莱斯利·罗森伯格试图理解宇宙的尝试，就像一个临时的家用热水器罐，盖上一些电线，塞进一个大型地下冰箱里。这个实验装置位于华盛顿大学他办公室隔壁的实验室里，是一个超冷的磁化真空室，配备了一个灵敏的探测器，用来监听被称为轴子的粒子的微波“砰”声。这些粒子是看不见的，而且到目前为止，完全是假设性的。
自从1990年代初他在芝加哥大学做博士后研究员以来，罗森伯格就一直在追踪这种粒子。在那段时间里，他进行了一次又一次的实验，获得了越来越高的精度，但结果仍然是一样的空洞，希望能有积极的探测结果，从而拯救阿尔伯特·爱因斯坦最伟大——也是最命运多舛——的想法。
物理学家称之为统一场论，但它更广为人知，也更形象地被称为万物理论。这个想法是设计一个单一的公式，概括所有已知物理力的行为。爱因斯坦在九十年前开始了这项探索。这位伟大的理论家感到困扰的是，指导宇宙行为的两种基本力——引力和电磁力——似乎遵循不同的规则。他想证明所有类型的物质和能量都受相同的逻辑支配。
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将宇宙卷入一个单一的公式，即使对于爱因斯坦来说，也是一个令人生畏的雄心壮志。“我想知道上帝是如何创造这个世界的，”他在1920年写给一位德国物理学生的信中经常被引用。“我对这个或那个现象，对这个或那个元素的 spectrum 不感兴趣。我想知道他的想法。其余的都是细节。”
但正如意第绪语谚语所说，“人算不如天算。” 爱因斯坦为了上帝的想法努力了三十年，但都徒劳无功，一条死胡同接一条死胡同地走下去。1955年他去世时，留下了一套潦草地写在他黑板上的未解的统一场方程。
统一的任务落到了后来的几代物理学家身上，他们将问题分解成无数部分。最初作为一个杰出天才的宏伟愿景，已经演变成由不同的物理学家团队进行的缓慢而艰苦的劳动，每个人都试图解决一个巨大的宇宙难题的一小部分。例如，罗森伯格并没有痴迷于包罗万象的万物理论。他专注于他那一个棘手而具体的问题：轴子。它具有理论特性，可以消除修改爱因斯坦引力方程的必要性。“我们将看看数据说什么，”罗森伯格指出。“我不想窥探上帝的想法。”
尽管他们的关注点很窄，但罗森伯格和他的同胞们并没有将目光从目标上移开。他们正在进行更广泛的努力，以消除爱因斯坦创建的理论大厦中的缺陷，并从头开始，而不是从上到下，构建一个更完整的粒子物理模型。他们试图通过找出自然界的真实行为方式，而不是科学家认为它应该如何行为来推动科学向前发展（罗森伯格将这种方法斥为“闭门造车”）。其他研究人员正在设计实验，以揭示物理学中一个被称为暗能量的隐藏方面，或探测可能是我们表面上的三维存在构建块的二维量子单元。他们的硬数据可能正是当今物理学家在爱因斯坦失败的地方取得成功所需要的。
芝加哥大学的物理学家约书亚·弗里曼说：“我们实际上可以测试一些关于宇宙演化的疯狂想法。” 他几乎确信，物理学家没有它们就无法得到万物理论。
宇宙的黑暗面
看看罗森伯格的轴子暗物质实验（ADMX），就会发现小而美方法的威力。ADMX 表面上只是在寻找一种粒子和一套新的物理规则，但它也可能驳斥对广义相对论的担忧，并解决一个主要的宇宙学难题。
这个难题可以追溯到 1930 年代，当时天文学家开始意识到宇宙似乎充满了某种看不见的成分，这种成分的存在仅仅通过其对可见恒星的引力来为人所知。1980 年代，当新的大爆炸模型表明，看不见的（或“暗”）物质——无论它是什么——不可能由普通原子组成时，这一发现变得更加奇怪。这就留下了两种令人不安的可能性。也许引力在大尺度上并不像爱因斯坦认为的那样起作用，或者宇宙包含一类未知的粒子，这些粒子对我们所有的望远镜都是不可见的。
