物理学家想要什么
麻省理工学院教授迈克斯•泰格马克有本书叫《穿越平行宇宙》虽然这不是他最新的书，但其中的思想非常重要。我们将借助这本书来讲讲物理学家对世界的最新理解，以及世界到底是怎么回事。
我们先来看看物理学的发展。
一个最简单的物理学史
物理学的历史跌宕起伏，有无数的英雄故事，但我会讲一个最简化的基于逻辑的物理学史，让你明白物理学到底是怎么回事。
这一切的幵始，是你对生活的一个细致观察。
每次往空中扔出一个东西，你都会注意到它走的不是直线，而是“拋物线”。
比如扔石头。你做了精确的测量，发现石头既有往前走的速度，也有往下落的速度。往前的速度是匀速的，而下落的速度不是匀速的，而是越来越快——有一个“加速度”。你就想，一定是有什么东西在把石头往下拉——石头受到了某种看不见、摸不着的“力”的影响。这个力只能来自大地，于是你就发现了“引力”。
你进一步测量，发现不管石头有多重，它下落的“加速度”是恒定的这就是为什么一轻一重两个铁球会同时落地。于是你得出结论，引力应该正好跟受力物体的重量成正比。
这样你有了第一个引力理论！这个理论非常好使，你可以用它精确计算炮弹的弹道。有了引力理论，你的炮兵指哪打哪，这给你带来了巨大的声望。
这时你有了更大的野心。既然所有有重量的物体都受到引力的影响，那行星绕着太阳转，会不会也是因为引力呢？为了验证这个猜想，你做了一番计算，想用你的引力理论把行星轨道给算出来。
结果你发现怎么算都不对！可能在这么大的尺度上，引力理论需要做些修改。旧理论中引力只跟物体的重量有关系，那可能是因为我们都住在地球表面。行星距离太阳这么远，它感受到的太阳引力应该变小才对。你反复思考，发明了一个新的引力理论，让引力跟距离也有关系——这个理论，就是万有引力。
万有引力理论就更厉害了，它能精确预言行星的运动！什么椭圆轨道、速度、周期，你都能算出来，而且跟天文学家的观测结果非常吻合。
从数学上来说，万有引力理论在地球表面的极端情况，正好就是那个旧理论。所以现在万有引力理论是一统江湖，对地上和天上的东西都管用。
于是你就去挨个测量太阳系行星的轨道，想看着万有引力理论“大杀四方”。结果发现，其他行星的轨道和你的理论计算都是精确符合的，但是距太阳最近的行星——水星的轨道变化，总是和计算结果有一点点的差异。
这个差异非常非常小，每个世纪相差还不到1弧度。可你还是感到坐立不安：如果我的理论是完美的，水星怎么就例外呢？难道说因为水星离太阳很近，万有引力理论就不好使了吗？
你克服了无数的困难，甚至把“力”这个概念都更新了，终于发明了一个更新的理论——广义相对论。
广义相对论能完美解释水星轨道，而这仅仅是个开胃菜。有了广义相对论，你就可以研究更大的问题了。你预言了黑洞和引力波的存在，结果后来观测都证实了！而且因为有了广义相对论，我们居然可以研究整个宇宙的历史了。
多年以后，面对成熟的宇宙学，你准会想起第一次往空中扔石头的那个遥远的下午。
物理学的逻辑
这段极简的物理学史，告诉我们三个逻辑。
第一，物理学家总是用一个更“一般”的新理论，取代旧理论。
有了新理论，你会发现旧理论只是新理论在局部的一个特殊情况。比如，你把广义相对论拿过来，考虑在一个引力比较弱的特殊情况下算一算物体的运动方式，它跟牛顿万有引力公式的计算结果是一样的。同样的道理，你把牛顿万有引力公式拿过来，结合考虑地球表面这个特殊情况，那就相当于引力只和重量有关系。
所以物理学家一般不说旧理论是错的，而说旧理论只是适用范围有限。新理论是旧理论的推广，旧理论是新理论的近似。
第二，新理论除了能解释旧理论不能解释的一些现象，还能预言一些物理学家此前连想都没想过的新的东西。
