引人注目的四重奏

所有科学的宏伟目标……都是通过逻辑推导，从最少的假设或公理中推导出最多的实验事实。

——阿尔伯特·爱因斯坦（《空间、以太和物理中的场》，1954年）

1939年，尼尔斯·玻尔带着一个重大的秘密来到了普林斯顿。他刚刚得知纳粹德国在核裂变研究方面领先了，核裂变就是铀或其他大原子核的分裂。其中潜在的问题就是原子核中巨大的能量是否会被希特勒用来制造致命武器。为了更好地理解裂变，玻尔和约翰·惠勒一起建造了一个原子核如何变形和破碎的模型。

出于尊敬，玻尔出席了爱因斯坦的一个关于统一理论的讲演。爱因斯坦讲述了一个把万有引力和电磁相互作用统一起来的抽象数学模型。它并没有涉及到核力，甚至也没有加入量子力学。据说玻尔沉默着离开了。他对此漠不关心的态度刻画了那个时代的精神，在那时原子核是新的前沿领域。

核物理那时候已经产生了深厚的政治影响。前一年，曾经在麦吉尔协助过卢瑟福的德国化学家奥托·哈恩与莉泽·迈特纳、弗里茨·斯特拉斯曼一起发现了，铀的一种特殊同位素是怎样通过中子轰击而导致裂变的。那一年晚些时候，迈特纳在德奥合并（德国吞并了奥地利）之后逃离纳粹，她把这项发现告诉了和玻尔一起工作的外甥奥托·弗里希，玻尔警觉地发现纳粹有可能利用这一发现开发出一种炸弹。不久之后，其他人也都知道了，也开始为这件事感到忧虑。后来，西拉德和意大利物理学家恩里科·费米证明了，铀原子核分裂开时产生的中子可以引发其他原子核分裂，紧接着的链式反应可以释放巨大的能量。此时那些恐惧就越发加重了。西拉德给罗斯福总统写了一封信，警告说存在这样的危险，并说服了爱因斯坦在这封信上签名。不久曼哈顿计划就诞生了，结果美国人最早开发出了原子弹。

原子核是个终极谜题。什么使它聚合在一起的？什么使它以某种方式衰变的？什么导致某些同位素比其他的同位素更容易分裂？在多数原子核中中子数会大大超过质子数，这是怎么回事？为什么自然中发现的原子核的大小似乎有一个上限？可以人工制造任意大小的原子核吗？

在第二次世界大战那段混乱的年月中，解决这些谜题最重要的先锋之一是费米。他于1901年9月29日出生于罗马。年轻的恩里科是一个神童，对于数学和物理有着惊人的天赋。10岁的时候，他就在学习几何方程的细节，比如圆的公式。在十几岁大的哥哥悲惨地去世之后，他就沉浸于书本中，以此来缓解悲伤，这让他的学习更深入了。他流星般地通过了中学和大学，仅仅21岁时就在比萨大学获得了博士学位。20世纪20年代中期，在成为罗马大学物理学教授之前，他先后去过哥廷根、莱顿和佛罗伦萨。

在费米为核物理和粒子物理作出的重大贡献中，其中的一个是在1933年他给出了β衰变的第一个数学模型。他做这事的动力来源于这年早些时候举行的第17届索尔维会议，在会上泡利第一次正式提出了中微子的理论。泡利解释说，当β射线在原子核进行放射性衰变过程中被辐射出来时，由于观测中发现缺少了一点能量，那么一定有某种看不见的电中性且很轻的粒子产生了。泡利最初称之为中子，但当那些重很多的粒子被发现之后，他采用了费米的建议称之为中子的意大利小兄弟。费米接着计算出了这种衰变过程是如何进行的。尽管后来证明了他的模型里少了几个重要因素，但它仍可以作为揭示自然界中的一种全新作用力——弱相互作用——的纪念碑。这种弱相互作用力导致了某种类型的粒子发生变化，产生了像β衰变这样的不稳定现象。

