1927年第五屆索爾維會議後的大合影
運動
科學和哲學通常是密不可分的，從古希臘哲學到現代物理學，人們一直在嘗試把看起來復雜的自然現象歸結為幾條簡單的基本規則，這也是整個自然哲學的基本原則。
在所有自然現象中，有一個最基本的問題，就是運動。
現實中各種物體的運動都極其復雜，比如拋到空中的石頭、海上的輪船、大街上的手推車。要想改變一個物體的位置，就必須給它施加一個影響，也就是外部作用力，比如推它、提它。所以從直覺來看，運動與力有關。日常生活經驗也告訴我們，要想使一個物體運動的更快，就必須施加更大的力，比如四匹馬拉的車比兩匹馬拉的車跑的更快，於是亞里斯多德在他的【力學】中寫道：當推一個物體的力不再推它時，物體便歸為靜止。
伽利略的斜面實驗
然而，基於直覺的結論往往是不可靠的，就好比大地看起來是平的，然而它是個球體，我的ID看起來像是個行銷號，但其實裏面都是真知識。科學不能是基於直覺的，所以此時的【力學】還不能稱作是物理學。直到伽利略的出現。
伽利略除去層層幹擾，使用理想化的思想實驗得出了一個當時看來很反直覺的結論：一個沒有任何外部作用力的物體，將永遠保持靜止或者勻速直線運動。
至此，物理學正式誕生。
力與交互作用
後來，牛頓將伽利略的這句話以更簡潔的慣性定律提了出來，也就是著名牛頓三大定律的第一條：力是改變物體運動狀態的原因。而另外兩條分別是：力使物體獲得加速度，以及力是相互的。
力才是改變物體運動狀態的原因
如你所見，此時的物理學主要還是圍繞著力和速度這兩個概念，這也是經典力學中的兩個重要概念。什麽是力？一開始，力產生於人們的推、拉、提等直接接觸並伴隨著肌肉力量的動作。後來，牛頓將力的定義進行了延伸。
一切導致物體速度變化的，都可以看作是力。
從塔頂丟下的石頭並非勻速下落，於是牛頓斷定，這其中必定有著某種看不見摸不著的外力作用於它，也就是說，地球對它有個隔空的吸重力，並在此基礎上發展出了名垂千古的萬有重力定律。
萬有重力定律非常好用，什麽鐵球下落、炮彈發射、甚至是天體運動，都能給你無比精確地計算出來，並且和實際的觀測非常吻合。從此，牛頓在人們心中的地位宛如神一般的存在，因為他似乎發現了宇宙的終極秘密。
但是，萬有重力定律一直存在著一個大問題，那就是重力的超距作用。萬有重力的公式中並不包含時間，它與時間無關。不管距離多遠，只要有那個星球，你就始終能感受到它的重力，它可以瞬時隔空傳輸。這在很多科學家，尤其是愛因史坦看來是及其荒唐的。你仔細想想，力的定義原本是必須有一個接觸才能傳遞的東西，現在怎麽還能隔空並且瞬間傳輸了呢？
萬有重力是瞬時發生的嗎
於是那一代的物理學家發明了一個非常重要的概念：場。
場與廣義相對論
一開始，場只是作為輔助力線的方式來幫助人們理解電磁現象。但隨著電磁學的逐漸深入，馬克士威意識到，這個電磁場似乎是某種真實存在的東西。
變化的電場能產生磁場，變化的磁場又能產生電場，並在此基礎上發展出了著名的馬克士威方程式組，並預言了電磁波的存在。所以本質上來說，馬克士威方程式就是描述電磁場結構的定律。
場是一種彌漫在空間中，一定範圍之內無處不在的東西。電磁力的本質，不是兩個帶電粒子直接隔空發生關系，而是它們各自跟此地因為它們的存在而存在的那個電磁場，發生了關系。
磁場中的鐵屑
那重力是不是也是因為有個重力場呢？但是，電磁場的波動有個傳遞速度的上限，也就是光速，而牛頓的萬有重力卻是瞬時的。愛因史坦敏銳地意識到，牛頓的萬有重力定律，有問題。
1905年，愛因史坦將當時無人能解的光速不變的問題作為基本假設，憑一己之力建立起整個狹義相對論的大廈，狹義相對論顛覆了牛頓的絕對時空觀。但愛因史坦並沒有停止腳步。
愛因史坦想到重力中另一個非常奇怪的問題，也就是重力品質和慣性品質的驚人巧合，據此，愛因史坦提出了等效原理，也就是重力和加速運動無法區分。並在此基礎上一手建立起廣義相對論。
廣義相對論徹底取代了牛頓的萬有重力定律。所謂的重力，其實就是時空彎曲帶來的幾何效應，所謂重力場，其實就是時空本身的彎曲，並且，在廣義相對論中，重力的傳播速度也是光速。和馬克士威方程式一樣，廣義相對論的重力場方程式，本質上也是描述重力場結構的定律。