牛顿力学只能计算一般行星的轨道，可是有了广义相对论，我们不但能解释水星轨道的“怪异”变化，还能预言一些新东西。比如黑洞、引力波等，牛顿力学里根本没有，天文观测也没见过，物理学家做梦都没梦见过——可是如果你把广义相对论当个玩具，考虑这个方程在一些特殊情况下的解，你就能在纸面上算出来，应该有这些东西存在！
结果多年之后，天文观测的手段进步了，天文学家一找，还真的找到了！这简直不可思议，你就觉得这个世界对物理学家真是非常友好。
1928年，理论物理学家保罗•狄拉克（PaulDirac )把量子力学和狭义相对论结合到一起，提出了一个关于电子的新理论。他对新理论的方程求解，就发现这个理论除了能解释电子的存在，方程还有另外一个解。那个解的各种性质和电子一样，但是它带正电，是电子的“反物质”。狄拉克就纯粹根据自己的方程，说世界上应该有“正电子”。结果到1932年，实验物理学家就真的找到了正电子！
像这样的故事数不胜数。物理学家推广旧理论不仅仅是为了数学上的完美，还是为了幵疆拓土，打开新世界的大门。
第三，新理论不会让物理学家满足很长时间，他们又会想要更新的理论。
有了新理论，打开了新世界，你很快发现又有新的现象是这个理论解释不了的。比如广义相对论似乎不能完全解释暗能量，根本就无法解
释暗物质，你就想要更新的理论。
整个这个过程，就是：
现象——理论——新现象和新的解释不了的现象——新理论——……
这有点像是玄幻世界里的“修仙”。每上升一层新境界，你看世界的整个眼光就都改变了。比如，你会发现原来看起来很不一样的东西，现在在这个更高的层次上看，其实是同一种东西。
人和动物都是生物，生物和非生物都是原子组成的，地上和天上的东西满足同样的物理定律。
每一次见识的升华，又会给你解锁新的技能。在低层次看来，高层次的技能就好像法术一样。
到了高层次回头再一看，以前那些看似神秘的东西都变得一目了然,真是“一览众山小”。
而很多物理学家相信，这个提出新理论、解锁新现象的过程，不会一直持续下去——可能马上就要到头了。
终极理论
前面我们说了引力理论这条线，这条线的理论专门研究大尺度的物理现象。物理学的另一条线是往小尺度方向走，也就是量子力学这条线。
一幵始，你以为电力和磁力是两种完全不同的东西。有了电动力学以后，你发现电和磁可以用同一组方程统一描写，而光其实就是一种电磁波。为了研究原子这么小尺度的电磁现象，就有了量子力学，又有了量子电动力学、量子场论、量子色动力学等——现在微观尺度的一切物理，统一起来，叫“标准模型”，简单地说叫量子场论。
这样，如果有引力，尺度比较大，你就可以用广义相对论；如果引力可以忽略，尺度比较小，你就可以用量子场论。那如果引力比较大，尺度又比较小，该怎么办呢？黑洞内部，以及最初的宇宙，就是这种极端的情况，而我们还没有一个理论适合这种情况。
所以现在物理学家最想要的，就是把广义相对论和量子场论统一起来。
这个理论的了不起之处，就在于它将能解释和预言从遥远星际到黑洞内部、从宇宙起源到无穷未来、从无比小到无比大的尺度上的一切现象。
所以它被称为“统一理论”“万物理论”“终极理论”。
这就是物理学家的雄心壮志。这将是最后一个物理理论，引无数英雄竞折腰。
在物理学家眼中，只要有了这个终极理论，世间一切科学知识，就都可以从这个理论中推导出来，下图 [1] 是物理学家心目中各个学科的推导关系。
你考虑终极理论在大尺度下的情况，就是广义相对论。你把终极理论取一个引力是0的极限，就是量子场论。从广义相对论出发你可以推导出狭义相对论和电磁学，从量子场论出发你可以推导出核物理学和粒子物理学……
从物理学出发你可以推导出化学、机械工程学和电子工程学。从物理学和化学出发你可以推导出地球科学和生物学。从生物学出发你可以推导出心理学和医学，然后推导出社会学……这一切的一切，都源自一个“终极理论”。