那个不肯加入量子俱乐部的力
在标准模型那一级阶梯的尽头，你握住了一座了不起的奖杯：自然界四种力中的三种——强、弱、电磁——被写进了同一套共享的量子语言，在那里每一次相互作用都是一个顶点，每一种力都由一个被交换的粒子来传递。攀上这一级，你看着人们试图把这份统一推得更远：超对称把粒子清单翻了一番，大统一在极高能处把三种力折叠成一种。但请留意，那每一步都悄悄绕过了一样东西。它们没有一个把引力纳入进来。
我们确实有一套壮丽的引力理论——爱因斯坦的广义相对论，它把引力根本不当作一种力，而看成质量与能量对时空的弯曲。它通过了每一项检验，从星光的偏折到我们如今能“听见”的、黑洞相撞激起的涟漪。问题在于，它说的是一种与量子世界全然不同的数学方言。标准模型是量子的、抖动的、由一份份离散的交换构成；广义相对论是平滑的、确定性的、几何的。量子引力，就是这两者之间那缺失的翻译的名字——而把二者缝合起来，被广泛判定为整个物理学中唯一最深的未解难题。
为什么这么难？最显而易见的招数，是照搬对光子奏效的办法：把引力当作一种由粒子——引力子——携带的量子力，给它画费曼图。麻烦在于，当你计算超出最简单的图时，答案会膨胀成无法驯服的无穷大——用行话说，引力是不可重整化的。那个曾驯服电磁的把戏，干脆失灵了。对于我们所测量的几乎一切，这都无关紧要，因为两个粒子之间的引力，比其他力孱弱到惊人的地步。这场冲突只在引力很强、而距离又极小这两件事同时发生的地方才咬人。
两套理论撕裂之处
要感受这场冲突究竟住在哪里，你需要一个尺度。把物理学中最深的三个常数——引力常数 G、光速 c，以及普朗克的量子常数——组合起来，恰好只有一种办法能用它们拼出一个能量。那个数字就是普朗克能量，它高得令人咋舌：约比大型强子对撞机所及的能量还高出一千万亿倍。与之相配的长度，普朗克长度，约为十的负三十五次方米——它比质子小的程度，就像质子比一个星系小的程度那样。只有在那里，时空本身才变得量子而不确定。
E_Planck = sqrt(hbar * c^5 / G) ~ 1.2e19 GeV (LHC reaches ~1.4e4 GeV)
现实宇宙里有两个地方，会同时把引力和量子拽到那个尺度，而在那里，我们这两套理论看得见地撕裂开来。其一是大爆炸之后的最初一瞬，那时整个空间被压进一个比原子还小的区域。其二是黑洞的中心，广义相对论在那里预言曲率会冲向无穷——一个“奇点”，其实只是理论被推过自身极限的一个信号。问一问落进黑洞的信息会怎样，相对论和量子力学给出的答案直接互相矛盾。这个矛盾不是趣闻；它是这个领域在高声宣告：有某种更深的东西缺失了。
一个想法：把每个点都换成一根弦
现在轮到那位领跑的候选者。你迄今见过的每一种理论，一路回溯到第一级阶梯，都把粒子想象成一个点——有位置却没有大小。弦论做了一处激进的修改：把每个点换成一根微小的振动的弦，远比质子还小。仅这一处改动，就做成了几乎魔法般的事。正如一根吉他弦依其抖动方式不同能唱出许多不同的音，一种弦也能依其振动模式不同，表现为电子、光子、夸克——任何粒子——的样子。整座粒子动物园，坍缩成同一个物体奏出的不同曲调。
把这从一个漂亮比喻里拔升出来的，是数学里不请自来掉出的东西。当你仔细算过一根弦的振动，会发现其中一种模式，恰好具有引力子该有的全部性质——一个无质量、自旋为 2 的引力传递者。你并没有把引力放进去；它自己冒了出来。对一个数十年来都无法把引力塞进量子图景的领域来说，引力竟自动现身，是弦论最诱人的那一点。这正是为什么有那么多人把它当作通往量子引力、乃至通往那个终极奖项——把四种力统一进同一个框架的梦想——的认真路线。