假想中的重力場
物理學發展到這裏，經典場論逐漸成型，整個物理學就不再只是建立在物質概念的基礎上了，現在存在兩種物理實在，物質和場。
但是，物質和場到底是個什麽關系？區分物質和場的物理標準又是什麽呢？
無論是電磁場還是重力場，生效的區域和物質存在的區域都是突然分開的，是有個明確邊界的，邊界內是物質，邊界外是場。在相對論之前，我們可以說，物質代表品質，場代表能量，但相對論告訴我們，物質和能量是等效的，理論上可以相互轉換。所以現在我們只能這樣說：物質是能量集中的地方，場是能量分散的地方。物質只是場強最大的地方，丟擲的石頭只是一個變化的場強以石頭的速度穿過空間。在這種意義上，物質和場本質上就沒有區別了，世上並沒有所謂的物質，場才是唯一的物理實在。
但問題是，目前所有關於場的理論，其有效範圍並不包括電荷或者物質等場源存在的地方，也就是說，在能量非常集中的地方，馬克士威電磁理論以及廣義相對論都會失效。
既然從場論走不通，那不如從物質本身下手，於是物理學家將註意力看向了微觀世界。但這一看，問題就大了。
量子場論
量子力學認為，你這個所謂的電磁場根本就不是一個連續的東西，而是一個個的光量子，那這樣的話，所謂的電磁力，更現代的說法是電磁交互作用，又是怎麽產生的呢？
電磁波是電場和磁場的傳播
於是融合了量子力學和狹義相對論的量子電動力學誕生了。量子電動力學認為，兩個帶電粒子之間，是透過交換光子來發生交互作用的。這個場景就好像是在一個光滑冰面上我倆互相扔球，從而發生交互作用。
再進一步，既然電磁交互作用是交換光子，別的交互作用會不會也是交換了什麽東西呢？於是，量子場論誕生了。
量子場論認為，所有交互作用的場，都是以某種粒子的形態存在的，交互作用就是交換這種粒子。值得一提的是，楊振寧先生用「楊-米爾斯理論」為量子場論做出了關鍵貢獻。
量子場論：電磁力的本質是交換光子
我們知道，四大基本力中除去前面的重力和電磁力外，還有強力和弱力，或者說強交互作用和弱交互作用。重力和電磁力描寫了原子核之外、我們日常生活所能接觸到的所有運動。而強力和弱力則描寫了原子核裏面的世界。
原子核是由不帶電的中子和帶正電的質子組成的，這些質子們聚集在一個如此小的地方，同性相斥，按理說它們的電磁力應該互相排斥才對，而正是因為強力，使得它們牢牢地粘在一起。
再後來，人們發現質子和中子並不是最基本的粒子，它們由更小的誇克組成，誇克有六種，分別是上誇克、下誇克、魅夸克、奇誇克、底誇克和頂誇克。比如質子是兩個上誇克和一個下誇克組成的，中子是兩個下誇克和一個上誇克組成的。
每種誇克又分為紅、綠、藍三種「顏色」。當然這說的不是真正的顏色，誇克的顏色就好像電子的電荷一樣，只是代表它們對強交互作用的受力方式。
同理，質子中的三個誇克也是由強交互作用綁在一起，綁好後還多余了一點力，又把質子和中子們綁在了一起，描寫強交互作用的理論，叫做量子色動力學。
除此之外，原子核裏還有一個現象是強交互作用無法解釋的，那就是β衰變。β衰變是原子核突然釋放出一個電子和微中子變成另外一種原子核的過程。
後來，人們將導致β衰變的神秘力量稱為「弱交互作用」。
量子場論認為，強交互作用是誇克之間透過交換「膠子」的實作的，弱交互作用則是交換了三種粒子，包括Z0, W+ 和 W-。量子場論的成功之處在於，它不但明確了「力」到底是什麽東西，而且既然力是由粒子傳播，那力的傳輸速度自然就不能超過光速。
宇宙中的四大基本力
但是，根據量子場論，傳遞弱交互作用的那三個粒子應該也跟光子、膠子一樣是沒有品質的，但實驗結果卻強烈支持它們有品質。於是後來，英國物理學家彼得·希格斯提出了一個機制，說宇宙空間中還處處彌漫著另外一個場，這個場不但賦予了Z0, W+ 和 W- 粒子品質，而且賦予了電子、誇克品質。根據量子場論，有場就得有粒子，這個粒子就被稱為希格斯粒子，也就是上帝粒子。
