內容簡介：愛因斯坦逝世后，物理學家在這條統一道路上又走過了六十年。六十年里理論物理學家們都做了些什么？現在統一之路又在何方？未來又將如何？本書作者從牛頓力學、量子力學的簡介開始，接著介紹數學中的群論、對稱性守恒定律，進而介紹標準模型、規范場論、量子場論、費曼路徑積分、費曼圖等，讓讀者對理論物理學中的“統一”框架，尤其是主流物理學界公認的“標準模型”有一個基本的了解。 最后還討論了統一理論與大爆炸宇宙學、暗物質、暗能量的關系，以及標準模型的困難與局限性，并簡單介紹了包括弦理論、M理論、弦網等概念，讓讀者既能領略理論之美和科學家的追求，又能體會到科研的艱辛，激發年輕人探索自然規律、踏入科學大門的渴望和好奇心。
推薦理由：愛因斯坦晚年三十年為何看似一事無成？他晚年追求的“統一理論”究竟是什么？科學專家們在物理學統一大業中做出了哪些努力？未來人類是否會創造出通用的“萬物理論”？
20世紀初的兩次物理學革命，為我們帶來了相對論和量子論。今天，物理學需要新一輪的革命，將兩者結合起來。這種微觀與宇宙的統一，能否為物理學與其他科學的統一開辟一條新路？相信科學家們會繼續努力，讓我們期待在更高的層次上欣賞大自然的“樸素之美”！
引言：物理理論的簡潔之美
統一，就是把事情簡單化，從多到少，從少到一，這就叫統一。
在解釋光電效應、提出兩大相對論之后，愛因斯坦開始研究統一場論，他就像“躲在小樓里，渾然一體，不問冬夏春秋”，這個“統一”持續了三十多年，直到他去世。愛因斯坦將自己的余生都奉獻給了這個物理學的“統一夢”，但他為此孤軍奮戰了三十多年，卻沒有取得任何成果。
“統一場論”一詞雖然源于愛因斯坦，但其思想卻源于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。其實，如果我們省略“場論”一詞，只談理論的統一，應該追溯到牛頓時代。
愛因斯坦逝世后，物理學家在這條統一之路上又走過了六十年。六十年跌宕起伏，理論物理學家們都做了些什么？現在統一之路又在何方？未來又在何方？本書作者從牛頓力學、量子力學的簡介開始，接著介紹數學中的群論、對稱性守恒定律，進而介紹標準模型、規范場論、量子場論、費曼路徑積分、費曼圖等，讓讀者對理論物理學中的“統一”框架，尤其是主流物理學界公認的“標準模型”有一個基本的了解。 最后還討論了統一理論與大爆炸宇宙學、暗物質、暗能量的關系以及標準模型的困難與局限性，并簡單介紹了弦理論、M理論、弦網等概念，讓讀者既能領略理論之美和科學家的追求，又能體會科研的艱辛，激勵年輕人保持探索自然規律、跨入科學大門的渴望與好奇心。
物理學走向統一的道路，其實就是追求一種樸素的美。
把復雜的事情簡單化，是一種技巧，一種智慧。簡單不簡單，大智似愚，簡單之道，在于用簡單去繁，以少勝多。清代有一位書法家、畫家叫鄭板橋，被稱為“揚州八怪”之一。他在書房里掛著一副自己寫的對聯：“簡化秋樹，二月花別具一格”，彰顯了他的書法和文學理念，主張用最簡練、最清晰的筆法和不凡的構思來表達最豐富的內容。
物理學家的“統一”可以概括為三個方面：第一，物理定律的統一；第二，物質本源的統一；第三，相互作用的統一。
因此，物理學家所追求的簡單統一，和鄭板橋在書畫墨跡上所追求的“簡單”，聽起來如出一轍，本質上都只是所謂“奧卡姆剃刀”原理的變通，都屬于“簡單之美”。
奧卡姆不是一個人的名字，而是英國的一個村莊。14世紀，那里有一位名叫“威廉”的邏輯學家。這個人留下的東西不多，但有一句話卻很流行：not be。中文可以翻譯成八字箴言：若無必要，就不要加實體（奧卡姆剃刀原則）。意思是把不必要的、多余的“實體”全部刪去，留下最精煉的部分。
