1927年第五届索尔维会议后的大合影
运动
科学和哲学通常是密不可分的，从古希腊哲学到现代物理学，人们一直在尝试把看起来复杂的自然现象归结为几条简单的基本规则，这也是整个自然哲学的基本原则。
在所有自然现象中，有一个最基本的问题，就是运动。
现实中各种物体的运动都极其复杂，比如抛到空中的石头、海上的轮船、大街上的手推车。要想改变一个物体的位置，就必须给它施加一个影响，也就是外部作用力，比如推它、提它。所以从直觉来看，运动与力有关。日常生活经验也告诉我们，要想使一个物体运动的更快，就必须施加更大的力，比如四匹马拉的车比两匹马拉的车跑的更快，于是亚里士多德在他的【力学】中写道：当推一个物体的力不再推它时，物体便归为静止。
伽利略的斜面实验
然而，基于直觉的结论往往是不可靠的，就好比大地看起来是平的，然而它是个球体，我的ID看起来像是个营销号，但其实里面都是真知识。科学不能是基于直觉的，所以此时的【力学】还不能称作是物理学。直到伽利略的出现。
伽利略除去层层干扰，使用理想化的思想实验得出了一个当时看来很反直觉的结论：一个没有任何外部作用力的物体，将永远保持静止或者匀速直线运动。
至此，物理学正式诞生。
力与相互作用
后来，牛顿将伽利略的这句话以更简洁的惯性定律提了出来，也就是著名牛顿三大定律的第一条：力是改变物体运动状态的原因。而另外两条分别是：力使物体获得加速度，以及力是相互的。
力才是改变物体运动状态的原因
如你所见，此时的物理学主要还是围绕着力和速度这两个概念，这也是经典力学中的两个重要概念。什么是力？一开始，力产生于人们的推、拉、提等直接接触并伴随着肌肉力量的动作。后来，牛顿将力的定义进行了延伸。
一切导致物体速度变化的，都可以看作是力。
从塔顶丢下的石头并非匀速下落，于是牛顿断定，这其中必定有着某种看不见摸不着的外力作用于它，也就是说，地球对它有个隔空的吸引力，并在此基础上发展出了名垂千古的万有引力定律。
万有引力定律非常好用，什么铁球下落、炮弹发射、甚至是天体运动，都能给你无比精确地计算出来，并且和实际的观测非常吻合。从此，牛顿在人们心中的地位宛如神一般的存在，因为他似乎发现了宇宙的终极秘密。
但是，万有引力定律一直存在着一个大问题，那就是引力的超距作用。万有引力的公式中并不包含时间，它与时间无关。不管距离多远，只要有那个星球，你就始终能感受到它的引力，它可以瞬时隔空传输。这在很多科学家，尤其是爱因斯坦看来是及其荒唐的。你仔细想想，力的定义原本是必须有一个接触才能传递的东西，现在怎么还能隔空并且瞬间传输了呢？
万有引力是瞬时发生的吗
于是那一代的物理学家发明了一个非常重要的概念：场。
场与广义相对论
一开始，场只是作为辅助力线的方式来帮助人们理解电磁现象。但随着电磁学的逐渐深入，麦克斯韦意识到，这个电磁场似乎是某种真实存在的东西。
变化的电场能产生磁场，变化的磁场又能产生电场，并在此基础上发展出了著名的麦克斯韦方程组，并预言了电磁波的存在。所以本质上来说，麦克斯韦方程就是描述电磁场结构的定律。
场是一种弥漫在空间中，一定范围之内无处不在的东西。电磁力的本质，不是两个带电粒子直接隔空发生关系，而是它们各自跟此地因为它们的存在而存在的那个电磁场，发生了关系。
磁场中的铁屑
那引力是不是也是因为有个引力场呢？但是，电磁场的波动有个传递速度的上限，也就是光速，而牛顿的万有引力却是瞬时的。爱因斯坦敏锐地意识到，牛顿的万有引力定律，有问题。
1905年，爱因斯坦将当时无人能解的光速不变的问题作为基本假设，凭一己之力建立起整个狭义相对论的大厦，狭义相对论颠覆了牛顿的绝对时空观。但爱因斯坦并没有停止脚步。
爱因斯坦想到引力中另一个非常奇怪的问题，也就是引力质量和惯性质量的惊人巧合，据此，爱因斯坦提出了等效原理，也就是引力和加速运动无法区分。并在此基础上一手建立起广义相对论。
广义相对论彻底取代了牛顿的万有引力定律。所谓的引力，其实就是时空弯曲带来的几何效应，所谓引力场，其实就是时空本身的弯曲，并且，在广义相对论中，引力的传播速度也是光速。和麦克斯韦方程一样，广义相对论的引力场方程，本质上也是描述引力场结构的定律。