可能性一被绝大多数物理学家所回避，因为它 ad hoc，而且也很难与星系运动的测量结果相协调。因此，科学主流已经站在可能性二的背后，煽动了数十项巧妙的努力来揭开看不见的暗粒子的面纱。这就是 ADMX 的用武之地。
轴子与推断的暗物质特性非常吻合，因此如果罗森伯格和他的 ADMX 团队探测到它们，它们将提供一个更完整的星系形成和演化图景。它们还将消除对爱因斯坦的一些引力方程进行丑陋修改的必要性。最重要的是，轴子将迫使修改粒子物理学的标准模型。该模型是一个全面的，但显然不完整的，基本粒子和场论。找到轴子将验证对标准模型的一个备受争议的详细阐述，使物理学家离真正的万物理论更近一步。
直到最近，轴子在寻找暗物质方面还被认为是希望渺茫。罗森伯格的大多数同事都将注意力集中在另一类被称为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的粒子上，这些粒子被认为在理论上更具吸引力。“我一直有点格格不入，”罗森伯格兴高采烈地承认。然后，各种 WIMP 探测器不断变得越来越好，但仍然一无所获。分水岭时刻出现在去年，当时一个超灵敏的 WIMP 探测器，名为大型地下氙气（LUX），在南达科他州的山丘下启动。到目前为止，它也一无所获。
现在是罗森伯格证明轴子是答案，并在过程中支持广义相对论——爱因斯坦关于引力来自时空弯曲的想法——的关键时刻。ADMX 背后的概念非常简单明了。如果暗物质真的由粒子组成，那么一定会有持续不断的粒子风吹过地球和地球上的所有东西（包括你），无时无刻不在。如果这些粒子是轴子，那么理论上它们会非常偶尔地衰变。粒子本身是看不见的，但在罕见的衰变过程中，它们应该会变成微波，从而产生微弱但可检测到的信号。简单明了，是的，但在实践中难以执行。
罗森伯格说：“我们有一个油桶大小的腔体，它被冷却到 100 毫开尔文，”即绝对零度以上 0.1 度。极低的温度确保探测器本身几乎不产生微波噪声。接下来，腔体被磁化以刺激轴子的衰变。然后，一个小的、铅笔状的探头监听一些不应该存在的微波。更具挑战性的是，没有人确切知道要监听哪种微波；信号的频率取决于轴子的质量，而轴子的质量当然是未知的。
解决这个问题的唯一方法是在微波频带中逐个频率跳跃；整个 ADMX 工作本质上是一个在 CB 无线电上翻转频道的过程。当我提出这个类比时，罗森伯格兴奋起来：“我一直对无线电电子学很感兴趣。我小时候玩过无线电，将信号反射到月球上。现在我们正在使用如此灵敏的接收器来查看信号，它们可以在火星上获得四个格的手机信号！” 他还自豪的是，与爱因斯坦对统一场论的无休止探索不同，ADMX 保证会产生一个具体的答案。
罗森伯格说：“到 2018 年，我们将完全覆盖轴子的最终搜索区域。” “到那时，它要么在那里，要么不在那里。” 换句话说，我们将要么获得关于如何构建万物理论的一个重要新线索，要么又有一个想法可以从列表中划掉。
空的空间能量
当罗森伯格逐渐解决暗物质问题时，其他研究人员正在通过追寻宇宙的另一个主要看不见的方面：暗能量，来努力实现物理学的完整图景。它在效果上与暗物质相反，产生排斥力而不是引力。由于暗能量抵消了引力的作用，因此它直接影响了如何解释广义相对论方程。更深刻的是，暗能量无法在当前的粒子物理模型中得到解释。因此，它为任何潜在的万物理论提供了关键的检验。
芝加哥的弗里曼正在运行这样一项测试。它使用一个定制的相机，绑在位于智利托洛洛山顶的布兰科四米望远镜上，托洛洛山是一座高耸的山峰，海拔超过海平面两公里。这个想法是收集大量遥远星系的照片。相机拍摄的每张图像包含 5.7 亿像素，数据量巨大，并且每年 105 个晚上，每晚将收集约 400 张图像，总共五年。该项目被称为——毫不奇怪——暗能量巡天，当它在 2018 年 2 月完成时，该巡天将检查 3 亿个星系和约 4,000 次超新星爆炸。（相比之下，1998 年至 2000 年在加州大学伯克利分校进行的最先进的自动化超新星搜索总共发现了 96 个。）