對于理論物理學來說，這個原則最好的表達方式就是：當你面對兩個得出相同結論的理論時，選擇最簡單的、實體最少的那個！統一物理學理論中的實體可以理解為基本定律、粒子和力。換言之，統一意味著用最少的物理定律來描述自然現象；用最少的“不可分割的基本粒子”來構成所有物質；用最少的“力”來描述物質之間的相互作用。這符合奧卡姆剃刀原理和簡單之美！
牛頓曾感嘆：“我可以計算天體的軌道，但我無法計算人類的瘋狂。”
奧卡姆剃刀或許難以描述瞬息萬變的社會現象和復雜的人性，但它在科學上的優越性卻是毋庸置疑的。數百年來，這一原理在科學中被廣泛應用，從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論，再到今天的標準模型。在漫長的統一道路上，奧卡姆剃刀已成為重要的科學思維概念。
然而，物理學中的統一理論，即描述物質世界的“最小數”的標準，是隨著時間而變化的。隨著科技的不斷進步，實驗方法的不斷完善和發展，各種理論相繼建立和完善，我們對自然的理性認識也不斷深化到不同的層次。這一切，導致在科學發展的不同歷史時期，出現了意義不同的“統一理論”。它們就像一條蜿蜒的河流，在某個位置出現了平靜的港灣。河流總是從這些港灣和支流中汲取精華，剔除糟粕，源源不斷地流向大海。
牛頓的力學定律加上萬有引力，無疑是物理學中第一個“統一理論”。在牛頓之前，已經存在著許多相互獨立、看似毫無關聯的物理定律：伽利略發現了慣性原理，并通過著名的比薩斜塔實驗證實了自由落體運動所遵循的規律；開普勒根據第谷留下的大量實驗和觀測數據提出了行星運動三大定律；惠更斯和胡克當時也在力學、光學等多個領域取得了成就。但最先認識到這些分散、孤立的定律之間存在深刻的內在聯系的，還是牛頓。他把這些分散的“支流”匯集在一起??，完成了物理學中第一次理論統一。
與那些“孤立”的定律不同，牛頓三大定律描述的是“一切”物體在力的作用下的運動規律。這里的物體可以是地面上的沙土，也可以是宇宙中的天體。牛頓用一把鋒利的“奧卡姆剃刀”，把物體的大小、形狀、質地、軟硬等一切不重要的具體屬性都割掉，只留下質量m。于是，一切物體都變成了質點，在力的作用下，都遵循著相同的運動規律。
場論的思想始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。法拉第根據大量電磁實驗結果提出了“場”的概念。精通數學的麥克斯韋希望用微分方程來描述和總結這些實驗規律。最初麥克斯韋面對的是20多個方程，包括庫侖、高斯、法拉第、安培等人研究和總結的各種實驗現象，以及電介質的性質、各種電磁現象的規律等。麥克斯韋大舉揮舞“奧卡姆剃刀”，削去多余重復的部分，加入必要的新概念，最終將它們細化簡化為4個對稱優美的矢量方程，將電、磁、光“統一”為一個經典場。
后來，愛因斯坦的狹義相對論將時間和空間的概念統一在四維時空框架中。此時，時間和空間不再是絕對獨立的存在，而是一個通過洛倫茲變換相互聯系的整體。從狹義相對論的時空概念，我們可以得到尺子縮小、鐘表變慢的結論，這與洛倫茲理論在以太中的結論是一致的。那么，以太這個“實體”在這里就是多余的，于是就被愛因斯坦用“奧卡姆剃刀”無情地剃掉了。愛因斯坦留下了兩個他認為必要的實體：相對性原理和光速不變，并創立了狹義相對論。 后來，他擴展了相對論原理，利用等效原理使引力質量與慣性質量相等，把引力效應與時空幾何統一起來，建立了廣義相對論。
原來物理學的每一次進步都與一次次的“統一”有關，難怪愛因斯坦最后把自己的半生奉獻給了統一大業。
愛因斯坦最初創立廣義相對論時，弱相互作用和強相互作用尚未出現。愛因斯坦當時對前景的估計應該是相當樂觀的。他可能認為電磁力和引力如此相似：它們也是超距作用的（在20世紀）。
