几乎所有

我们的现实生活美丽而复杂，这几乎都要归功于量子场论的三种力：强核力、电磁力、弱核力。

没有强核力，原子中心就没有稳定存在的原子核，质子会迅速飞散，而无法形成物质。胶子和夸克把所有东西连在一起，不然宇宙中就只剩下氢原子了。你体内的碳、氮、氧、磷、硫、钠、氯、钙和铁，事实上包括整个元素周期表中的元素，它们的存在都要归功于量子色动力学。

这些元素结合在一起，就能形成复杂的化学分子，而电子通过光子传递来交换能量，使每一个化学反应得以发生。不仅如此，你所站的地方会对你产生排斥，这是因为你脚上的电子与地球的电子能够相互施加力，而根本原因是电子和光子的相互作用。

当你推拉某物，当你感受到摩擦力和拉力，当你体验到浮力或者任何牛顿力学描述的现象时，你都是在体验光子场的电斥力。由于光的存在，你可以在第一时间看到所有这些现象，这也是光子场的作用。所有的化学、所有的经典物理、所有的光学、所有这些行为都服从量子电动力学。

接下来还有宏伟的生物学。生物学是最复杂的科学，最简单的生物学结构是由数十亿个原子组成的分子链。当DNA链在细胞中复制时，基因编码中的突变会把新的特征传递下去，使物种随着时间趋异和演化。这些突变有时是由复制过程中的转录错误引起的，但这不会被遗传下去。地球上生命的真正礼物是渗透到我们大气层中的放射性粒子，它们扰乱了编码的过程：太阳风和天文现象的残余物使粒子在冰冷的太空中衰变。

如果没有W玻色子或Z玻色子，这种放射性衰变就不会发生，地球上的生命就会只局限于岩池中的几十种细菌。如果没有W玻色子或Z玻色子，太阳中心的夸克就无法把质子转变成中子，核聚变就无法发生，那么太阳也就不会发光。如果没有电弱理论，宏伟壮观的生物多样性与生命的可持续发展前景就会轰然崩塌。

夸克和轻子构成了你的身体，光子、胶子和玻色子告诉它们如何反应，希格斯玻色子赋予你质量，中微子使一切保持平衡，粒子物理的标准模型和根本的量子场论解释了所有这些问题。

我们并非全知，仍然有很多有趣的问题留待解答，但量子场论给我们指出了正确的方向。诚然，我们只是在这个领域迈出了一小步，但我们不再盲目摸索。历史上的每一个事件都是粒子与场相互作用的结果，我们现在有了一个框架来解释它们。但还有一个问题是量子场论无法解决的，那就是引力。

比弱核力还弱

苹果砸在牛顿头上的故事有几分可疑。事实上他是在林肯郡看到苹果从家附近的一棵树上落下来的，这让他感到很奇怪。[1]

下落苹果所受的力，大部分可以用简单的力学来解释。树枝的折断是茎中原子重新排列的结果。当苹果在空气中移动时，它会“撞击”空气中的粒子，使自己的加速度减慢。当苹果撞在地面时，我们可以用更简单的理论来解释为什么它以某种方式着陆、翻滚和分裂。

所有这些现象都是粒子和粒子相互作用的结果，大多数都可以用QED和电子-光子理论来解决。但最开始是什么让苹果落地的呢？这才是真正的问题。

牛顿并没有创造引力。在1687年(1)以前，（人们认为）没有什么东西能飘浮在空中。牛顿意识到引力是物质本身的一种力。苹果并不像亚里士多德认为的那样，出于偏好而落地。它在下落时速度越来越快，这意味着一定有什么东西在主动拉它。

有一个简单的方法可以证明这一点：相比于从几厘米高处落地的苹果，从树上落地的苹果的冲击力更大。很明显，物体下落时间越长，速度越快。如果有什么东西使苹果速度越来越快，那么一定有什么东西给它施加了力。

