子似乎和观测到的粒子不相符合，大部分科学家仍然相信，可以修改超引力理论，它也许是统一引力和其他力问题的正确答案。然后，在1984年，人们的看法发生了显著的改变，他们转去喜欢所谓的弦理论。

在弦论之前，人们认为每个基本粒子占据空间中的单独的点。在弦论中，基本对象不是点粒子，而是具有长度但不具有其他维，正如一段无限细的弦的东西。这些弦可以有端点（所谓的开弦），也可以自身首尾相接成闭合的圈环（闭弦）。一个粒子在每一时刻占据空间的一点。另一方面，一根弦在每一时刻占据空间的一根线。两段弦可以连接在一起，形成一根单独的弦；在开弦的情形下，只要将它们的端点连在一起即可，在闭弦的情形下，像是两条裤腿合并成一条裤子。类似地，一根单独的弦可以分解成两根弦。

如果弦是宇宙中的基本对象，那么我们在实验中似乎观测到的点粒子又是什么呢？在弦论中，原先认为是不同的点粒子，现在被描绘成弦上的各种波，犹如振动着的风筝的弦上的波。但是，弦以及沿着它的振动如此之微小，甚至我们最好的技术都不能识别它的形状，所以在我们的所有实验中，它们像微小的没有特征的点在行为。想象凝视一个小尘埃：你靠近它，或者在显微镜下就会发现这斑点具有无规则的甚至类弦的形状，但从远处看，它就像一个无特征的点。

在弦论中，一个粒子被另一个粒子发射或者吸收，与弦的分解与合并相对应。例如，太阳作用到地球上的引力，在粒子理论中被描绘成由称为引力子的携带力的粒子引起的，太阳上的一个物质粒子发射出引力子，并被地球的一个粒子吸收。在弦论中，这个过程相应于一个H形状的管（弦论在一定程度上有点像管道工程）。H两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而水平的横杠对应于在它们之间运动的引力子。

弦论的历史很古怪。它原来是20世纪60年代后期发明的，试图用来找出一个描述强力的理论。其思想是，诸如质子和中子这样的粒子可以被认为是一根弦上的波。这些粒子之间的强力对应于连接其他一些弦片段之间的弦片段，正如在蜘蛛网中一样。这弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带，理论才能给出粒子之间强力的观察值。

1974年，巴黎高等师范大学的朱勒·谢尔克和加州理工学院的约翰·施瓦兹发表了一篇论文，指出弦论可以描述引力的性质，只不过在弦上的张力大约是1 000万亿亿亿亿吨（1后面跟39个零）。在通常尺度下，弦论的预言和广义相对论的预言刚好相同，但是在非常小的距离下，即是比10亿亿亿亿分之一厘米（1厘米被1后面跟33个零除）还小时，它们就不一样了。然而，他们的工作并没有引起太多的注意，因为大约正是那时候，大多数人抛弃了原先的强力的弦论，而倾心于以夸克和胶子为基础的理论，后者似乎和观测符合得更好得多。谢尔克死得很惨（他受糖尿病折磨，因身边没人给他注射胰岛素而昏迷死去），这样一来，施瓦兹几乎成为弦论的唯一支持者，只不过现在设想的弦张力要大得多而已。

1984年，人们对弦论的兴趣突然复活，显然由于两个原因，其中的一个原因是，在证明超引力是有限的或者用它解释我们观察到的粒子种类方面，人们未能真正取得多少进展。另一个原因是，约翰·施瓦兹这一回和伦敦玛丽皇后学院的迈克·格林发表了另一篇论文。这篇论文指出，弦论能够解释内禀的左手征的粒子存在，正如我们观察到的一些粒子那样。（当你将实验装置完全对调成像它在一面镜子里反射的那样，多数粒子的行为将是相同的，但是这些粒子的行为会改变。它们仿佛是左撇子——或者右撇子，而不是左右手都灵巧的。）不管是出于什么原因，许多人很快开始做弦论的研究，而且发展了新的版本，它似乎能够解释我们观测到的粒子种类。

弦论也导致无限大，但是人们认为它们在正确的版本中会完全对消掉（虽然这一点还未确认）。然而，弦论有更大的问题：似乎只有当时空是十维或者二十六维，而不是通常的四维时，它们才是协调的！当然，额外的时空维是科学幻想的老生常谈。它们的确提供了一种理想方法，克服广义相对论中人们不能超光速或者逆时旅行的通常限制（见第10章）。其思想是通过额外维抄近路。你可用以下方法描绘这一点。想象我们生活的空间只有二维，并且弯曲成像一个锚环或甜圈饼的表面。如果你处在这环的内侧一边，而要到环内侧的另一边的点上去，你必须沿着环的内边缘上的圆圈走，直至目标点。然而，如果你能够在第三维空间里旅行，则可以离开这环，直接穿过去。