然而代价高昂，诚实要求把它说出来。只有当空间拥有比我们所穿行的三个维度更多的维度时——通常是六或七个额外维度，卷曲得极小、小到我们从不察觉，也就是你在这一级稍早见过的额外维度——弦的数学才保持自洽。那些自洽的版本还要求超对称，这正是它的全名常叫“超弦理论”的缘故。所以这个优雅地变出引力子的框架，是以索取一套隐藏的几何和一份翻倍的粒子清单为条件的——而这两样我们都从未观测到。
图景与多重宇宙
故事在这里转入它最具争议的一幕。那些额外维度必须卷曲成某种特定的形状，而结果是，可供选择的形状并非寥寥几种，而是多到令人头晕——常被引用的估计高达十的五百次方，甚至更多。每一种形状给出一种不同的卷曲几何，而至关重要的是，每一种都在我们熟悉的四维世界里产生一套不同的有效物理：不同的粒子质量、不同的力的强度，甚至连空旷空间的能量都有一个不同的取值。这一片浩瀚的可能性集合，被称为弦景观，它正是对这套理论最深忧虑的根源。
一些物理学家拥抱这片景观，而非畏惧它。倘若在极早期宇宙里，不同的区域各自安顿成不同的形状，那么现实也许就是一个多重宇宙——一个由众多彼此分隔的疆域组成的庞大集合，每一个都有自己的粒子物理，而我们这个不过是无数泡泡中的一个。这把一些老谜题重新框定了。为什么空旷空间的能量如此荒谬地小、却又不恰好为零？也许在大多数泡泡里它都很大、对生命充满敌意，而只有在那些罕见而温和的泡泡里，星系、恒星和观察者才能形成——于是我们自然会发现自己身处其中之一。这种“我们看到它，是因为我们就在这里”的论证方式，叫做人择推理。
另一些人觉得这是退却，而非回答。最初的指望是，一套终极理论会唯一地预言我们的粒子质量与力的强度——解释这些数字为什么偏偏是这些值。而一片几乎允许任意取值、唯独靠“我们恰好在场发问”才把我们这个宇宙挑出来的景观，会让人感觉像是放弃了预言。这场争论是真切而未决的：多重宇宙究竟是对“解释”一词含义的深刻拓宽，还是一个把理论推到检验所及范围之外的托词？你应当把两种看法都放在心里。哪一方都还拿不出一项能一锤定音的测量。
对证据的一次诚实清算
现在轮到这整整一级阶梯训练你去索要的那一部分了：证据在哪里？直白的回答是，弦论至今没有做出任何已被证实、可检验、并能把它与对手区分开来的预言。原因有两个，且都是真的。第一，它的自然能量尺度是普朗克尺度——也就是高出大型强子对撞机一千万亿倍的那道鸿沟——所以要造一台机器去直接探测一根弦，不只是昂贵，而是用任何近似当前技术的手段都毫无指望。第二，那片景观意味着：对于几乎任何实验结果，理论的某个角落大概都能把它容纳下来，这使它危险地难以被证伪。
这并不意味着弦论一文不值——远非如此。它作为数学硕果累累得惊人，还产出了一个真正深刻的物理洞见，即“全息原理”：一个令人意外的想法——某个体积里含有引力的理论，可以被一个活在该体积边界上、不含引力的量子理论精确地镜像出来。这种对偶已成为物理学别处的一件实用工具，哪怕那里根本没有弦。所以即便是批评者也该承认，这番努力确实带来了实实在在的智识红利。公允的裁决是：它是一个有希望的、美丽的框架，而不是一套已确立的自然理论。
还值得知道的是，弦论并非唯一的尝试。一个与之竞争的纲领，圈量子引力，试图把时空本身量子化——让空间在普朗克长度上变得颗粒化——却不去统一所有的力，也不添加弦。这些想法中又有哪个有朝一日能被检验呢？不在对撞机里，而在天上：大爆炸后最初一瞬，在宇宙最古老的光上留下的微弱印记，或是黑洞相并所发涟漪中的细微偏离，都属于那少数几个或许有一天能听到量子引力一声轻语的地方。在那之前，每一个这样的想法，都和这一级阶梯上的其余成员一同坐在同一个诚实的盒子里——一个候选者，仍在等待它第一份直接证据。