牛顿的结论是，有质量（后来爱因斯坦进行了修正，把能量加入进来）的物体通过某种无形的介质相互吸引，现在我们把这种介质称为“引力场”。与弱核力、电磁力及强核力一样，引力是自然界的一种基本力。

你的直觉可能是，引力是四种力中最强的，但实际上，它比弱核力还要弱约一万亿倍。但引力仍然是一种不可忽视的力（不用谢），因为它的范围无边无际，作用于任何物体。引力非常贪婪，夸克、轻子、胶子、光子、W玻色子、Z玻色子和希格斯玻色子都被它吸引。

强核力、弱核力与电磁力欢快地从一个粒子跳跃到另一个粒子，它们几乎没有注意到潜伏在阴影之中的引力。引力巧妙而不动声色地把各种事物连在一起，让它们没有懊悔的余地，也无法逃离，哪怕是光，哪怕是时间，都无法摆脱引力。

现在，当你坐着阅读的时候，你手上的这本书正在通过引力吸引你的脸，你的脸也在吸引这本书。你不会注意到这么小的引力，因为需要行星那么大的引力才能产生重要的效果。但你周围的一切事物都在非常缓慢地向其他一切事物坍塌。

你可以小规模地短暂地克服引力—磁铁可以轻易地把回形针从地上吸起来，但当你放眼全局，会发现引力正在把所有事物拉向地表，要克服这种引力需要付出极大的努力。

其他三种力可以通过引入在物质间移动的虚粒子来解释，因此我们也可以引入一个类似的粒子来解释引力：引力子。

然而，我们很难发现引力子，因为引力非常弱。要产生足够的能量来扰动这个场，我们需要一个星系规模的粒子对撞机。就算我们这样做了，碰撞产生的庞大能量将在撞击点形成一个黑洞，黑洞会吸入所有引力子，我们永远也看不见它们。除非我们能找到另一种探测粒子和场的方法，否则引力子将永远隐藏。

找不同

引力在许多方面与其他三种力不同。引力与这三种力之间有一点不对称（就像电磁力与弱核力彼此有一点不对称），而且它是物理学中无可争议的卡西莫多(2)。下面是我们谈到引力时遇到的麻烦。

1. 引力比其他三种力更弱，相差的量非常惊人。其他三种力的强度相当于在一根绳子上插大头针，我们可以把它们都放在1厘米之内，因为它们的力量是相当的。而引力的大头针应该放在仙女座星系的某个地方。(3)

2. 利用量子场论，我们可以预测真空中包含多少能量（把所有虚粒子加在一起）。真空中的总能量大约相当于10105焦耳每立方厘米，然而我们通过观测星系中引力的作用，实际测量到的能量是10-15焦耳每立方厘米。量子场论的预测值与引力场的测量值相差几亿万万倍。我们已经知道，量子场论“自诩”是所有科学中最精确的预测，可一旦把引力纳入其中，它就成了科学中最糟糕的预测。

3. 费米子（夸克、电子和中微子等物质粒子）的特征之一是占据空间。这种特性叫“泡利不相容原理”，它是一种粒子属性，即粒子的能量和位置是独有的。费米子竭尽所能地保持分离，但当黑洞中有足够的引力时，粒子就会被强行压在一起。在量子场论中，泡利不相容原理是不可违背的，而引力理论很轻易地打破了这一点。

4. 爱因斯坦的广义相对论描述了引力的原理，它涉及能量、质量、时间、光和空间。官方记录表明，爱因斯坦在1916年提出这一理论，但很少有人知道，他在1912年就提出了这个方程，只是悄悄地舍弃了它，[2]原因也许是他觉得这是错的。

广义相对论描述了物体周围时空弯曲而产生的畸变，我们视之为“引力”。这个理论与实验完美贴合。广义相对论基于一个关键的假设：空间中每一点都是平滑的，并且有一个明确的值。然而，在量子力学中，海森堡不确定性原理认为这是不可能的。所有场和粒子都在振动，这意味着任何东西都不可能是光滑的。引力子必须遵循海森堡不确定性原理，但引力本身显然不遵循。

