在過去的幾個世紀中，物理學家一直在追求統一。他們希望能將表面上看起來截然不同的現象統一在一起，也因此在理解和預言這個物理世界上獲得了巨大的成功。
19世紀60年代，麥克斯韋發現電力和磁力實際上只是電磁力的兩面。到了1967年，溫伯格進一步為我們展示了電磁力和弱力其實只是電弱力的不同表現。自那之後，物理學家不僅在努力地尋找統一電弱力和強力的大統一理論的實驗證據，更將尋找一個可以描述所有基本力的理論視為終極目標。
1.
自然界中已知的四種基本力分別是電磁力、弱力、強力和引力。電磁力作用於帶電粒子之間；弱力支配著粒子的衰變；強力可以克服質子之間的排斥力，使原子核牢牢地束縛在一起；引力支配著天體的運行，以及宇宙的演化。
圖片來源：原理
2.
量子場論解釋了電磁力、弱力和強力，它是現代物理學的一大支柱。根據量子場論，宇宙中瀰漫著各種粒子場，比如電子場、膠子場、希格斯場等。激發特定的場就會產生相應的粒子，比如激發電磁場就會產生光子。在量子世界中，基本力是由被稱為規範玻色子的載力粒子傳遞的，比如我們熟悉的電磁力實際上是由光子傳遞的。
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3.
愛因斯坦的廣義相對論是現代物理學的另一大支柱，它告訴我們引力是時空彎曲的結果。它不僅成功地解釋了牛頓引力理論無法解釋的難題，還做出了許多令人驚嘆的預言，比如遙遠星光在經過太陽時會發生偏折，又比如宇宙中存在著匪夷所思的奇異天體——黑洞。在過去的100多年中，廣義相對論的預言一一得到驗證，最近的成果包括了2015年首次探測到的引力波，以及2019年拍攝到的黑洞。
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4.
在生活中，我們每天都在感受著引力的作用，儘管如此，我們對引力的了解卻是最少的。與其他三種基本力相比，引力太弱了。舉例來說，一塊小磁鐵可以抵抗整個地球的引力，輕而易舉地吸起一枚小小的曲別針。可見與磁力相比，引力有多麼的弱。物理學家並不知道這是為什麼，一種可能的解釋是引力會進入宇宙中的額外維度（除已知的三維之外），從而強度被稀釋。
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5.
愛因斯坦的廣義相對論發表於1915年，量子場論則完成於1970年代。量子場論（比如量子電動力學）主宰著微觀世界的粒子行為，廣義相對論則支配著宏觀的宇宙，它們各司其職，良好地描述著這個宇宙的運作方式。但當我們談及在一個極小體積內擁有極大質量時（比如黑洞和大爆炸），就會發現只有將這兩個互不兼容的理論合二為一，才能夠進一步揭示宇宙最深處的秘密。試圖統一廣義相對論和量子場論的理論被稱為量子引力理論。
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6.
在所有量子引力理論的候選中，弦論無疑是最具知名度的。它假設一切都是由微小的弦構成的，弦可以是開放的，也可以是閉合的，它們可以振動、拉伸、連接和分裂。弦的不同振動方式會產生不同的粒子，比如電子、夸克等。另一個越來越受到關注的理論被稱為圈量子引力，它更關心的是時空本身的量子特性，而非存在於時空中的物質。在圈量子引力中，廣義相對論的光滑背景被賦予量子屬性的節點和連接所取代。
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7.
在過去的幾十年間，理論物理學家從不同的途徑切入，提出了各種可能性。除了弦論和圈量子引力之外，還有許多具有潛力的理論存在，比如因果動態三角剖分、因果集理論、漸進安全引力等。然而，到目前為止，並沒有哪個理論是真正成功的，除了理論自身還未完善之外，它們還面臨著無法被實驗驗證的困境。
尋找量子引力的其中一個途徑。| 圖片來源：原理
8.
正如光子負責傳遞電磁力一樣，物理學家也提出了一種假想粒子來負責傳遞引力，那邊引力子。引力子是量子引力理論的基石。雖然許多物理學家相信它們存在，但正如前文所提到的，引力非常微弱，因此要直接測量引力子是不現實的。一個思想實驗表明，如果要探測到引力子，那麼我們至少需要一臺木星大小的粒子對撞機。
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9.
正如光線可以被描繪成光子的集合，引力波也可以被認為是由引力子組成的。但在2015年之前，沒有人在這方面付諸太多的思考，因為在2013年，著名物理學家戴森進行的一項計算，讓很多人相信利用引力波探測器來研究量子引力是不切實際。然而，當LIGO探測到雙黑洞併合產生的引力波後，帶來了許多新的可能性。例如，諾獎得主韋爾切克和另外兩位合作者在一項新的研究中表示，引力子或許可以在像LIGO這樣的引力波探測器中製造出可觀測的「噪聲」。
黑洞之間的併合會釋放出時空中的漣漪——引力波。| 圖片來源：原理
10.
今天，物理學的上空漂浮著朵朵烏云：
宇宙是如何開始的？
為什麼宇宙中充滿了物質，而不是反物質？
為什麼強相互作用不違反強CP對稱？
為什麼真空的能量密度那麼低？
落入黑洞的信息的命運是什麼？
為什麼中微子具有質量？
時間和空間的量子本質是什麼？
......
也許在尋找一些問題的過程中，我們將發現通往量子引力理論的線索；而當我們找到正確的量子引力理論後，也可以探索一些曾被認為不可能的事情。
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近年來，有一種聲音認為物理學已經走到了盡頭，認為這個世紀屬於生物學或人工智慧或其他新興領域，而不會是物理學。這種觀點顯然是不對的。反之，物理學的探索之旅顯然才剛剛開始。不要忘記，我們所了解的宇宙實際上還不到5%，而由暗物質和暗能量構成的95%仍完全是未知的。