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弦论中的费恩曼图

在弦论中，长距力被看成由连接它们的管子，而非携带力的粒子交换引起的。

如果这些额外维确实存在，为什么我们全然没有觉察到它们呢？为什么我们只看到3个空间维和1个时间维呢？人们的看法是，其他的维不像我们习惯的维那样。它们被卷曲成非常小的尺度的空间，大约为1英寸的一百万亿亿亿分之一。我们根本无从觉察到这么小的尺度：我们只能看到1个时间维和3个空间维，在这些维中的时空是相当平坦的。想象一根麦秸的表面就能知道怎么回事了。如果你近看它，就会发现其表面是二维的。也就是说，由两个数来描述麦秸上的点的位置，一个是沿着麦秸的长度，一个是围绕着圆周方向的距离。但是其圆周的维比其长度的维小很多。正因为这个原因，当你远看麦秸时，你分辨不出它的粗细，而它就显得是一维的了。也就是说，仿佛你只要给出沿麦秸的长度，就可以指明点的位置。于是关于时空，弦论家们是这样说的：在非常小的尺度下它是十维的，并且被高度弯曲，但是在更大的尺度下你看不见这种曲率或者额外维。

如果这幅图像是正确的，对于有望成为空间旅行者的人来讲可是个坏消息：额外维实在是太小了，不允许宇宙飞船通过。然而，它也给科学家提出了一个重要问题：为何是一些而不是所有维都被卷曲成一个小球？也许在宇宙的极早期，所有的维一度非常弯曲。为何1个时间维和3个空间维被摊平开来，而其他的维仍然紧紧地卷曲着？

所谓的人存原理可能提供一个答案。人存原理可以释义为：“我们看到的宇宙之所以是这个样子，那是因为我们存在。”人存原理有弱的和强的两种版本。弱人存原理是说，在一个空间和/或时间大的或者无限的宇宙里，只有在空间和时间有限的一定区域，才存在智慧生命发展的必要条件。因此，在这些区域中，如果智慧生物观察到它们在宇宙中的位置满足它们生存所需的那些条件，它们就不应感到惊讶。这有点像住在富裕街坊中的富人，看不到任何贫穷。

有的人走得远得多，并且提出这个原理的强版本。按照这个理论，要么存在许多不同的宇宙，要么存在一个单独宇宙的许多不同区域，每一个都有自己的初始结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些宇宙的大多数中，不具备复杂机体发展的适当条件；只有在和我们相像的少数宇宙中，智慧生命才得以发展并能质疑：“为何宇宙是我们看到的这种样子？”其答案很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这里！

很少人会对弱人存原理的成立或有效性提出异议，但是人们会对用强人存原理解释所观察到的宇宙状态提出一些反对的理由。例如，在何种意义上，我们可以说所有这些不同的宇宙存在？如果它们确实互相分离，那么在其他宇宙发生的事件，就不能在我们自己的宇宙中有任何可观测的后果。所以，我们应该用经济原理，将它们从理论中割除掉。另一方面，如果它们仅仅是一个单独宇宙的不同区域，则在每个区域里的科学定律必须是一样的，否则我们便不能从一个区域连续地运动到另一个区域。在这种情况下，不同区域的初始结构便是它们之间仅有的差别。这样强人存原理即归结为弱人存原理。

为何弦论的额外维被卷曲起来，人存原理可能提供一个答案。二维空间似乎不足以允许像我们这样复杂的生命发展。例如，在一个圆周（一个二维地球的表面）上生活的二维动物为了互相通过，就必须一个爬到另一个之上。而且如果一个二维动物吃东西时不能将其完全消化，则它必须将其残渣从吞下食物的同一通道吐出来，因为如果有一个穿过全身的通道，它就将这动物分割成分开的两半：我们的二维动物就解体了。类似地，很难看出在二维动物身上怎么可能有血液循环。

