在這個沒有信息發達的時代，我相信大家都曾聽說過宇宙的終極理論。這就是我將在本文中討論的內容。
所謂的萬物理論(TOE)是一個無所不包的連貫的理論框架，他把所有物理學統一起來，解釋宇宙。但是不要太激動！萬物理論不能預測你會和哪種類型的女孩約會，也不能預測上帝是什麼。
萬物理論
從技術上講，萬物理論意味著將所有目前已知的宇宙力統一為一種力。這些力是引力、弱相互作用(導致元素放射性衰變的力)、強相互作用(導致原子內核子結合的力)和電磁力(讓你讀這篇文章的力)。
早在古希臘時期，就有一種統一宇宙基本物理方面的基本思想。它們是土、火、空氣和水。他們相信，從根本上說，大自然是由土、火、空氣或水的某些複雜的相互作用構成的。直到今天，基本的思想沒有改變，只是現在的物理學家的目標是統一上一段提到的力！
快進到牛頓時代，17世紀晚期。牛頓可以被認為是現代開始尋找萬物理論的人。他成功地解釋了伽利略關於地球引力的物理學，開普勒關於行星運動和海洋潮汐的觀點，這些都是萬有引力理論的產物。你們可能知道這是一個超距作用的例子。進入19世紀。1814年，拉普拉斯在牛頓思想的基礎上建立了一個“預言式”的萬物理論。他說：
某個超級智者在某個時刻知道使自然運動的所有力量以及組成自然的所有元素的所有位置，如果該智者足夠大的分析能力和計算能力，他將可以預測一切，對於這樣的智力，沒有什麼是不確定的，未來就像過去一樣存在著。——《概率哲學》，導論，1814年
然而我們知道，由於量子力學的不確定性，這個智者註定會失敗。這裡還涉及一個很深的哲學問題或數學問題，即無限精度問題。比如一個例子在歐式空間的位置是可以精確到小數點後1萬位，加上其他附加初始條件（力等等），預測這個粒子兩天後的位置或許是精確的，但仍然不是百分百精確，如果預測一年後的位置呢？更何況，大自然有無數個基本粒子組成，如果精度不是無限的，預測也將是失敗的。
19世紀50年代，電磁學之父法拉第也曾試圖將引力與電和磁力結合起來。很顯然，失敗了。19世紀60年代末，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾完成了另一項了不起的壯舉，解決了尋找萬物理論的未解之謎。他設法把電和磁的相互作用統一成一種美麗的力，稱為電磁力。正如你所知道的，麥克斯韋方程組很美，任何一個物理學畢業生都會同意。
進入20世紀……
20世紀是現代物理學的黃金時代。阿爾伯特·愛因斯坦最著名的理論——狹義相對論和廣義相對論在20世紀炸鍋了。愛因斯坦改變了人們對主流物理學的看法。他提出了狹義相對論，廣義相對論是牛頓運動定律的延伸，但適用於接近光速c的相對論速度。在這篇文章中他發現了最著名的方程，E = mc^2。
這是開創性的。我們意識到，這個等式告訴我們物質和能量是等價的。狹義相對論不能解釋物體在加速參考系中運動，因此愛因斯坦發展了廣義相對論。廣義相對論也修正了牛頓的萬有引力理論，但愛因斯坦的相對論使我們理解了萬有引力更深層次的非直覺意義。他定義引力不是一種力，而是時空本身的曲率，是由一個巨大物體的存在引起的。
正如愛因斯坦後來所說，廣義相對論發展的原因是狹義相對論偏愛慣性運動，而一個從一開始就不喜歡任何特定運動狀態的理論對他來說似乎更令人滿意。因此，1907年，當愛因斯坦還在專利局工作時，他有了他所謂的“最快樂的想法”。他認識到相對論原理可以推廣到引力場。
當愛因斯坦因為他開創性的論文而越來越受歡迎時，量子物理學開始成形。愛因斯坦不喜歡量子力學的框架，儘管他在試圖證明量子力學的一些結論是錯誤的同時，也對它做出了巨大的貢獻。他和其他對量子物理學（如薛定諤）一起預測了糾纏。
愛因斯坦本人，看到他的理論的成功，決定把廣義相對論與電磁學統一起來。在他的時代，弱核力和強核力沒有被完全瞭解，因此他發現相對論和電磁學更有趣。他花了最後30年的時間試圖提出一個統一的場論。不幸的是，他沒有成功。與此同時，量子力學對物理學產生了革命性的影響，狄拉克、泡利、薛定諤等人在這方面做出了大量貢獻。