在费米手下工作过的物理学家埃米利奥·塞格雷回忆说：

费米把这个理论的初稿给了他在罗马的几个朋友，那时我们正在阿尔卑斯山上度1933年的圣诞假期。在滑了一整天雪之后的夜晚，我们坐在旅馆房间里的一张床上。由于在滑雪时摔了几跤，擦伤了，我几乎不能稳定地坐在那儿不动。费米对他作出的成绩的重要性非常清楚。他说这篇文章是他迄今为止最好的，他会因为这篇文章而被人们记住。

费米的β衰变模型可以想象为有关的粒子聚集到一点时发生的一个交换过程。比如，如果一个质子遇到了一个电子，这个质子将它的正电荷转变成电子，自己变成一个中子，而电子则变成中微子；另一种可能是一个质子可以交出电荷成为一个中子、一个正电子和一个中微子；第三种可能是一个中子变成一个质子、一个电子和一个反中微子（像是一个中微子，但它们产生的机制不同）。这些可能中都包含了粒子的聚集和转变——就像一个橄榄球队员追上对方队的一个队员，抢过球并向另一个方向跑去。

在电磁相互作用中，两个电流，也就是运动的电荷流，可以通过交换光子发生相互作用。因为光子是电中性粒子，所以在这个过程中没有电荷交换。但是质子交换可以让这两个电流要么聚集到一起，要么分开，这完全取决于它们的类型和运动电荷的方向。

用现代术语来说，我们称光子为传递电磁作用力的交换粒子。包括光子在内的交换粒子属于一类叫做玻色子的粒子。物质的最小组成成分——现在知道它们是夸克和轻子——都是费米子。如果说费米子是身体的骨架和肌肉，玻色子则提供了它们运动所需的神经脉冲。

对于弱相互作用力，像费米所说的，有两个“流”。一个是质子/中子流，另一个是电子/中微子流。在它们相互作用的过程中，它们会交换电荷和身份。这里费米所提出的流的概念并不仅意味着运动电荷，而且还包括任何粒子流，它们在相互作用中保持或交换某种性质。

就像质量标志万有引力所造成的影响的强度，电荷标志了电磁相互作用的强度。费米找到了一个因子，现在称之为费米弱耦合常数。这个因子标志了弱相互作用的强度。他利用这一信息构造了一个被称为费米“黄金规则”的方法，来计算粒子发生衰变的可能性，建立已久的万有引力和电磁相互作用突然有了一个全新的邻居。但那时没人知道怎么样把这个街区里新来的小子和老前辈们联系起来。

1934年，日本物理学家汤川秀树假定还存在第四种基本相互作用，这使得事情变得更加复杂了。汤川秀树注意到β衰变是一种罕见的事件，而质子和中子的另外一种联系是更常见的，而且强度更大。它的作用不是产生衰变，而是加强关联。区别于费米发现的核相互作用，汤川秀树发现的这种核相互作用被称为强相互作用力。

将核子（核粒子）聚集起来需要用一种强力把它们拉到一起。对于质子来说，它们有相同的电荷。如果只考虑它们的电荷，质子是不愿意呆在一起的。它们之间相互排斥的静电相互作用力会让它们彼此尽可能地远离对方。就如两个磁铁的北极会将对方推开一样，它们离得越近，它们就越想逃掉。那么它们是怎样做到在千万亿分之一英寸小的原子核中相安无事的呢？

基本粒子的类型

1907年，汤川秀树出生于东京，在他成长的那个年代日本物理学界是很闭塞的，只与欧洲的研究人员有少许联系。他的父亲是个地质学教授，他极力鼓励了儿子在科学方面发展。后来汤川秀树进入了东京大学，那是他父亲所在的学校。在遇到数学挑战时，他展现出了敏锐的创造力。这对于后来他成为日本理论物理学的一个先锋人物起到了促进作用。在27岁时，尽管还只是一个博士研究生，他已经发展出来一套精致的方法，来处理核相互作用，成为描述各种自然作用力的一个模型。