看到這裏，你可能覺得有點頭大，什麽強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用，希格斯機制、什麽電子、誇克、微中子、膠子，這搞的也太亂了。事實上，物理學家們心中有一個哲學信仰始終都沒有變，那就是尋找一個大統一理論。
統一之路
所謂「統一」，就是以前你覺得這是兩個完全不同的東西，而現在有個理論，發現它們在更高的層面上其實是同一種東西。量子電動力學把量子力學、電動力學和狹義相對論統一起來了，可以說是同一個理論。後來，物理學家又將弱交互作用和電磁交互作用統一起來了，叫做電弱統一理論。到上世紀七十年代，人們又將強交互作用、希格斯機制這些都統一進來了，形成了一個一統三種交互作用的大理論，這就是「標準模型」。
在標準模型眼中，世界上所有的粒子只有三種：一種是「感受」交互作用的粒子，它們都是費米子，比如誇克和電子；一種是傳遞交互作用的粒子，它們都是自旋是整數的玻色子，比如光子和膠子；另外再加一個希格斯玻色子。
標準模型
在標準模型中，除了電子是實驗先發現的之外，其他的基本粒子全都是理論上先預測有這麽一個東西，然後在實驗中就真的發現了。毫不誇張的說，現階段幾乎所有對以上三種力的實驗結果都完美符合這套理論模型的預測。宇宙的終極秘密似乎就隱藏在標準模型之中。
但是且慢，重力呢？
重力場是不是也對應著一種重力子？事實上，從上世紀七十年代到現在，四五十年以來，成千上萬的物理學家殫精竭慮都在尋找著重力子。但是，廣義相對論本質上是一個連續的、確定的理論，而標準模型是一個非連續的、不確定的理論，要想統一廣義相對論和標準模型就必須進入「普朗克長度」那麽小的尺度，而兩個粒子在這個尺度上碰撞會形成無窮大的「奇異點」，於是物理學家們提出了一種新的理論，叫做弦論。
弦理論中的開弦和閉弦
弦論認為，基本粒子並不是點狀的東西，而是一個個蜷縮起來的「弦」或者「膜」，包括重力和所有的基本粒子在內，其實都是很小很小的一維弦的不同振動模式的表現。弦論涉及到高維空間和極其復雜的數學，並且不止一種。物理學家們一共找到了五種不同的弦理論，但後來大家意識到它們其實是同一種理論，也就是M理論。
M理論認為宇宙有無窮多種可能性，我們只不過是幸運地生活在其中一個比較適合生命存在的宇宙之中而已。但是，M理論的問題在於，這種一切皆有可能的理論，我們要如何證明它呢？
除了M理論外，物理學家還提出了一些同等級的終極理論的候選理論，比如我們之前提到過的，義大利著名物理學家，【時間的秩序】的作者，卡洛.羅韋利等人研究的迴圈量子重力理論。這些理論的確都有自己一套獨特自洽的體系，並且也能對我們這個世界做出一些預言，但有人曾估計，要想驗證這些預言，就需要極其龐大的能量，你至少需要建造一個像太陽系那麽大的加速器才行...
幾種候選大統一理論
物理學的憂傷
物理學原本是起源於實驗，透過實驗研究物體運動規律和物質構成的科學，但現在的這些最新理論已經與實驗不說關系不大，可以說是毫不相幹了。
現如今，每當我們談論到上世紀的哥本哈根學派，每當看到1927年索爾維會議的那張照片，我們都會匍匐在地高山仰止。
但是，和現在的物理學家們相比，他們是幸運的，他們幸運的是，他們能第一時間站在經典物理學大廈倒塌後的廢墟上，參與每一處廢墟的重建；他們幸運的是，他們的諸多理論，我們都能用實驗來完成證明。直到今天，我們還在興師動眾為「黑洞」拍照片來證明一百年前愛因史坦隨手寫下的預言。而如今的這些前沿理論，盡管它們描繪了從亞原子世界裏誇克瘋狂的舞蹈到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲，從宇宙大霹靂的原初火球到絢爛星河的壯麗漩渦，不知道100年後是否也能有幸獲得驗證？
如果不能得到驗證，再優美的物理理論都會墮入玄學的領域，成為空想主義。這還是物理學嗎？
已經有很長時間，沒有獲得共識的偉大物理學理論問世、沒有「燈塔」般的偉大物理學家站出來，也沒有激動人心的新理論得到驗證。
很多時候，我們甚至懷疑，是不是真的有一個超級文明將我們的物理學鎖死了！我們不知道大自然還允不允許我們繼續尋找真相，我們甚至都不知道，世界的背後到底是有一個真相，還是有無數個真相。