假想中的引力场
物理学发展到这里，经典场论逐渐成型，整个物理学就不再只是建立在物质概念的基础上了，现在存在两种物理实在，物质和场。
但是，物质和场到底是个什么关系？区分物质和场的物理标准又是什么呢？
无论是电磁场还是引力场，生效的区域和物质存在的区域都是突然分开的，是有个明确边界的，边界内是物质，边界外是场。在相对论之前，我们可以说，物质代表质量，场代表能量，但相对论告诉我们，物质和能量是等效的，理论上可以相互转换。所以现在我们只能这样说：物质是能量集中的地方，场是能量分散的地方。物质只是场强最大的地方，抛出的石头只是一个变化的场强以石头的速度穿过空间。在这种意义上，物质和场本质上就没有区别了，世上并没有所谓的物质，场才是唯一的物理实在。
但问题是，目前所有关于场的理论，其有效范围并不包括电荷或者物质等场源存在的地方，也就是说，在能量非常集中的地方，麦克斯韦电磁理论以及广义相对论都会失效。
既然从场论走不通，那不如从物质本身下手，于是物理学家将注意力看向了微观世界。但这一看，问题就大了。
量子场论
量子力学认为，你这个所谓的电磁场根本就不是一个连续的东西，而是一个个的光量子，那这样的话，所谓的电磁力，更现代的说法是电磁相互作用，又是怎么产生的呢？
电磁波是电场和磁场的传播
于是融合了量子力学和狭义相对论的量子电动力学诞生了。量子电动力学认为，两个带电粒子之间，是通过交换光子来发生相互作用的。这个场景就好像是在一个光滑冰面上我俩互相扔球，从而发生相互作用。
再进一步，既然电磁相互作用是交换光子，别的相互作用会不会也是交换了什么东西呢？于是，量子场论诞生了。
量子场论认为，所有相互作用的场，都是以某种粒子的形态存在的，相互作用就是交换这种粒子。值得一提的是，杨振宁先生用「杨-米尔斯理论」为量子场论做出了关键贡献。
量子场论：电磁力的本质是交换光子
我们知道，四大基本力中除去前面的引力和电磁力外，还有强力和弱力，或者说强相互作用和弱相互作用。引力和电磁力描写了原子核之外、我们日常生活所能接触到的所有运动。而强力和弱力则描写了原子核里面的世界。
原子核是由不带电的中子和带正电的质子组成的，这些质子们聚集在一个如此小的地方，同性相斥，按理说它们的电磁力应该互相排斥才对，而正是因为强力，使得它们牢牢地粘在一起。
再后来，人们发现质子和中子并不是最基本的粒子，它们由更小的夸克组成，夸克有六种，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、底夸克和顶夸克。比如质子是两个上夸克和一个下夸克组成的，中子是两个下夸克和一个上夸克组成的。
每种夸克又分为红、绿、蓝三种「颜色」。当然这说的不是真正的颜色，夸克的颜色就好像电子的电荷一样，只是代表它们对强相互作用的受力方式。
同理，质子中的三个夸克也是由强相互作用绑在一起，绑好后还多余了一点力，又把质子和中子们绑在了一起，描写强相互作用的理论，叫做量子色动力学。
除此之外，原子核里还有一个现象是强相互作用无法解释的，那就是β衰变。β衰变是原子核突然释放出一个电子和中微子变成另外一种原子核的过程。
后来，人们将导致β衰变的神秘力量称为「弱相互作用」。
量子场论认为，强相互作用是夸克之间通过交换「胶子」的实现的，弱相互作用则是交换了三种粒子，包括Z0, W+ 和 W-。量子场论的成功之处在于，它不但明确了「力」到底是什么东西，而且既然力是由粒子传播，那力的传输速度自然就不能超过光速。
宇宙中的四大基本力
但是，根据量子场论，传递弱相互作用的那三个粒子应该也跟光子、胶子一样是没有质量的，但实验结果却强烈支持它们有质量。于是后来，英国物理学家彼得·希格斯提出了一个机制，说宇宙空间中还处处弥漫着另外一个场，这个场不但赋予了Z0, W+ 和 W- 粒子质量，而且赋予了电子、夸克质量。根据量子场论，有场就得有粒子，这个粒子就被称为希格斯粒子，也就是上帝粒子。