汤川秀树注意到电磁相互作用可以跨越很远的距离，但是核力则随距离衰减得很厉害。例如地球的铁核产生的磁效应可以让几千英里外的指南针排列起来，但核的黏性几乎不能在超过一只跳蚤的万亿分之一那么大的距离内起作用。他将这种尺度上的不同归因于传递相互作用的玻色子的不同（请记住玻色子就像宇宙的神经系统似的，传递各种相互作用）。光子是一种无质量的玻色子，用来联系相距遥远的电流。然而如果它有质量，这个距离将会缩短得非常厉害，这是因为麦克斯韦波方程所包含的相互作用强度随距离成平方反比缩减的反平方律将会被替换成指数衰减。这种情况有点像在草地上来回扔飞盘，然后把扔飞盘改成扔哑铃。质量越大，要保持这样的交换就得靠得越近。

把电荷换成原子核荷，光子换成叫做介子的有质量玻色子，汤川秀树发现这样就可以给出核子间相互作用那种敏感而距离极小的动力学。这说明了为什么这种相互作用足够强大，能把核子紧紧地聚集起来，而在大于原子核的尺度上无关紧要。所有这些需要一种迄今为止还没有看到过的粒子。如果狄拉克猜想的正电子能被找到，为什么找不到介子呢？

大自然有时会玩些邪恶的把戏。1936年，卡尔·安德森在宇宙射线流中观察到一种奇怪的新粒子。磁场使这种粒子偏转的程度比质子要小但比电子或正电子要大，由此他估计它的质量差不多会比电子质量大两百倍多一点。表面上看这似乎就是核物理学家所梦想的答案，因为它很好地符合了汤川秀树对于强相互作用力所预言的交换玻色子质量的预言。物理学家们急切地想知道这是不是真的。

很奇怪的是，这些来自宇宙的入侵者和汤川秀树所猜测的粒子之间的相似纯属巧合。更多的实验发现，这些新粒子与电子的性质，除了质量不同之外完全相同。实际上它被证明是一种轻子。轻子与强子不同，它是一种完全不参与强相互作用力的粒子。而强子这个词标志它们是强相互作用粒子。（轻子和强子这两个词来源于希腊语“薄”和“厚”，考虑它们的相对质量的话，这种叫法并不总是精确的，有些轻子比某些强子还重）安德森发现的粒子最后重新命名为μ介子，以区别于汤川秀树的交换粒子。物理学家伊西多·艾萨克·拉比指出，μ介子似乎是多余的，与那时的理论没有什么关系，并给出了一个著名的评论：“谁订购了那东西？”

真正的介子用了超过10年的时间仍然没有找到。因为在那个时代，并没有很多核物理学家关注纯科学，大量的精力都投入到了与世界大战有关的事情上。直到战争结束，他们才重新开始对粒子世界的探索。

1947年，在塞西尔·鲍威尔带领下，英格兰布里斯托尔大学的一组物理学家，第一次在一张宇宙射线事件的照片中发现了介子的痕迹。鲍威尔1903年生于英格兰肯特郡的汤布里奇。鲍威尔的早期家庭生活是不幸的。他的祖父是制造枪支的，有一次在外面射击时不小心打瞎了一个人的眼睛，因此被起诉并破了产。鲍威尔的父亲试图继续这一家庭产业，但是装配线生产的出现又让他破产了。

幸运的是，鲍威尔决定自己走一条不同的职业道路。1921年，他获得了剑桥大学的一项奖学金。他联系了卢瑟福，想成为卡文迪许实验室研究组的研究生。卢瑟福同意了，并安排查尔斯·威尔逊作鲍威尔的导师。不久鲍威尔就成为了建造云室并使用它们做探测的行家。