從上世紀三十年代開始，就有了符合距離平方反比的短程相互作用的描述，現在叫“弱相互作用”，只要能把電磁力納入廣義相對論的引力框架，那不就是徹底的統一了嗎？
遺憾的是，愛因斯坦數十年為實現大統一夢想所做的努力最終以失敗告終。從作者的后見之明來看，愛因斯坦至少犯了兩個錯誤：第一，他低估了引力“難以駕馭”的本質；第二，他選擇了錯誤的道路，想用經典場論而不是量子場論來建立統一理論。換言之，愛因斯坦忽視了對他協助創建的量子理論的更深入研究，也忽視了此后幾十年量子理論的發展。
當然，人們可能會說，從量子場論出發的統一之路依然困難重重，尚未打通？事實也確實如此，但大多數物理學家認為，這是正確的道路，也是必然的道路。試想一下，物理學的大統一理論，能不包括已經發展和驗證了百余年的量子理論嗎？即便我們不知道這條路的盡頭在哪里，堅持走下去，一定會在歷史上留下痕跡，也許是曲折的痕跡，但未來還是會有“可尋的痕跡”。
那時，量子力學有薛定諤方程和海森堡矩陣力學，萬有引力有愛因斯坦場方程，電磁作用有經典麥克斯韋方程。這三輛馬車在各自的道路上各司其職，它們確實應該統一在一個數學框架下，這是理論物理學家喜歡玩的游戲。量子力學的誕生和引力的幾何化，是當時物理學界兩場令人震驚的革命；而經典電磁學在麥克斯韋理論成功建立的基礎上，正忙著走向應用。它帶來了無數的專利和許多優秀的工程師，在電氣工程領域翻開了輝煌的一頁。對于20世紀初的物理學界來說，大多數理論都在朝著完善和推廣量子力學的方向發展。動蕩的時代造就了一個又一個的量子英雄，忙著把諾貝爾獎頒給這些為這些從未聽說過的奇怪理論做出貢獻的科學家。 相比于電磁場、量子領域非凡熱鬧的氛圍，廣義相對論顯得孤獨得多，它正在靜靜地等待天文學領域更為精準的實驗驗證數據。
這三組理論并非完全沒有關聯，在解決具體的物理問題時留學之路，有時三者都需要考慮。但它們畢竟各有各的用處：量子理論適用于探索微觀世界；廣義相對論在宇宙學中大有用處；電磁理論則成功地服務于人類的衣食住行。還有一件大事也不容人們忘記，它與物理學的兩次重大革命息息相關。那就是1945年8月6日在日本廣島爆炸的原子彈。這次爆炸奪去了十多萬無辜的生命，造成了無數的后患，也讓愛因斯坦后悔寫信給羅斯福，促使他生產原子彈。盡管如此，原子彈的技術當時還是被盟軍掌握，它的爆炸加速了日本的投降和二戰的結束。否則愛因斯坦簡介，世界歷史和中國歷史也許會被改寫。
從物理學史的角度回顧本世紀初物理學界的兩大革命性理論，量子力學象征著現代物理學的開始愛因斯坦簡介，而相對論則代表著經典理論的終結。愛因斯坦統一夢想失敗的原因之一，很可能就是因為他抓得太緊了經典物理學的尾巴，從而遮擋了一部分觀察現代物理學頭部的視野。愛因斯坦始終無法接受不確定性原理等不同于經典現象的量子定律，雖然他扮演的老頑固角色也對量子力學的發展起到了積極的推動作用。但參與逆向推導和參與正向推導總是有區別的，記得著名物理學家、諾貝爾獎獲得者斯蒂芬·溫伯格曾經對愛因斯坦有過非常精辟的評價。 大致思路是，愛因斯坦犯下的最大錯誤，并非如他所想的那樣“把宇宙常數引入場方程”，而是他成為了自己所建構理論成果的“囚徒”。他沉迷于自己提出的廣義相對論的物理美和數學美，想用這個經典理論來統一世界，包括統一他所不接受的量子理論。但這其實是不可能的。其實，量子理論的出現是比廣義相對論更深刻的革命，因為它沖出了經典思維的牢籠，走出了一條不確定性與確定性相結合的現代物理學之路。
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