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一个最有趣的推断由哈沃德·乔吉（Howard Georgi）与谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）[22] 在1974年提出。他们认为，虽然我们在低能标下观测到了三种引力之外强度不同的基本作用力（电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力），但是有可能在高能标下仅有一种作用力，其强度是固定的（见图5-7。注意，该图与一种比乔吉-格拉肖理论更精确的统一理论版本相契合，各条线几乎汇于一点，但仍只差一步之遥。这种有缺憾的统一理论不久之后随着对作用力强度更精确的测量而被证实）。这唯一的力被称为“统一力”，因为它包含三种已知的力。这种推想被称作大统一理论（Grand Unified Theory, GUT），因为乔吉和格拉肖认为这个名字很有趣。
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图5-7 在高能标下，三种已知的非引力作用力也许有着相同的强度，因此也许可以被统一为一种力。
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这种作用力强度收敛的可能性并非无意义的推断。根据量子力学与相对论所做的计算预示着情况可能的确如此。[23] 然而它可能出现的能量尺度远远高出我们通过粒子对撞机实验所能达到的。统一力出现的尺度大约是10-30 厘米。虽然这样的尺度是人们不可能直接观测到的，但是我们却可以寻找一些大统一理论的间接结果。
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一种可能性是观测质子衰变。乔吉与格拉肖在夸克与轻子（lepton）之间引入了相互作用的新理论，并认为质子将会衰变。从两人理论的特殊性质出发，物理学家们可以计算出质子衰变的速率。迄今，我们还没有观测到任何支持大统一理论的实验证据，这排除掉了两人的特殊假定。这并不意味着大统一理论必然是错误的。有可能这个理论比他们已经提出的模型更细致、微妙。
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这种对大统一理论的研究，决定了我们如何把知识延拓到超越我们能直接观测到的领域中。使用这些理论，我们可以试着推断出通过实验已经断定的、到现在为止还不能达到的能标。有时我们运气比较好，因为设计良好的实验可以让我们检验自己的推断与数据相吻合，或者检验我们是不是太过幼稚。在大统一理论的情形下，有关质子衰变的实验让科学家们得以间接地研究尺度太小以至于不能直接观测到的相互作用。那些实验让科学家们得以检验他们的理论。一个由这些例子得到的经验是，我们偶尔可以提出对物质和力的有趣洞见，甚至通过推测那些乍看与问题无关的尺度，找到把我们对实验的解释延拓到更高能标、更广泛现象的方法。
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我们理论之旅的下一站，也是最后一站，是被称为普朗克长度的尺度，即10-33 厘米。为了对这个尺度的微小给出一个直观印象，我们这样类比：这个尺度与质子大小的比例正如质子与罗得岛州大小的比例。在这个尺度上，即便是最基本的时间与空间观念都有可能不再适用。我们甚至不知道如何构造一个探测比普朗克长度更小尺度的思想实验，这是我们所能想象到的最小尺度。
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对在普朗克长度上进行实验探索的匮乏，并非只是出于我们有限的想象力、技术水平甚至是资金，那些更小尺度上的不可探索性也许是出于物理规律的限制。如我们在下一章中将要看到的，量子力学告诉我们，越小尺度的探测就需要越高的能量。然而，当束缚在一个小区域中能量过大时，物质就会塌缩成为黑洞——在这一点上完全由引力统治。于是，黑洞将吸入更多的能量，这让黑洞变得更大而非更小——这与我们更熟悉的宏观情形类似，而量子力学在这个领域并不占主导地位。我们尚且不知道任何探索比普朗克长度更小尺度的方法，即便提供更高的能量也没有用。传统空间观念非常有可能在如此小的尺度上不再适用。
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在我最近作的一个演讲上，在我解释了粒子物理学现在的状况以及一个有关额外维度的可能性质之后，有听众提醒我，我可能忘记了一种我提过的有关人们时空观念局限性的观点。我被问及，我如何可以调停有关额外维度的解释以及时空观念在普朗克长度不再适用的观念。