在20世纪30年代中期，在科克罗夫特和沃尔顿建造了他们的加速器之后，鲍威尔搭建了他自己的加速器，并积极地用它研究高能质子和中子之间的碰撞。那时候他已经到了布里斯托尔大学。刚开始时他用云室来记录那些产物的轨迹，后来他发现了某种感光乳剂（一种溴化银和碘化银的涂层）可以拍出高质量的照片。将经过化学处理的显像板放在粒子束经过的路径上，他可以观察到在透明的背景上碎片会呈现为黑色的“星星”，这给出了一次相互作用中产生的所有分支。此外显像板上粒子轨迹的长度给出了衰变产物能量的清晰图像。那些诸如中微子那样的，曾经偷偷溜掉的并且看不见的能量掠夺者也可以从上面看到。

1945年，意大利物理学家朱塞佩·奥基亚利尼加入了布里斯托尔研究团队。一年后，他最有潜力的学生塞萨尔·拉特斯也加入进来。与鲍威尔一起，他们开始着手一项有关宇宙射线轨迹的非凡研究。为了获得数据，他们把包裹着的显像板放到很高的地方，其中包括位于法国比利牛斯山上的一个天文台以及皇家空军的飞机上。这些显像板在稳定的天体粒子流下曝光，研究人员们被宇宙射线刻蚀出来的复杂网络图像震惊了。那些图像标志着产生出来的亚原子家谱，它们的生命旅程以及它们的死亡。鲍威尔回忆说：

当（那些底片）拿到布里斯托尔大学开封、显影之后，显而易见一个全新的世界被揭示了出来。慢质子的轨迹上塞满了成熟的谷粒，看上去好像是一根实心银棒。在显微镜下，感光剂的微粒上充满了由快速运动的宇宙射线粒子产生出来的裂纹，这些粒子有着比那时候人工制造的粒子大得多的能量。就好像我们突然闯进了一个被围起来的果园，里面那些被保护起来的果树郁郁葱葱，挂满了大量已经成熟的异果。

在他们看到的那些花纹之中有一个奇怪的事例。一个中等大小的粒子停了下来衰变成另一个，看上去似乎是有一个稍微大点的μ子产生了普通的μ子。然而之前大量的实验表明，如果μ子衰变了，它们总是产生电子而不是更多的μ子。相应地，研究人员们断定这个粒子一定是其他什么东西。他们称它为“π介子”，后来缩写为“pion”。不久就明确了，π介子和汤川秀树所预言的交换粒子是符合的。

差不多在同一时间，曼彻斯特大学的乔治·罗切斯特在云室图像中找到一种更重的介子，称为中性K介子。它沿着一个V型轨迹衰变成两个π介子，一个带正电，另一个带负电。研究人员们相继认识到π介子和K介子每一个都有带正电、带负电以及中性三个品种，同时中性K介子又有两个不同品种，其中一个比另一个寿命短些。

发现介子的重要性得到了广泛认可，鲍威尔光速般地获得了1950年的诺贝尔奖，这仅仅是在发现介子3年之后。奥基亚利尼和乔治·于伦贝克分享了1979年的另一项著名奖项：沃尔夫奖。

布里斯托尔小组的发现标志了实验粒子物理卡文迪许时代的顶峰。从20世纪50年代开始直到70年代，大量的重大新发现将会通过美国的加速器——特别是劳伦斯的回旋加速器的后继者——而发现。这个激动人心的实验年代将证明，鲍威尔的“粒子果园”里确实充满了奇怪的果实。

探索实验粒子物理的研究人员们，也就是后来称为高能物理学家的那些人找到了类型不断增加的亚原子事件。一些核物理学家联合天文学家，试图揭示自然元素是怎么形成的。物理学家汉斯·贝特在1939年发表了一篇颇有影响的论文《星体中的能量产生》，其中说明了核聚变的过程是怎么进行的。核聚变将小原子核结合起来形成大原子核，就是这一过程让星体发光的。普通氢聚合成氘，氘与氢聚合成氦3，最后氦3和自己聚合成氦4，外加两个额外的质子。在这个周期过程中，星体产生了巨量能量，并把它们辐射到太空中。贝特认为其他循环会涉及更大的元素，比如碳。

