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除了粒子物理学家们的嘲笑，爱因斯坦和其他几个统一场理论家们所面临的一个问题是，那种统一太容易了。统一场论不是无处可寻，而是满地鸡毛。它可以通过许多不同的方式来实现，而没有理由说一个比另一个更好。几十年的努力只有一个真正的进步：两种核力被装进来了。结果发现，那只需要添加更多的空间维就行了。当更多的维加入广义相对论时，描述弱核力和强核力的场就显现出来。这很像卡鲁扎的电磁力的情形：必须把额外维的几何固定下来，使它们的几何在时间和空间都不会改变；而且还必须让那些维小得看不见。当所有这些都做好了，将广义相对论方程用于高维空间，就得到必然的方程（即杨一米尔斯方程）。
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杨一米尔斯方程隐藏在高维的广义相对论中，这是20世纪50年代才发现的事实，但其意义直到70年代才显现，那时我们已经最终认识了这些方程很好描述了弱核力和强核力。当人们终于发现了那个联系，才有人想复活卡鲁扎一克莱因的思想，但他们没能走得很远。那时候，我们已经知道自然缺少某种对称性——左和右的对称。具体说来，所有中微子都是所谓的左手型的（即它们自旋的方向总是与其线动量的方向相反）。这意味着，如果在镜子里看，将看到一个虚假的世界——其中的中微子都是右手型的。所以，镜像的世界是不可能的世界。但后来发现，在卡鲁扎一克莱因理论描述的世界里，很难解释这种非对称性。
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除此之外，高维理论仍然没能提出新的预言。为了得到希望的物理，我们不得不为额外的空间维强加一些条件，这是理论埋下的孽种。实际上，包括的维越多，为了固定它们的几何而付出的代价就越大。空间维越多，自由度也越多——而更多的自由却使那些维的几何偏离我们需要的生成三维世界的力的刚体几何。不稳定性问题变得越来越糟糕了。
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而且，只要隐藏维超过1个，就有很多不同的方法来卷曲它们。我们可以用无限多种方式来卷曲多余的维，而不仅仅是将它们化为圆圈。因此，可以有无限多个理论。自然该如何选择它们呢？
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在通过额外空间维来统一物理学的努力中，我们一次又一次地遇到相同的情形。有几个解产生了我们看到的世界，但它们只是无限多个可能解的汪洋里的几个不稳定的小岛，其余的地方几乎不可能是我们的世界。一旦为了清除那些解而强加一些条件，就将失去确凿的证据——即统一产生的结果——尽管现在尚未看见，但只要实验家们愿意，是有可能看见的。所以，他们没有可以欢呼的东西，却有很多需要隐藏的东西。
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但还有一个更基本的问题，涉及统一理论与量子理论的关系。过去的统一场论的努力发生在量子力学1926年完全建立以前。其实，几个量子理论的支持者早就猜想过额外维与量子理论的有趣联系。但是，到1930年左右，他们发生了分裂。多数物理学家不关心统一问题，而专心于将量子理论用于从材料的性质到恒星的能源过程的大量现象。同时少数坚持统一理论的物理学家则越来越忽略了量子理论。他们（包括爱因斯坦）只管做自己的，似乎普朗克、玻尔、海森伯和薛定谔根本就不存在。他们生活在量子力学革命后的年代，却假装工作在那场革命从未发生的智力世界。在同时的人们看来，他们就像20世纪二三十年代的古怪的俄罗斯流亡的贵族，带着他们精致的旧时尚来到巴黎和纽约，还自以为回到了沙皇时代的圣彼得堡。
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当然，爱因斯坦并不仅仅是一个从失去的世界里流亡出来的知识分子。（尽管他曾经真的是从一个失去的世界里流亡出来的知识分子。23）他很清楚他忽略了量子理论，但他有自己的理由：他不相信它。尽管他用实在的光子点燃了量子革命的烈焰，却拒绝它的结果。他希望发现一个他能接受的量子现象的更深层理论。他希望他的统一场论能把他引向那个地方。
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可是没有。爱因斯坦躲避量子理论的梦破灭了，随他一起消失了。那时，没有多少人关注他，更没有人跟随他。物理学家们认为他们有更好的事情做，用不着玩儿虚幻的统一思想。他们忙着为不断发现的新粒子编目，为新发现的两种基本力琢磨理论。如果谁猜想世界有更多的小得看不见的空间维，他们会认为他疯了，就像研究UFO一样，是不会有结果的。于是，在理论与实验手拉手前进的这段时期里，没有重大的实验，没有新的预言，也就没有理由注意它。
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可是，假如我们明知有那么多障碍却仍然放不下统一场，那么，能用量子理论的语言来建立这些理论吗？回答是一声响亮的“不”。那时候，还没人知道如何协调广义相对论与量子论呢。所有的努力都失败了。当你为空间添加更多的维，或为几何添加更多的扭曲，事情只会更糟而不会更好。维数越多，方程疯得越快，会卷入无限多个量，带来无限多的矛盾。
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所以，虽然高维的统一方法很迷人，最终还是因为很好的理由被抛弃了。它没有可以检验的预言。即使这样的理论能出现某个特殊的确实描绘了我们的世界的解，也还有很多没有意义的东西。那很少的几个有意义的解还是不稳定的，很容易演化为奇点或根本不同的世界。最后，它们不能与量子理论协调起来。记住这些理由——因为一个新的统一思想（如弦理论）是成功还是失败，就看它是否能解决这些问题。
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我20世纪70年代初开始做物理学的时候，统一引力与其他力的思想已经像连续物质的概念一样破产了。马赫（Ernst Mach）不相信原子，麦克斯韦相信以太，爱因斯坦追寻统一场论。这些都是伟大的思想家们留下的愚蠢的教训。生活就是那么严酷。
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物理学的困惑 第四章 统一成为科学