在20世紀並不奇怪，愛因斯坦死後，弱相互作用和強相互作用被統一了。這在粒子物理學的標準模型中達到了頂峰，該模型在預測方面是最成功的物理框架。有了像研究量子場理論的理查德·費曼這樣的聰明人，物理學家們決定重開愛因斯坦未完成的工作，以找到一個統一的理論。儘管還沒有直接的實驗證據，物理學家們相信弱、強和電磁力可以在非常高的能量下統一，他們稱之為大統一理論(GUT)。所以，如果你跟著做，你會意識到把核力和引力統一起來，就會得到挖萬物理論。
這把我們帶到了，當今典型的物理學家的工作。物理學中尚未解決的問題。我之前可能有點專業，但是讓我給你們一個快速的概述，是什麼推動了現代物理學方法中終極理論的探索。我們知道，有確鑿的證據表明，我們的宇宙曾經處於一種非常熱的稠密狀態，一顆沙粒的大小，砰！大爆炸產生了我們現在觀測到的宇宙中的所有物質——行星、恆星、星系和星系團。
邏輯告訴我們，在一個沙粒大小的宇宙中，所有的四種力必須作為一個整體存在。這就是物理學家們所追求的——找到在這個沙粒宇宙中顯現的物理定律。同樣，廣義相對論也預言了黑洞的存在：時空被扭曲得如此厲害，以至於光本身無法從黑洞中逃逸。相對論具有諷刺意味地預測了黑洞，但在黑洞內部，它的方程被打破，這意味著它們開始產生無窮大。主要由斯蒂芬·霍金領導的研究黑洞物理學的量子方法被提出，給我們帶來了霍金輻射現象。所以你看，萬物理論可能會讓我們對這些時空怪物的內部運作有更深的瞭解。
試圖找到萬物理論
人們提出了幾個抽象的理論，試圖破解大自然及其運作。最流行的嘗試是弦理論。弦理論是一種嚴謹的數學物理理論，它試圖將四種力統一為一。到目前為止，我們知道在亞原子粒子的最小尺度上是夸克，夸克構成質子和電子等。弦理論進行了更深入的研究，並解釋了基本粒子是由微小的振動“弦”組成的。這些弦的不同振動模式產生了不同的粒子。你可以想象小提琴振動的琴絃，不同的模式產生不同的曲調。物理學原來是由不同振動模式產生的音樂的交響樂。但弦理論還沒有做出任何直接的預測，這讓其他科學家產生了懷疑。
更糟的是，它預測我們生活在一個11維的宇宙中，其中4個(3個空間維度和1個時間維度)在日常生活中出現，其他7個是非常小的捲曲維度。這很難理解。弦理論的7個小維度被認為是非常小的以至於在宏觀尺度下是看不見的。
同樣令人震驚的是，弦理論的十一維時空理論預測了宇宙有10^500個，我們的宇宙只是其中一個。儘管如此，弦理論仍然是萬物理論最有希望的候選者之一，因為它很容易產生引力子，一種被預測攜帶引力的粒子——就像光子是電磁力的載體一樣。
其他的嘗試
有許多弦理論的替代品，目的是提供最終的理論。這些都是微妙的概念，我將在這裡總結一下。
- 環量子引力(LQG)：這不是為了產生萬物理論，而是為了量化時空。我們知道在相對論中，時空是一個光滑的洛倫茲流形，但環量子引力的目標是通過將它解釋為一個量子化的重力場環網絡，也稱為自旋網絡。量子化是在普朗克尺度上。然而，當我們從普朗克尺度轉移到可觀察的世界，在那裡進行實驗時，環量子引力(離散的)是否會變成愛因斯坦的廣義相對論(連續的)，這一點還不清楚。
- 因果費米系統：這是描述主理論的另一種方法，其理論家認為廣義相對論、量子力學和量子場論是該理論的極限情況。這意味著廣義相對論和其他理論可以從因果費米子系統中得出，而不是使用傳統的方法來破譯萬物理論。
- 因果集：一種研究量子引力的方法，它也支持時空在其基本尺度上是離散的，時空連續體被所謂的“偶然集”所取代。
所以你可以意識到萬物理論是物理學的聖盃。科學家們正試圖找到大自然最深層的奧秘。問題是，就物理學的前沿而言：廣義相對論和量子力學是不相容的，儘管這兩種理論在各自的領域都是成功的。
那萬物理論之後呢
答案是，沒人知道！除了通過解開一個古老的物理難題來獲得智力上的滿足，我們認為破譯萬物理論可能會給我們更好的預測我們今天無法解釋的物理現象。就像任何好的物理理論都能產生預測一樣，我們希望萬物理論也能如此。我們也許能夠解釋令宇宙學家困惑的難以捉摸的暗物質。一些著名的物理學傳播者，比如加來道雄，相信我們可能最終理解了上帝的思想。
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