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一个成功的物理大统一理论必定要建立在量子理论的基础上。因此，笔者在第二篇中简要地叙述了量子物理的发展历史和基本概念，带领读者了解量子力学的创建过程，从科学家的物理思想及趣闻轶事中，也同时深入探测微观世界，体会领略神奇的量子现象。
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物理理论的建立少不了数学。为了理解物理中的统一理论，一定的数学知识是必要的。实际上，理论物理和数学互相渗透、融合在一起，彼此促进、相辅相成。在本书中，笔者尽量避免写出数学公式，而是代之以通俗的语言，用来描述艰深的数学概念，诸如群论、李群、李代数、对称、守恒、生成元、自发对称破缺等。作者通过深入浅出的描述和恰到好处的比喻，将这些数学名词与日常生活的种种经验联系起来，令读者耳目一新。
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世界的本源是什么？这是从希腊时代开始，哲学家和科学家们就不停追溯和思考的难题。对此类问题的探索关系到两个方面：构成物质的基本砖块有哪些？这些砖块之间的作用力又有哪些？说穿了，物理学中寻求的统一理论的本质，就是要寻求统一这些基本砖块及其相互作用的理论。大家在中学物理及化学中，已经接触过的分子结构、原子模型、质子、中子、电子，以及元素周期表等，是在原子（分子）层次的统一理论。然而，随着科学技术的发展进步，人类对物质本源的认识已经深入到更下一个层次。科学家们制造了大型加速器，利用快速运动粒子之间的碰撞来产生新粒子，也从浩瀚无边的宇宙中发现和捕获未知粒子。清点各种粒子后，我们知道其种类已经有好几百种。这其中，哪些算是“基本”的？哪些是由基本粒子构成的？如何将粒子动物园中的各种“动物”分门别类？这是本书在第四篇中将介绍的内容。
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物理学家们从20世纪80年代开始建立的“标准模型”，是统一路上的一个重要成果。标准模型建立在杨—米尔斯规范场理论的基础上，将目前物理实验能量能够达到的微观世界最小层次的物质结构和相互作用，统一于61种基本粒子。该理论所预言的多种粒子在实验中均被陆续发现，2012年最后发现的希格斯粒子，为这个理论贴上了一个醒目的标签。本书第五篇，便在叙述杨—米尔斯理论的基础上，简单介绍标准模型。
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一波未平，一波又起。现有的基本粒子尚未被统一，宇宙学的领域又传来了新的信息。原来我们能探测到的物质种类，只占宇宙中所有物质成分的4.9％。其余的属于我们对其性质几乎完全无知的暗物质和暗能量。这些“暗货”到底是些什么？如何将它们统一在我们的物理理论中？天文学和宇宙学的实验观察数据，既给我们提出了挑战，也有可能向我们展现了克服困难的玄机。笔者在第六篇中，探索在大爆炸开始的短暂时刻，四种相互作用如何分离。微观和宇观的结合，是否能为物理学的统一之路，开辟新的捷径？
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尽管标准模型取得了一定的成功，但它与少量的实验结果也有不相符合的情况。并且，它将引力抛弃在外，因此人们并不认为它能够作为将来所谓“终极理论”的候选者。那么，除了标准模型之外，还有哪些主要的理论呢？物理学家为了统一引力，做了哪些努力？统一大业将何去何从？在本书的最后几节，笔者将对弦论、M理论、引力量子化、弦网等略微介绍。
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20世纪初物理界的两场革命，带给了我们相对论和量子理论。如今，物理学需要新一轮的革命，将两者结合统一在一起。这种微观和宇观的统一，是否能为物理学以及其他科学的统一之路，开辟出一条新的路径？相信科学家们将继续努力，让我们期待欣赏大自然更高一层次的“简约之美”！
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爱因斯坦30年如一日的统一梦，即使未成正果，也精神可嘉。他留给后人的遗产，有前半生大胆创建物理理论的思想光辉，也有后半生不折不挠、追求统一的奋斗精神。爱因斯坦超人的物理直觉和对数学思想的异常敏感，将他造就成了一代伟人。
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在后半生探索统一场论的过程中，爱因斯坦对物理和数学的观念发生了一些微妙的变化。或许是因为黎曼几何之于引力理论的重要性给他的冲击太大，印象太深刻了；也有可能是他对自己的物理直觉太过于自信了，以为不需要多想，那种直觉自然而然就在那里。总之，在后来几十年的研究中，他似乎不再像原来建立两个相对论时那样深究物理概念，提出革命思想，而是转而试图以几何为出发点来将广义相对论拓展到电磁场。可是很遗憾，这种从数学走向物理的想法没有使他再获成功。
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爱因斯坦太钟爱广义相对论、抵制量子论，以至于他在1950年评价物理学领域中的成果时说：“基础物理理论需要一开始就在基本概念上与广义相对论一致，否则在我看来都是注定会失败的。”可惜爱因斯坦这次的预言不准确。如今，不知远在天国的他是已经注意到量子理论这几十年的成功，还是仍然像1950年那样，对量子理论与广义相对论的水火不容而耿耿于怀。
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种种说不清的原因，使得爱因斯坦在最后三十余年中的科学努力似乎一无所获，没有得到什么对现代物理研究来说值得一提的结果。但不可否认，爱因斯坦是一个伟人。如今一百余年过去了，他的许多理论我们仍在使用。然而他的巨大的身影，与他坚持不懈的经典统一梦，却都渐行渐远，慢慢地消失在无情的历史岁月里。