像罗森伯格一样，弗里曼过去也曾是一名理论家，但由于设计实际测试的想法而被拉到观测方面。现在他必须面对任务的现实。“获取数据很困难，”他说。“处理数据也很困难。”
弗里曼和他的团队以四种不同的方式分解巡天观测结果，每种方式都旨在捕捉暗能量行为的特定方面。一项分析专注于一类称为 Ia 型超新星的爆炸恒星，它们充当太空中的里程碑。它们的亮度表明它们的距离，它们的颜色表明它们远离我们的速度。将一堆这样的里程碑放在一起，您就可以了解宇宙的膨胀是如何随时间变化的。其他三种分析探索星系团簇的各种模式。引力倾向于将所有东西拉到一起，而暗能量倾向于将所有东西推开。因此，绘制星系团簇随宇宙时间变化的图谱揭示了暗能量效应的强度。
在最简单的暗能量模型中，它是空的空间中一种不变且普遍存在的特征。事实证明，粒子物理学的标准理论可以解释这种能量的存在；它们只是预测的值大了 10120 倍。（有时它被称为物理学中最糟糕的预测。）解释暗能量的真实、大幅度较小的值是未来万物理论最重要的检验之一。天文学家也不知道暗能量是否真的是恒定的。如果弗里曼发现它随时间变化，那是万物理论必须解释的另一件事。
不过，在我们达到那个地步之前，还有一个更基本的问题需要解决。“我们的假设是暗能量正在驱动加速膨胀，但我们不确定。有可能在最大的尺度上，广义相对论根本不是正确的理论，”弗里曼说。相对论的修改版本可能会模仿暗能量效应，他将对此进行密切调查。无论如何，都必须有一个超越爱因斯坦的理论，而暗能量巡天将有助于找到它。
生命是全息图吗？
尽管暗物质和暗能量很奇怪，但仍然可以被认为是已知宇宙的装饰品：在爱因斯坦很容易识别的现实之上，额外粒子或场的糖霜。但是，如果现实需要调整才能在更全面的理论方面取得进展，那又会怎样呢？如果时空本身具有广义相对论未描述的新的、未被探测到的属性，那又会怎样呢？
费米国家加速器实验室粒子天体物理中心主任克雷格·霍根正在用他称之为全息仪的实验来探索这个令人挠头的问题。他的目标是找出空间和时间是否由基本单元构成：一个本质上围绕时间刻度和标尺标记构建的宇宙。在这种另类观点中，我们生活在三维宇宙中的感觉是一种错觉。如果您可以将空间放大到足够大的程度——缩小到原子大小的 10 万亿万亿分之一——您会看到二维像素，这些像素只有从大尺度角度观看时才看起来是三维的，就像电视屏幕上的点一样。
这些单元中的每一个都将遵循量子规则，例如对其位置具有一定量的内置不确定性。在大尺度上，空间看起来是连续的，正如爱因斯坦所认为的那样，但它将具有潜在的量子结构。通过这种方式，像素化宇宙将迫使量子力学进入相对论，消除创建物理统一理论的关键障碍。
表面上的 3D 宇宙从 2D 现实中出现的想法被称为全息原理，因此得名霍根的实验。“全息仪”也是一个双关语，模仿了 16 世纪精密测量设备的名称。霍根的仪器目前正在费米实验室收集数据，其设计目的也是以前所未有的精度测量地貌。它由一束激光束组成，该激光束被分成两束，沿着不同的隧道发送，从镜子上反射，然后重新组合。如果空间具有量子结构，则与每个像素相关的位置不确定性应在设备内产生抖动；该抖动会移动光束的两半，并使它们失去同步。原则上，全息仪可以测量阿托米尺度（10–18 米！）的运动。