多于3个空间维也有问题。两个物体之间的引力随距离衰减得将比在三维空间中更快。（在三维空间内，当你把距离加倍，则引力减小到1/4。在四维空间中减小到1/8，在五维空间中则为1/16，等等。）其意义在于使像地球这样围绕着太阳的行星的轨道变得不稳定：从圆周轨道的最小的偏离（比如由其他行星的引力吸引引起的）会使地球以螺旋线的轨道向外离开或者向内落到太阳上去。我们就要么会被冻死，要么会被烧死。事实上，在维数多于3的空间中，引力随距离变化的同样行为意味着，太阳不可能在压力和引力相平衡的一个稳定状态下存在。太阳要么被四分五裂，要么坍缩形成一个黑洞。在任一情况下，作为地球上生命的热和光的来源而言，它没有多大用处。在更小的尺度下，原子中使电子围绕着原子核转动的电力的行为也正和引力一样。这样，这些电子要么从原子核逃逸出去，要么以螺旋的轨道落到原子核内去。在任一情形下，我们所知道的原子都不会存在。

看来很清楚，至少正如我们所知，生命只能存在于1个时间维和刚好3个空间维没被卷曲得很小的时空区域里。这表明，只要我们可以证明弦论至少允许宇宙的这样的区域存在——看来弦论确实能做到这一点，我们便可以诉求弱人存原理。同样，也许存在宇宙的其他区域或其他宇宙（不管那是什么含意），那里所有的维都被卷曲得很小，或者多于四维是几乎平坦的。但在这样的区域里，不会有智慧生物去观察这不同数目的有效维。

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空间是三维的重要性

在多于三维的空间中，行星轨道将是不稳定的，而行星要么以螺旋线的轨道向内落到太阳上去，要么完全逃脱它的吸引。

除了维数的问题，弦论的另一个问题是，至少有5种不同的弦论（两种开弦和三种不同的闭弦理论）存在，而且弦论还预言，可以用极其繁多的方式卷曲额外维。为什么仅仅应该挑选一种弦论和一种卷曲方式？这问题一度似乎没有答案，因而无法向前进展。后来，大约从1994年起，人们开始发现所谓的对偶性：不同的弦论以及额外维的不同卷曲方式会导致在四维时空中的同样结果。不仅如此，除了在空间占据一点的粒子，以及线状的弦，还发现了另一种称做p-膜的东西，它在空间占据二维或更高维的体积。（粒子可认为是0-膜，而弦为1-膜，但是还存在p=2到p=9的p-膜。2-膜可认为是像二维薄膜的某种东西。描绘更高维的膜更加困难。）这似乎表明，在超引力、弦以及p-膜理论中有某种民主（在拥有同等发言权的意义上）：它们似乎和平相处，没有一种声称比另一种更基本。相反，它们似乎都是对某种更基本的理论的不同近似，每一种理论在不同情形下成立。

人们探索过这个基本理论，但是迄今毫无成就。正如哥德尔证明的不可能用单独的一组公理系统来表述算术一样，很可能类似地，基本理论的任何单独表述并不存在。相反，它也许和地图相像——你不可能只用一张单独的平面地图去描绘地球的球形表面或者锚圈的表面：对于地球，你至少需要两张地图去覆盖每一点，而对于锚圈，则需要4张。每张地图只对一个有限的区域有效，但是不同的地图有一个交叠的区域。整套地图就完整地描述了该表面。类似地，在物理学中对不同的情形也许需要使用不同的表述，但是两种不同表述在它们都应用的情形下要相互一致。

如果情形果真如此，则整套不同的表述可以被认为是完备的统一理论，尽管它不再是能够依照单独的一组假设来表达的理论。但是，也许自然苛刻得连这个也不容许。可能根本就没有统一理论？也许我们仅仅是在追求海市蜃楼？看来有三种可能性：

1.确实存在一个完备的统一理论（或者一堆交叠的表述），如果我们足够聪明的话，总有一天将会找到它。

2.并不存在宇宙的终极理论，仅仅存在一个越来越精密，但绝不可能完全准确地描述宇宙的无限的理论序列。

3.并不存在宇宙的理论：事件在一定程度之外不可能被预言，仅仅是以一种随机和任意的方式发生。

有些人基于以下理由赞同第三种可能性，如果存在一套完备的定律，这将侵犯上帝改变其主意并对世界进行干涉的自由。然而，既然上帝是无所不能的，如果上帝乐意的话，难道他就不能侵犯他自己的自由吗？这有点像那古老的二律背反：上帝能制造一块重到连他都不能举起的石头吗？上帝想要改变他主意的思想，实际上，正如圣·奥古斯丁指出的，是把上帝想象成存在于时间中的生物的谬误的例子。时间只不过是上帝创造的宇宙的一个性质。可以设想，当他创造宇宙时，知道自己所有的企图！