5. 其他三种力的场坐落在真空的背景之下，粒子可以被挤出，但场的形状遵从可感知的几何形状。然而在广义相对论中，空间可以弯曲。

那些已经习惯了沿直线运动的粒子，突然发现自己周围的空间改变了形状后会有何反应，我们无法解释这将如何影响它们。我们可以用引力解释一大堆粒子的情况，但很难计算单个粒子的引力。

引力不只是家庭聚会里那个不合群的孩子，它还是个从背后踢人、朝电视撒尿的恶霸。在不考虑引力的时候，量子场论运行良好，但就在我们考虑引力的时候，一切轰然崩塌。这可能是有史以来最糟心的事情。

知识之树

地表附近的每一个物体都被引力拉向地球。牛顿意识到同样的力也作用于宇宙中的太阳、月亮和所有行星，因为引力是一种普遍规律（万有引力），一视同仁地作用于万物。多亏了牛顿，我们才能用一个简单的解释把两个明显不同的现实领域联系在一起。

几个世纪后，爱因斯坦发现能量是同一框架的一部分，并将这些纳入相对论。这再一次证明，物理学的两个分支通过原本隐藏的关系联系在一起。

同时，迈克尔·法拉第发现，被认为各自独立的电场和磁场是同一个场的不同方面，这给了我们一个包含电、磁、光的统一解释。

接下来，量子物理学家接受了电磁理论，把它与粒子物理联系起来，催生了量子电动力学。然后，他们又把量子电动力学与放射性、弱核力结合起来，得出了电弱理论。

同样的事情一遍又一遍发生。我们从知识之途的不同地方出发，这些起点似乎毫无关联，但我们在这些路径上得到了合乎逻辑的结论，发现了这些不相关的理论之间的联系，就像树上的细枝连在一起，形成大树枝。我们越研究宇宙，发现这些联系就越多。

目前，我们的知识之树是一个理论网络，它有三根主要的大树枝。第一个是广义相对论，可以解释天文学、宇宙学和引力；第二个是电弱理论，可以解释质量、光、放射性、经典力和化学；第三个是量子色动力学，可以解释原子核。我们很快就要把后两者结合起来了。

我们正在寻找巧妙的方法，把电弱理论和量子色动力学结合起来，得到“大统一理论”，或者叫GUT。它可以解释整个标准模型。

如果我们能成功设计出GUT，就可以用两根大树枝解释物理学中的一切：广义相对论解释引力，完整的量子场论解释引力之外的全部。我们最终能拼成一个完整的树干吗？有没有一个单独的万有理论可以解释引力和量子力之间的矛盾？我们不知道，但我们肯定会尝试。

起点

一个世纪以前，我们认为自己找到了答案。量子力学教我们保持谦逊。与其说科学正在走向尽头，不如说一切才刚刚开始，这是个令人兴奋的理由。我们面临艰巨的任务，但我们在如此短的时间内就取得了巨大的进展，我因此怀有强烈的希望。

人类不仅生来就有求知欲，还有能获取知识的大脑。我们不喜欢听到“没有人知道”，我们决心要找出人类在宏伟蓝图中的位置。这就是为什么我们从不放弃回答问题和质疑答案。宇宙的复杂可能超出我们的想象，但既然我们能理解量子力学，谁知道我们还能做什么呢？

为此，也为了其他原因，我真诚地相信，科学将拯救人类。

(1)　这一年，牛顿的《自然哲学的数学原理》出版。—译注

(2)　引力很特殊，在物理学家眼里很突兀、不美观，犹如卡西莫多。—译注

(3)　比如说电磁力的大小是1N，强核力的大小是1.01N，弱核力的大小是0.99N，而引力的大小是0.0000000001N。若在一条线上，前三个力相隔非常近，而引力与其他三个力相隔非常非常远。——译注