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物理学家对统一理论的追求，只不过表明了探索大自然更深一层秘密的愿望和决心。有谁会真正相信，用一个“万能公式”，或是一个“万有理论”，就解决了所有的问题呢？求统一的过程中发现更多的多元化和“不统一”，在不统一的世界中又不断显现共同的、统一的特征。爱因斯坦的统一梦后继有人，统一之路永无止境！
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 第一篇 从牛顿到爱因斯坦
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1．统一路上话牛顿
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回头看历史，牛顿（Isaac Newton，1643—1727年）创立的经典力学无疑是物理史上第一片追求“统一”的港湾。
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牛顿有过如此一段名言：“将简单的事情考虑复杂，可以发现新领域；把复杂的现象看得简单，可以发现新规律。”这句话描述了牛顿做物理和数学的基本思想方法，前一段说的是科研中的具体过程，后一段则代表了他对物理理论规律追求“统一”的奥卡姆剃刀原则。牛顿是这么说的，也是这么做的。牛顿发明微积分是前者，总结、建立力学三大定律及万有引力定律则是后者。
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牛顿出生于普通农家，是个身体羸弱的早产儿。少年时代的牛顿，也似乎并未表现出现代人眼中的“天才”或“神童”的特质。他自幼丧父、母亲改嫁，资质一般、成绩平平。但谁也没有预料到，这个不起眼的小家伙，后来居然会成为科学界的一代巨匠。中学毕业后，母亲让牛顿在家务农，以便养家糊口。但牛顿志不于此，他喜欢读书和钻研数学问题，还不时别出心裁地搞点小发明。他的一位舅父发现了牛顿对科学的浓厚兴趣，因而说服他的母亲，没有让他继续务农。在19岁时，牛顿考上了著名的剑桥大学三一学院。舅父的这个偶然建议，使得牛顿进入物理学的领域一展宏图。
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牛顿从剑桥大学毕业后的那一年半是牛顿科研生涯中的“奇迹时期”。1665年5月，蔓延伦敦的瘟疫迫使剑桥大学关门，牛顿只好回到乡下的老家居住。这段时间是牛顿精力旺盛、思绪联翩，最富创造力的一段黄金岁月。在短短的18个月内，他思考数学问题、进行光学实验、计算星体轨道、探索引力之谜……牛顿生平最重要的几项成就，都在这一年半的时间内初现雏形[1]，[2]。
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首先，牛顿思考了二项式展开的问题。当时的数学前辈笛卡儿，对牛顿的数学思想影响很大。但在这个二项式展开的问题上，笛卡儿的想法很奇怪，他认为这没有什么可想的，展开后的项数好像有无穷多，太复杂了，但人的大脑是有限的，不应该去思考这种与无穷有关的复杂问题。二项式的表达式多么简单，为什么要将它展开成复杂而无穷的多项式呢？可牛顿却偏偏迷上了这个由无穷多项求和的复杂概念。这个概念又引导牛顿进一步思考无限细分下去，而得到的无穷小量的问题。他将这无穷小量称之为“极微量”，也就是现在我们所说的“微分”。牛顿用他的无穷小量的方法，对几何图形进行了很多详细的思考和繁复的计算，他曾经将双曲线之下图形的面积算到250个数值。正是这种不畏艰难的精神和进行繁复计算的超人能力，使牛顿最后发明了微积分，为数学、物理乃至其他所有的科学技术，开拓了一片崭新的领域！
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在这段时期内，牛顿用三棱镜作各种光学实验，研究颜色的理论。此外，他对引力问题的钻研也颇有成效。有关苹果打到头上的故事据说也就发生于此。苹果未必真正击中了牛顿的脑袋，但苹果朝下落而不往上飞的事实肯定给了牛顿启发。为什么是往下掉呢？不仅仅是苹果，周围的一切物体都往下掉。那么，一定是地球在吸引它们。如果地球吸引所有的物体，也吸引天上的月亮吗？地球对月亮也应该有吸引力，但是月亮为什么不掉下来呢？对了，牛顿想，月亮虽然不掉到地上，但是月亮也没有从地球附近跑开，而是在地球周围绕圈圈，不停地做圆周运动。荷兰物理学家惠更斯（Huygens，1629—1695年）研究过这个问题，他认为圆周运动也需要“力”来维持，就像孩子们用绳子绑着石头转圈的情形一样，绳子对石头的牵引力维持着石头的圆周运动。因此，地球对月亮的吸引力维持着月亮绕地球的圆周运动。
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惠更斯虽然认识到圆周运动需要向心力，但却不知道月亮绕地球转动的向心力来自何处。将吸引苹果下落的力与吸引月球绕地球转动的力归纳为同一种力，继而扩展到所有的物体之间都存在这种相互作用力，是牛顿建立万有引力过程中，思想上的一次大突破、大统一。
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一年半过去了，瘟疫的疫情有所缓解，牛顿便带着他数月思考的成果回到了剑桥。他迅速地被授予了硕士学位，成为了一名教授。牛顿的才能得到了剑桥物理学家伊萨克·巴罗的高度赞赏。为了使牛顿有安定优越的科研环境，巴罗还辞去了自己的教授一职，让贤于牛顿。此举在科学史上被传为一段佳话。
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