乔治·伽莫夫那时候在乔治华盛顿大学，1948年在与拉尔夫·阿尔法一起发表的一篇论文《化学元素的起源》中他幽默地借用了贝特的名字，这篇论文把他的想法用于早期宇宙。阿尔法和伽莫夫才是那篇论文的真正作者，他们把贝特的名字加了进去，这样就正好凑齐了前三个希腊字母。因此这篇论文有时候被称为“字母表论文”。阿尔法和伽莫夫关于元素产生的理论基于宇宙最初处于极其致密的、极其炽热的状态。弗雷德·霍伊尔将其命名为“大爆炸”（霍伊尔对这个理论持批评态度，他这样命名本来是想用之作为讽刺的，但这个名字就这么被固定下来了）。宇宙曾经极其小的想法最初是比利时数学家乔治·勒梅特牧师提出的，当美国天文学家埃德温·哈勃发现远处的星系在远离我们时，这个想法赢得了相当大的影响。哈勃的发现意味着空间在膨胀。阿尔法和伽莫夫假设，氦、锂和所有更大的元素都是在炽热的早期宇宙这一熔炉中锻造合成的。

非常奇怪的是，尽管他们对氦说对了，但对其他元素说错了。原始宇宙确实非常热，足够将氢聚合成氦。随着膨胀，它显著地冷却了下来，因而无法产生足够多的更大元素，这无法解释它们目前的数量。因此植物和动物体内的碳和氧不是在大爆炸时产生的。霍伊尔和他的三个同事证明了，比氦更大的原子是在不同类型的大锅——星核的火海——中合成的，然后在称为超新星的星体爆发中传播到太空中。

伽莫夫对可能有两种不同的元素产生机制感到沮丧。以经典的幽默方式，他模仿圣经写了一首名为“新创世记”的诗，以发泄他的受挫和不满。

“最初，”经文这样开始，“上帝创造了辐射和原初物质（早期的物质）。”这首诗接下去想象上帝仅仅用以它们质量数为顺序把它们念出来就制造出了一个元素又一个元素。上帝忘了质量数五，这几乎破坏了整个制作过程。但他并没有从头再来，而是精心编制了另外一个解决方案：“上帝说：‘要有霍伊尔’……告诉他用他自己喜欢的任何方式去制造更重的元素。”

尽管大爆炸理论在解释更大元素的合成时失败了，但它被证明极其成功地描述了宇宙的创世记。这一理论的决定性证明来自于阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。1965年，他们把一个喇叭天线指向太空，发现在各个方向上都存在着一个不变的无线电噪音，它对应于差不多比绝对零度（温度的低限）高3度的样子。当知道这些结果之后，普林斯顿的物理学家罗伯特·迪克证明，其分布和温度与早期的热宇宙随时间膨胀并冷却的预期结果是一致的。

在20世纪90年代和21世纪初，称为COBE（宇宙背景探索者）和WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）的特定卫星画出了宇宙背景辐射的精细结构，证明了在其温度图上尽管各处基本相同，但还是点缀着稍微热一点和冷一点的区域。这描绘了早期宇宙有着一些萌芽期的结构，它们后来成长为星体、星系以及其他天文结构。这一色彩丰富的图像被昵称为“宇宙的婴儿照片”。

婴儿照片给出了一个非常特殊时期的图像，那大约是在大爆炸之后的300年。那时电子和原子核组成了原子。在这个“重组年代”之前，电磁辐射主要是在带电粒子之间弹来弹去，就像弹桌球那样。然而，一旦带负电的电子和带正电的原子核在中性原子里安顿下来，就好像是关掉了游戏机，那些辐射可以自由地运动了。热辐射释放到空中，充满了宇宙，那些微弱的温度差反映出那些散开的原子团有些稍微疏松些，有些稍微致密些。当宇宙开始扩张，这些辐射冷了下来，密度大的区域聚焦了越来越多的物质。当这些区域里氢的数量达到临界值时，它们开始聚变，链式反应保证了这个过程的持续性。聚变的时候以光和热的形式放出能量，它们开始发光，星体便诞生了。