随着量子力学的出现，我们认识到，由于总有一定程度的不确定性，所以不可能完全精确地预言事件。如果你愿意，你可以将此随机性归结为上帝的干涉。但这将是一种非常奇怪的干涉，没有任何证据表明它具有任何目的。的确，如果它有目的，则按定义就不会是随机的。当今，由于我们重新定义科学的目标，所以已经有效地排除了上述的第三种可能性：我们的目的是表述一套定律，这些定律使我们能够只在不确定性原理设定下的界限之内预言事件。

第二种可能性，也就是存在一个无限的越来越精制的理论序列，这和我们迄今为止的所有经验相符合。我们在许多场合增加了测量的灵敏度，或者进行了新的类型的观测，只是为了发现还没被现有理论预言的新现象，而为了解释这些，我们必须发展更高级的理论。从研究以越来越高能量相互作用的粒子，我们也许真的可以期待找到比我们现在以为是“基本”粒子的夸克和电子更基本的新结构层次。

引力可以为这个“盒子套盒子”的序列提供极限。如果我们有一个能量比称做普朗克能量更高的粒子，其质量就会集中到如此程度，以至于它自身会脱离宇宙的其他部分，而形成一个小黑洞。这样看来，当我们往越来越高的能量去的时候，越来越精制的理论序列应当有某个极限，于是一定存在宇宙的某种终极理论。可是，目前我们在实验室中可产生的最大能量离普朗克能量还非常远。我们不可能在可见的未来用粒子加速器填补其间的差距。然而，宇宙的极早期阶段正是这样大的能量应该出现过的舞台。早期宇宙的研究和数学一致性的要求，很有可能会使我们中的某些人在有生之年获得一个完备的统一理论。当然，这一切都有个前提，即我们不首先使自身毁灭！

如果我们确实发现了宇宙的终极理论，这意味着什么？

正如在第3章解释过的，我们将永远不能完全肯定，我们是否确实找到了正确的理论，因为理论不能被证明。但是如果理论在数学上是协调的，并且总是给出与观察一致的预言，我们便有理由相信它是正确的。它将为一个光辉的篇章打上一个休止符，那是人类智慧为理解宇宙的斗争的长期历史。但是，它还会变革常人对制约宇宙定律的理解。

在牛顿时代，一个受过教育的人至少在梗概上能够掌握人类知识的整体。但从那以后，科学发展的步伐使之不再可能。因为理论总是被改变以解释新的观测，它们从未被适当地消化或简化到使常人能够理解。你必须是一个专家，即便如此，你只能希望适当地掌握科学理论的一小部分。此外，科学进步的速度如此之快，以至于在中学和大学所学的东西总是有些过时。只有很少人可以跟得上知识快速进步的前沿，但他们必须贡献全部的时间，并且局限在一个很小的领域里。其余的人对于正在做出的进展或其引发的激动，所知甚少。另一方面，70年以前，如果爱丁顿的话是可信的，那么只有两个人理解广义相对论。今天，成千上万的大学毕业生能理解，并且几百万人至少熟悉这种思想。如果科学家发现了一套完备的统一理论，以同样方法将其消化并简化，在学校中至少讲授其梗概，则只是迟早的问题。那时我们大家就都能够对制约宇宙并对我们的存在负责的定律有所理解。

即使我们发现了一套完备的统一理论，但由于两个原因，这并不表明我们能够一般性地预言事件。第一是量子力学的不确定性原理给我们的预言能力设立的限制，对此我们无法克服。然而，比第一个限制更为严厉的实际上是第二个限制。这是由以下的事实引起的，除了非常简单的情形，我们多半不能准确解出这样一种理论的方程。正如我们说过的，对于包含一个核与多于一个电子的原子，无人能够准确地解出其量子方程。甚至在像牛顿引力论这么简单的理论中，我们都不能准确地求解三体的运动，而且随着物体的数目和理论复杂性的增加，困难越来越大。近似解对于应用通常已经足够了，但是它们和“万物统一理论”这一术语激起的伟大期望毫不匹配！

今天，除了在最极端条件下以外，我们已经知道规范物体在所有条件下的行为的定律。特别是，我们已知道作为所有化学和生物的基础的基本定律。然而，我们肯定还不能将这些学科归于已解决的问题的地位。而且我们用数学方程来预言人类行为成效甚微！所以，即使我们确实找到了基本定律的完备集合，在未来的岁月里，我们仍面临着在智慧上挑战性的任务，那就是发展更好的近似方法，使得在复杂而现实的情形下，能够做出对可能结果的有用预言。一个完备的协调的统一理论只是第一步：我们的目标是完全理解我们周围的事件以及我们自身的存在。