最近的电影“万物理论”讲述了霍金的故事，被日渐恶化的疾病困在轮椅上的他仍然成为世界知名的物理学家。虽然故事主要描述了他与前妻简的关系，不过还是抽出了点时间稍微解释了一下他的工作。
他雄心勃勃，像很多物理学家一样，追随爱因斯坦未竟的事业，尝试整合出一套“万物理论”，用一个统一的理论来解释宇宙中的一切。
如果能找到一个统一的理论来解释我们宇宙中的一切怪异又神奇的现象，将是卓著的成就。
几十年来，一直不乏信心满满的物理学家声称已经离目的不远了，然而，我们真的已经离解释一切一步之遥了吗？

宇宙中包含亿万个星系

从表面上看，一个万物理论是个难以完成的任务。它需要解释从莎士比亚的巨著到人脑的构成以及包含自然界的每一条山谷河流，正如剑桥大学的约翰巴罗所说，那将是囊括宇宙的大问题。
然而，巴罗认为找到这样一个理论是完全可以想象的。因为自然界的法则其实没有几个，它们简洁，对称，而自然界所有的力只有四种。
“我们周围的事物无限复杂，其实都是基本规律的作用结果，规律本身是简单的。”巴罗说。

艾萨克牛顿，发展了光线，运动和引力的理论

1687年，对当时的科学界来说，万物理论已经被发现了。
当时牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》。其中他解释了物体的运动原理以及重力法则。牛顿所展现的世界是个美丽且秩序井然的地方。
传说在他23岁时，牛顿在花园里散步时看到树上的苹果落下来。此时，他意识到应该是脚下的地球产生的力把它拉下来的。之后牛顿把这一理论进一步推演。
牛顿晚年的助手约翰康杜特曾说过，通过苹果掉落的现象，牛顿想到，重力“不会只对地球表面的物体产生作用，它必然能延伸到比我们所想象的远得多的地方。”根据康杜特的记录，牛顿之后思考的是，“为什么不能延伸到月亮的高度？”

太阳系

在此启发下，牛顿研究出引力理论。不光能运用于苹果，同样也可以运用于行星的运转。所有看上去完全不同的物体，遵循同样的法则。
这本书里也展现了物体运动的三大定律。与引力理论一起，这些法则解释了从一个小球的运动轨迹到为什么月亮绕着地球运转。
巴罗说，“人们当时认为他已经解释了一切，他的成就是无可比拟的。”
问题是，牛顿自己知道他的理论是有漏洞的。
比如，引力不能解释为什么小物体会自动黏在一起，仅仅凭它们所拥有的引力是不够的。而且，虽然牛顿可以描述现象，却不能解释其背后的原理。他的理论是不完整的。
更大的问题是，虽然牛顿的理论可以解释宇宙中大部分普通的现象，然而在一些情况下他的法则却会被打破。虽然这些情况非常罕见，并且常常牵扯到极端的速度或超强的引力，可是它们却实实在在的存在着。
其中之一便是水星的运行轨迹。水星是离太阳最近的行星。每个行星在公转的同时也会自转。通过牛顿的法则可以计算出它们是如何自转的。然而水星的自转却是反常的，同样奇怪的是它的公转也是偏心的。
证据很明显，牛顿的引力理论并非普适公理。

水星具有古怪的公转轨迹

两个多世纪之后，爱因斯坦用他的广义相对论解决了这个悬念。爱因斯坦的理论到2015年正好100周年，他从一个更深的角度理解了引力。
他的理论核心是时空的概念。时间和空间看似是完全不同的东西，实际上却是紧密交织的。有长宽高三维的空间，而第四维我们称之为时间。所有这四维交织成巨大的宇宙之毯。你要是在科幻电影里听到“时空连续区”，就是指这东西。
爱因斯坦的宏大设想是，巨大如行星的物体，或是快速移动的物体，可以扭曲时空。想象一张紧绷的蹦床，如果你在上面放一个沉重的物体，它会发生弯曲和凹陷，而任何其他物体都会滚向这个重物。按照爱因斯坦的说法，这就是物体互相吸引的原理。
这是个非常奇异的设想，然而物理学家们却被深深地说服了。比如这个理论就能很好的解释水星的奇怪的轨道。

20世纪爱因斯坦带来物理学界革命性的进展

太阳的巨大质量影响了水星的运动
根据广义相对论，太阳的巨大质量扭曲了它周围的时空。
作为离太阳最近的行星，水星比其它行星经受了大得多的扭曲，广义相对论的公式描述了弯曲的时空对水星轨道的影响，并且可以精确的测算出它的位置。
然而尽管拥有这些成功，广义相对论却还算不上是万物通用的理论。如同牛顿的理论无法解释巨大的物体，爱因斯坦的理论对微小的物体也束手无策。
当研究微小如原子的物体时，它们古怪的行为便难以解释了。

原子有个内核被周围的电子云围绕
直到19世纪晚期，原子一直被认为是组成物体的最小粒子。原子atom一词从古希腊的atomos演化而来，意思是“不可分割的”。顾名思义，它应该没法再分了。
然而在1870年，科学家发现了比原子小2000倍的粒子。
通过对真空管内的光线称重，他们发现了一种极轻带有负电荷的粒子。这是人们第一次发现亚原子微粒：电子。
在之后的半个世纪中科学家又发现了原子核，被周围的电子云所包围。这个中心核是原子中最重的部分，由两种粒子组成，不带电荷的中子和带有正电荷的质子。
这还不是故事的终点，之后，科学家继续向下分解，不断的重新定义“基本粒子”的概念。1960年时，已经有几十种基本粒子被发现，列出一个长长的粒子名单，被称为“粒子动物园”。

亚原子世界里充满了奇怪的粒子
我们今天的理解，原子内部有三种成分，电子是其中唯一的基本粒子。中子和质子还可以被分为更小的粒子成为夸克。
这些亚原子粒子遵循的是一套与大物体如行星或者一棵树所遵循的完全不同的法则。这些新法则远远的难以预测，把既有的一套理论彻底颠覆。
在量子力学中，粒子没有确定的位置：它们处于哪里是模糊的。我们所能说的只有每个粒子在每个位置出现的可能性。由此看来，世界从本源上来说是个完全不确定的地方。
这听上去实在太玄妙和极端，只能说不止你一个这么想。量子物理专家理查德费曼曾说过，“我想我可以确定的说没人能真正理解量子力学。”
爱因斯坦也无法忍受量子力学的模糊和不确定性。“尽管是学科的启蒙者之一，爱因斯坦从来也没有真正相信过量子力学。”巴罗说。

广义相对论适用于大物体如恒星
广义相对论和量子力学，一个管大一个管小，虽然不同，可有一点，它们在各自的领域都有惊人的精准性。
量子力学解释了原子的结构和行为，包括为什么一些原子有放射性。它也是现代电子学的基础，没有它你还看不了这篇文章。
而广义相对论可以推演出黑洞的存在，它们是恒星向自身中心塌缩的产物。它们的引力场是如此强悍以至于连光线都无法逃脱。

根据广义相对论，黑洞应该存在
问题是，这两个理论并不相容，所以它们不可能同时都正确。广义相对论下物体的行为可以被精确的预测，而量子力学下你只能知道物体行为的可能性。
这就意味着有些事情物理学家是无法描述的。黑洞就是这样一个特别的问题。它们极其巨大可以适用广义相对论，可它们同时又极其微小所以也可以适用量子力学。
不过除非你呆在黑洞附近，这种不相容与你并不相干。可是物理学家们却在上个世纪为此伤透脑筋。正是这种不相容，驱使人们追求一个集大成能够解释万物的理论。