恒星、行星、星系等的产生是让天体物理学家和天文学家忙碌起来的由天体出演的戏剧。而粒子物理学家们主要对背后的故事感兴趣：重组前发生了什么。光子、电子、质子、中子以及其他组分在形成原子之前是怎么相互作用的，特别是在大爆炸后那一瞬间。这些细节反映了自然界中基本相互作用的性质，所以早期宇宙就像对撞机一样，可以作为一种粒子物理实验室，一种场合下的任何发现都可以与另一种场合的发现做对比。

在阿尔法和伽莫夫发表他们的字母表论文的同一年，另外三个物理学家，美国的朱利安·施温格、理查德·费曼以及日本的朝永振一郎，也独立完成了一系列出色工作，描述了电磁相互作用的量子理论。（朝永振一郎是在第二次世界大战期间发展出他的理论的，那时对他来说不大可能推销这些想法。）在普林斯顿大学的物理学家弗里曼·戴森的版本里，将它们合并成一个完整的理论，它被称为量子电动力学（QED），并成为了解释自然相互作用力如何运作的基本理论。

在发展量子电动力学的作者中，最吸引眼球的是费曼。他发明了一种极其巧妙的速记法来描述粒子之间是如何相互交流的。其中用射线（带箭头的线段）来表示电子和其他带电粒子，波浪线表示光子。例如，两个电子交换一个光子，就可以画成两条射线随时间流逝靠近，然后由一条波浪线连接起来，之后又分开。每一种能画出来的图都分配了某个值，然后以某种方式把它们加起来。这样费曼就给出了各种电磁相互作用的可能性是如何被定下来的，这种被广泛使用的记号后来称为费曼图。

量子电动力学减少了描述电子和其他带电粒子的量子理论中存在的某种数学弊病。当尝试将早期的量子场论用于电子时，理论家们在进行某些计算时得到了无意义的答案：“无穷大”。通过一种称为重整化的过程，费曼证明了那些特殊图的值可以很好地相互抵消，最后得到有限大的结果。

被量子电动力学的强大所激励，在20世纪50年代，很多理论家尝试将类似的技术用于弱相互作用、强相互作用和万有引力。在这项理论三项全能运动比赛中每一个结果都来之不易，在比赛中每个项目都遭遇了各自的挑战。

那时候，费米的β衰变理论扩展到了μ子，这被称为普适费米相互作用。这一理论的主要预言的证实来自20世纪50年代中期，在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的物理学家弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科安把一罐液体放在核反应堆边上，他们观察到了中微子的第一个直接证据。这项实验的目的是寻找一些罕见事例。反应堆里出来的中微子会和液体中的质子相互作用，在一个被称为反β衰变的过程中质子将转变成中子和正电子（电子的反物质）。当粒子遇到了它们的反物质同伴时，它们会相互湮灭，放出能量并产生光子。当中子被液体吸收之后，也会产生光子。因此莱因斯和科安认识到，由这两个质子流激发出的同时产生的两次闪光（在另一种光敏液体中）将标志着中微子的存在。他们吃惊地发现了这样一个罕见信号。他们和其他人在更大罐液体中做的后续实验确认了他们所得到的突破性成果。

确认了费米的理论——弱相互作用的雏形——中的终极组分之后，物理学家开始认识到它的重大缺陷。他们用与量子电动力学的成功相对比的方式来证明自己。量子电动力学是一个充满了许多自然对称性的理论。看看表现其过程的费曼图，很多这样的对称性是显而易见的，例如改变时间轴，将时间的方向反转，你说不出结果会与最初的有什么不同。因而过程是沿时间向前还是向后是一样的，这种对称性被称为时间反转不变性。

被称为宇称的另一种对称性，与在镜子中看一个过程有关。如果镜像是相同的，像量子电动力学那样，那么就称为宇称守恒。例如字母“O”在镜子中看是一样的，它属于宇称守恒。而字母“Q”显然不同，因为它有个尾巴。