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用新的空间维来统一四种基本力的思想失败之后，多数理论物理学家不再相信能将引力与其他力联系起来。这是有道理的，因为引力比其他三种力弱得多。他们的注意力被实验家在粒子加速器中不断发现的基本粒子吸引了。他们要从数据里寻找新原理，希望它至少能统一不同类型的粒子。
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忽略引力意味着人们义退回到了爱因斯坦广义相对论前的时空认识。长远看来，这是很危险的事情，它等于在用废弃的思想来工作。不过这种方法也有一点好处，能把问题大为简化。广义相对论的主要精神在于，空间和时间没有固定的背景几何；忽略这一点意味着我们可以简单选择一个背景。这将我们送回了牛顿的观点，粒子和场发生在空间和时间的固定背景下——背景的性质也是永恒不变的。因此，从忽略引力发展起来的理论是背景相关的。
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然而，也不是说一定要重走牛顿的老路。我们可以在爱因斯坦1905年的狭义相对论描述的空间和时间下思考。根据狭义相对论，空间几何是欧几里得几何，即我们在中学学习的那种几何；但根据爱因斯坦的两个基本假定（观察者的相对性与光速的不变性），空间与时间是完全混合的。这个理论容不下引力，但它是麦克斯韦电磁理论的正确框架。
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当量子力学完全建立起来时，量子理论家便将注意转向电磁力与量子理论的统一。因为基本的电磁现象是场，所以最后形成的统一理论叫量子场论。因为爱因斯坦的狭义相对论是电磁场的正确框架，所以这些理论也可以看作是量子理论与狭义相对论的统一。
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这个问题比将量子理论用于粒子要艰巨得多，因为场在空间每一点都有一个值。如果我们假定空间是连续的——狭义相对论的论断——那么就有无限多个连续变量。在量子理论中，每个变量都满足不确定性原理，其结果是，一个变量测量越准确，它的涨落就越疯狂。无限多个任意涨落的变量很容易失去控制。当我们提出一个理论问题时，千万当心不要有无限多个矛盾的答案。
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量子理论家们已经知道，每个电磁波有一个量子粒子，即光子。他们只用了几年时间就弄清了细节，但结果只是自由运动的光子的理论。下一步还需要容纳带电粒子（如电子和质子），并描述它们与光子的相互作用。这个目标是一个完全和谐的量子电动力学理论（QED），是非常具有挑战性的。QED是日本物理学家朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）在第二次世界大战期间首先解决的，但世界其他地方的人到了1948年才知道那个消息。那时，QED已经被年轻的美国物理学家费曼（Richard Feynman）和施温格（Julian Schwinger）独立构造了两次。
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一旦明白了QED，人们要做的事情就是把量子场论推广到强弱核力。这是接下来的25年的事情，其关键是发现两个新原理：第一个原理确定电磁力与核力有什么共同的地方，叫规范原理。正如我下面要讲的，它导致了那三种力的统一。第二个原理解释为什么三种统一的力会显得那么不同。它叫自发对称破缺。这两个原理共同形成了粒子物理学标准模型的基石。后来，人们应用它们发现，像质子和中子那样的粒子不是基本粒子，而是夸克组成的。
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质子和中子各有三个夸克，而其他那些叫介子的粒子只有两个夸克（更恰当说是一个夸克和一个反夸克）。这是60年代初，加州理工学院的盖尔曼（Murry Gell-Mann）和日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）24的茨威格（George Zweig）独立发现的。不久，斯坦福直线加速器实验中心（SLAC）的贝约肯（Ja mes Bjorken）和加州理工学院的费曼提出了实验建议，实验后来在SLAC进行，证明了质子和中子确实由三个夸克组成。
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夸克的发现是迈向统一的重要一步，因为质子、中子和其他粒子的相互作用非常复杂，而夸克之间的相互作用有可能很简单，质子和中子的外在的复杂性源于它们是复合体。这种观念以前得到过证明：尽管分子间的力很复杂，组成它们的原子之间的力却很容易用电磁学来理解。有了这个思想，理论家们就不打算在基本的层次上去认识质子和中子间的力，而是去探究影响夸克的力。这是还原论在起作用——那是一个古老的策略，认为决定部分的法则通常比决定整体的法则更简单——结果成功了，发现了在强弱两种核力与电磁力之间存在深层的共性。三个力原来都是简单而强大的规范原理的结果。
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规范原理最好是通过物理学家的对称性来理解。简单说，对称是一种不改变事物相对于外在世界的行为的操作。例如，如果你旋转一个球，你不会改变它；它仍然是球。所以，当物理学家谈对称时，指的就是空间里的不改变实验结果的操作（如旋转）。不过，他们也可以谈我们施加在实验上的不改变结果的任何形式的改变。例如，假如我们有两群猫——东边一群，西边一群——来测试它们的弹跳能力。如果猫的平均跳越没有区别，我们就说猫的跳跃在交换东西两群猫的操作下是对称的。
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为了更简单、更理想地说明这一点，我们再看另一个例子。考虑一个实验：将一束质子加速，然后瞄准由某些原子核组成的目标。我们来观察质子从核子目标散射后形成的模式。接下来，我们用中子取代质子，但不改变能量或目标。在某些情形，散射的模式几乎不会改变。我们可以说，这个实验揭示了力以相同方式作用于质子和中子。换句话说，用中子替代质子的行为是一种对称——粒子与目标核子之间的相互作用力的对称。
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