看到这里，你可能觉得有点头大，什么强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用，希格斯机制、什么电子、夸克、中微子、胶子，这搞的也太乱了。事实上，物理学家们心中有一个哲学信仰始终都没有变，那就是寻找一个大统一理论。
统一之路
所谓「统一」，就是以前你觉得这是两个完全不同的东西，而现在有个理论，发现它们在更高的层面上其实是同一种东西。量子电动力学把量子力学、电动力学和狭义相对论统一起来了，可以说是同一个理论。后来，物理学家又将弱相互作用和电磁相互作用统一起来了，叫做电弱统一理论。到上世纪七十年代，人们又将强相互作用、希格斯机制这些都统一进来了，形成了一个一统三种相互作用的大理论，这就是「标准模型」。
在标准模型眼中，世界上所有的粒子只有三种：一种是「感受」相互作用的粒子，它们都是费米子，比如夸克和电子；一种是传递相互作用的粒子，它们都是自旋是整数的玻色子，比如光子和胶子；另外再加一个希格斯玻色子。
标准模型
在标准模型中，除了电子是实验先发现的之外，其他的基本粒子全都是理论上先预测有这么一个东西，然后在实验中就真的发现了。毫不夸张的说，现阶段几乎所有对以上三种力的实验结果都完美符合这套理论模型的预测。宇宙的终极秘密似乎就隐藏在标准模型之中。
但是且慢，引力呢？
引力场是不是也对应着一种引力子？事实上，从上世纪七十年代到现在，四五十年以来，成千上万的物理学家殚精竭虑都在寻找着引力子。但是，广义相对论本质上是一个连续的、确定的理论，而标准模型是一个非连续的、不确定的理论，要想统一广义相对论和标准模型就必须进入「普朗克长度」那么小的尺度，而两个粒子在这个尺度上碰撞会形成无穷大的「奇点」，于是物理学家们提出了一种新的理论，叫做弦论。
弦理论中的开弦和闭弦
弦论认为，基本粒子并不是点状的东西，而是一个个蜷缩起来的「弦」或者「膜」，包括引力和所有的基本粒子在内，其实都是很小很小的一维弦的不同振动模式的表现。弦论涉及到高维空间和极其复杂的数学，并且不止一种。物理学家们一共找到了五种不同的弦理论，但后来大家意识到它们其实是同一种理论，也就是M理论。
M理论认为宇宙有无穷多种可能性，我们只不过是幸运地生活在其中一个比较适合生命存在的宇宙之中而已。但是，M理论的问题在于，这种一切皆有可能的理论，我们要如何证明它呢？
除了M理论外，物理学家还提出了一些同等级的终极理论的候选理论，比如我们之前提到过的，意大利著名物理学家，【时间的秩序】的作者，卡洛.罗韦利等人研究的圈量子引力理论。这些理论的确都有自己一套独特自洽的体系，并且也能对我们这个世界做出一些预言，但有人曾估计，要想验证这些预言，就需要极其庞大的能量，你至少需要建造一个像太阳系那么大的加速器才行...
几种候选大统一理论
物理学的忧伤
物理学原本是起源于实验，通过实验研究物体运动规律和物质构成的科学，但现在的这些最新理论已经与实验不说关系不大，可以说是毫不相干了。
现如今，每当我们谈论到上世纪的哥本哈根学派，每当看到1927年索尔维会议的那张照片，我们都会匍匐在地高山仰止。
但是，和现在的物理学家们相比，他们是幸运的，他们幸运的是，他们能第一时间站在经典物理学大厦倒塌后的废墟上，参与每一处废墟的重建；他们幸运的是，他们的诸多理论，我们都能用实验来完成证明。直到今天，我们还在兴师动众为「黑洞」拍照片来证明一百年前爱因斯坦随手写下的预言。而如今的这些前沿理论，尽管它们描绘了从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈到太空中飞旋双星高雅的华尔兹，从宇宙大爆炸的原初火球到绚烂星河的壮丽漩涡，不知道100年后是否也能有幸获得验证？
如果不能得到验证，再优美的物理理论都会堕入玄学的领域，成为空想主义。这还是物理学吗？
已经有很长时间，没有获得共识的伟大物理学理论问世、没有「灯塔」般的伟大物理学家站出来，也没有激动人心的新理论得到验证。
很多时候，我们甚至怀疑，是不是真的有一个超级文明将我们的物理学锁死了！我们不知道大自然还允不允许我们继续寻找真相，我们甚至都不知道，世界的背后到底是有一个真相，还是有无数个真相。