在量子电动力学中，质量也是完全守恒的，这表现了另一种对称性。电子（或其他带电粒子）向前或向后发射光子，光子完全没有质量，电子在电磁过程中保持性质从来不会改变。而在β衰变中，电子牺牲了电荷和质量而变成了中微子，差异在这里就看得很清楚了。

1956年，华裔美国物理学家李政道和杨振宁为与介子衰变有关的一个谜团给出了非凡的解决方案，这使得弱相互作用中的对称性成为前沿问题。奇怪的是，带正电的K介子有着两种不同的衰变模式：要么衰变成两个π介子，要么衰变成三个π介子。因为这两个终态有着不同的宇称，物理学家觉得最开始的初态粒子也有着两种不同的类型。李政道和杨振宁证明了如果弱相互作用破坏宇称性，那么只需一种粒子就可以造成这两种不同的过程。在一些情况下，某种弱衰变的“镜像”可以是不同的东西。宇称性破坏似乎是不符合常识的，但这将成为理解弱相互作用中细微差别所必须的东西。

与弱相互作用不同，强作用力并不会破坏宇称性。由于汤川秀树的贡献，20世纪50年代的研究人员们开始发展关于这种作用强的短程力的量子理论。然而，由于那时实验家们还没有探测出核子结构，因此汤川秀树的理论并不完整。

在完成一个统一的相互作用模型中，最后的一个成分应该是万有引力的量子理论。在量子电动力学发展出来之后，物理学家开始尝试为万有引力发展出一个类似的理论，但不断地遇到一个又一个难以逾越的阻碍。量子电动力学描述随时间发生的粒子偶遇事件，比如一个电子通过光子交换被另一个电子散射。而根据广义相对论，万有引力是来自无时间的四维几何的弯曲效应。这是最大的两难问题，换句话说它是让雕塑要具有灵活性。实际上要开始考虑量子引力的话，就得玩一个魔术，将一个与时间无关的理论转换成一个演化理论。一个重要的突破发生在1957年，那时理查德·阿诺维特、斯坦利·狄撒、查尔斯·米斯纳发展出来一种方法把时空面包切成随时间变化的三维面包片。他们的方法被称为ADM形式，这使得研究人员们导出了用来量子化的万有引力的动力学理论。

万有引力和其他作用力之间的另一个重要问题在于它们强度上的巨大差异。这一困难后来被称为等级问题。在亚原子层次，万有引力比电磁相互作用小10的40次方倍（1后面跟着40个零），而电磁相互作用又比强相互作用力小非常多。将所有这些作用力放进同一个理论中是一个严重的困境，这到现在也没有被圆满地解决。

最后，在仿照量子电动力学那样重整化万有引力时出现了问题。让理论学家苦恼的是，施温格、费曼和朝永振一郎所用的方法，对于移除量子化万有引力时出现的那些无穷大项并不起作用。万有引力就是一头倔强的牛。

统一是人类的最终目标之一。尽管每一种普遍性的发现都会伴随着新的多样性的出现，但是我们还是喜欢完美。麦克斯韦把电和磁完美地融合到一起，但统一其他的每一种力都有着巨大的困难。元素周期表在解释元素的时候似乎还不错，但当遇到了同位素就出现了问题。卢瑟福、玻尔、海森堡和他们的同事们将原子世界完美地打包起来，但当中微子、反物质、μ子和介子出现的时候又产生了问题。

从20世纪50年代中期到90年代中期，强大的新加速器揭示出了一个比任何人能够想象到的还要更加复杂的粒子王国。忽然之间，普通的质子、中子和电子遇到了大量的有着奇异性质、生命周期长短不一的粒子。这些基本粒子中只有一部分可以在原子中找到，而大部分基本粒子与原子之间的基本相互作用力无关。这就像是走进一个畜舍，发现奶牛和绵羊在平静地听着野犀牛、土狼、鸭嘴兽、长毛象以及一群不知名的外星生物们唱小夜曲。要在大自然所显露出的这个荒谬的、品类众多的动物园之中找到任何一致之处，都将需要出色的模式识别技巧、敏锐的想象力和丰富的幽默感。