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对于空间（也许还有时间）不再适用的推断仅仅发生在不可观测的小到普朗克长度的尺度上。现在我们观测所能及的最小尺度是10-17 厘米，所以在可观测的尺度上，认为几何图形是光滑平整的并不悖于任何观念。即便是空间观念本身在普朗克长度附近不再适用，这个尺度也远小于我们目前之所能及。当我们在更大、可观测的尺度上观测平均值时，光滑、可分辨的结构的出现并不会产生任何矛盾。毕竟，不同尺度的事物通常表现出不同的行为。爱因斯坦也会言及，在大尺度上，空间的几何结构是光滑的。然而他的观点在小尺度上可能并不适用——只要它们足够微小且必须服从在大尺度上可以忽略的效应，而在大尺度上，那些更基本的新要素没有我们能观测到的可分辨的效应。
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不管时空观念是不是失效了，我们的方程都可以确切地告诉我们普朗克长度的一个决定性特征，即在这个尺度上，原本在我们能测量的尺度上作用于基本粒子时强度微不足道的引力会成为一个很强的力，其强度可以与我们已知其他力的强度比肩。在普朗克长度上，根据爱因斯坦的相对论提出的标准引力方程将会失效。与知道如何作出能很好地符合观测结果预测的更大尺度不同，当我们把它们同时应用在这个小区域中时，相对论与量子力学并不能很好地相容。我们甚至不知道如何试着作出预测。广义相对论建立在光滑的经典几何学基础之上。在普朗克长度之上，量子涨落（quantum fluctuation）让空间变得沸腾，这会产生大量的时空泡沫，让我们所惯用的引力方程无以为继。
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量子涨落
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不确定性原理允许存在全空无一物的空间（即纯粹空间）中随机地产生少许能量，前提是该能量会在很短的时间内重归消失。
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为了处理普朗克长度上的物理预测，我们需要一个新的理论框架，它必须把量子力学与引力理论融合到一起，这个新的综合性理论就是量子引力理论。统治普朗克长度的物理规律必须与在可观测的尺度上得到验证的物理规律截然不同。对这个尺度的理解必须引入令人信服的科学范式变化，正如由经典物理学过渡到量子力学时产生的变化一样。即便我们在最小的尺度上不能进行任何观察，我们也有机会通过日益发展的理论推演，得知一些有关引力、空间与时间的基本理论。
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其中最流行的理论被称为弦理论。早期的弦理论是用基础弦取代基本粒子而构建的。我们现在知道，弦理论也引入了许多弦之外的基本事物（我们将在第17章详细介绍），它的名字也有时会变迁为更广泛（然而定义不那么明确）的术语，即M-理论。这个理论是现在解决量子引力问题最有希望的理论。
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弦理论面临许多在观念上与数学上的挑战。现在还没有人知道如何构建能回答所有问题的弦理论，而这些问题都是我们希望量子引力理论可以回答的。此外，弦理论的尺度10-33 厘米有可能超出了我们能想象出来的任何实验之所能及。
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所以，一个合理的问题是：从合理花费时间与资源的角度来看，引入弦理论是合理的吗？我经常被问及这个问题。我们为什么要研究一个实验所不能及的理论呢？某些物理学家在数学和理论物理上都已经找到了足够一致的理由。那些人认为他们可以重现爱因斯坦在发展广义相对论时的那种成功，这大部分基于纯粹的数学与理论物理推导。
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另一个研究弦理论的动机（我认为它很重要）是，它可以为我们在可观测的尺度上思考新观念，提供新的方法。其中的两个观念分别是超对称理论与额外维度理论（我们将在第17章中探讨）。如果牵涉到粒子物理学中的问题，那么这些理论确实有着可供验证的实验结果。事实上，如果确定的额外维度理论被证实，并可以解释大型强子对撞机能标上的现象，即便是弦理论的证据也有可能在更低的能标下出现。超对称性或额外维度理论的发现并不会被弦理论证实，然而它们却是通过缺乏直接实验结果时，仅靠思想抽象工作有效性的一个有力确证。当然它也会是研究中实验功用的确证，即便那些研究原本是由看似抽象的观念出发得来的。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950060]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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