然而，这可能还不够小。空间的任何潜在量子结构都可能更加微小，以至于实验上无法检测到，霍根的一些同事警告他。他将他们的怀疑主义视为挑战。当我们交谈时，他似乎特别高兴他的实验如何敏锐地激怒了斯坦福大学的伦纳德·萨斯金德，全息宇宙概念的主要开发者之一。“伦尼对全息原理如何运作有一个想法，但这并不是那个想法。他非常确定我们不会看到任何东西。我们去年参加了一次会议，他说如果我们看到这种效应，他会割喉，”霍根回忆道。
他们的争议应该很快得到解决。在收集了一个小时的数据后，全息仪正在接近普朗克灵敏度，霍根认为在这个尺度上，空间的颗粒感可能会显现出来。他预测，完整的答案可能会在一年内出现，然后会发生一些事情——他只是不确定是什么：“如果我们没有看到任何东西，或者我们确实看到了某些东西，无论哪种方式，它都会限制人们的想法。没有人知道到底会发生什么。”
爱因斯坦的梦想，仍在继续
在霍根发表评论后，我很渴望与萨斯金德交谈，听取他的看法。与人们对沉思、痴迷于数学的理论家的刻板印象相反，萨斯金德很快就开始讨论可测试的概念。“人们抱怨理论物理学家对他们的想法轻率，因为他们不面对可证伪性的问题。那是胡说八道。我们都非常关心可证伪性，”他说。但如果有一个实验室测试，他认为，全息仪不是这样做的方法。
萨斯金德说，更好的选择是观察可观测宇宙的边缘，寻找支持弦理论的行为。在这个理论中，所有粒子和力都是能量摆动弦的不同振动模式，这使其成为对所有粒子和力的统一解释。（这些弦与宇宙弦不同，宇宙弦可能是时空中的缺陷。）它还对大爆炸时的物理条件做出了预测。更值得注意的是，一些版本——萨斯金德研究的版本——对甚至更早阶段的条件做出了预测，在我们宇宙诞生之前。萨斯金德认为，天文学家或许能够从来自我们宇宙遥远区域的辐射中识别出先前存在的证据。
不过，他更认为，物理学统一的下一步进展将不是来自实验或观测，而是来自对黑洞以及空间和时间的深入数学探索。“未来 5 到 10 年内，将会发生重要的事情，”萨斯金德预测。“我不是说我们将拥有完整的万物理论；我们甚至还差得很远。但将会对引力和量子力学之间的联系有重大见解。”
当这种联系被揭示时，萨斯金德——像当今大多数理论家一样——预计量子力学将占据上风，引力和广义相对论将被迫在其框架内生存。但由于爱因斯坦是带领我们走上这条道路的人，因此将最后的话语权交给当今领先的爱因斯坦学者之一，安大略省 Perimeter 理论物理研究所的物理学家李·斯莫林，似乎是公平的。
斯莫林确信，他的许多痴迷于量子的同事在追求终极理论时，从字面上看是想得太小了。“量子力学只是一种合理的子系统理论，”他说，“但广义相对论不是对子系统的描述。它是对宇宙作为一个封闭系统的描述。” 如果你想将宇宙作为一个整体来理解，那么你必须像爱因斯坦那样，用相对论的术语来思考它。
这种方法使斯莫林得出了一个惊人的假设，即物理定律可能会随着时间而演变，并且宇宙具有自身历史的记忆——他称之为先例原则。通过这种方式，他设想超越量子力学的具体、无法解释的细节（这个特定场的强度或那个特定粒子的质量），并将它们都视为单一、封闭系统宇宙的发展方面。他甚至有一个关于如何检验他的想法的概念。
斯莫林说：“如果我们能够进化出一个庞大而复杂的系统，但仍然由纯量子态描述，我们将迫使自然界发明一些新颖的系统性。我们可以想象用量子设备来做到这一点。” 在实验室中一遍又一遍地创建相同的系统后，自然界可能会开始偏爱某种量子态。“这将很难与实验实践的噪声区分开来。但并非不可能。”
斯莫林无意听起来神秘，但在某种程度上，他似乎不是在谈论物理宇宙，而是在谈论爱因斯坦的精神。一个世纪前，一个人揭示了一种思考宇宙的新颖方式。六十年前，那个生命被夺走了，就像所有人的生命迟早都会被夺走一样。但爱因斯坦的思想仍然在今天的研究人员身上留下了鲜明的印记。他们为了一个古老的理想而进行新的实验。这种冲动似乎势不可挡，因为他们不断地重复他对更深层次真理、更高层次启蒙的追求。