在未来的某一天，现代物理学的两大支柱一定会交融到一起。目前，广义相对论和量子力学都分别取得了伟大的成就，但是它们看起来却不可调和。在量子框架下，粒子物理学的标准模型描述了自然界中的大多数基本作用力，可以揭示那些轻快跳跃的粒子的本质，而广义相对论则用一种完全不同的方式——利用弯曲的时空——来描述引力。
这两大支柱在其他方面起了冲突：不管哪种情况，只要两个理论同时都会起到重要作用——如黑洞视界附近（详见第3章）——它们就无法正常运作。要想分析大爆炸最初的时刻，并深入地理解时间和空间的本质，似乎必须要用到量子化的引力理论。但是量子引力把所有人都难倒了。爱因斯坦自己在他的学术生涯晚期追求这种万物理论，结果他的科学产出几乎为零。
要想弄明白这个问题，我们必须先从量子物理学的一个基本信条说起。海森堡不确定性原理体现了量子世界的模糊性。它允许粒子从虚空中截取一些能量，从而幻化出某种短命的虚粒子来。当然，它们一定会有借有还——通过湮灭将能量还给真空——它们借得越多，湮灭发生得就越快。
你可以想象一下，一个电子、一个光子和另外一个粒子一起进城，并且带着大量的无息贷款。结果就是，哪怕计算一个简单的量子跃迁——如一个电子从高能态跳到低能态——也会变得异常复杂。用物理学家理查德·费曼（Richard Feynman, 1918—1988）的话来说，我们必须“对所有可能的历史过程求和”，把无数种虚粒子可能走的路径都考虑进来（见图8.1）。
量子电动力学
有时候，当你做上述求和操作时，会得到一个有限的答案——这个理论会得出可以被检验的预言。量子电动力学可以对类似运动电子的场景进行计算。在其他的情景下，求和的结果发散到无穷。对自然中的力应用量子理论的历史，就是一个与这些“桀骜不驯”的无穷做斗争的历史。
一个例子是β衰变，这个过程中，一个中子自发地分裂出一个电子和一个中微子，同时留下一个质子。β衰变的量子理论计算结果是无穷，直到物理学家发展出一套弱电理论才解决这个问题，它可以将电磁力和弱核力相结合。弱电理论通过加入一些尚未被发现的带质量粒子可以“驯服”数学上的无穷，如W粒子、Z粒子和希格斯玻色子等粒子，可以抵消那些无穷项。命运之神眷顾着这一大胆的做法：1983年，CERN发现了W玻色子和Z玻色子；2012年，又发现了希格斯玻色子。弱电理论的成功让许多物理学家相信，加入粒子的策略就应该是发展量子理论的通用手段：如果你的模型产生出无穷来，加入额外的粒子就可以解决这个问题。
让我们先假设引力是由称为引力子的量子粒子组成的，就好像光是由光子组成的。根据不确定性原理，引力子可以凭空借来一些能量，然后产生其他的虚引力子。而当我们对所有可能的历史求和时，整个计算量就会快速地增长，最终成了一团无穷的乱麻。如果我们想像弱电理论一样通过增加别的粒子的方法来解决上述无穷问题，很快就会发现这条路走不通。这种方法依赖着某种新的粒子：新粒子的质量是质子的1019倍。之前我们提到过，借来的能量越大，就需要越快地把能量还回去，所以这些新引入的粒子的寿命一定非常短。这意味着它们行进的路程长不了，只能占据空间中非常小的一个区域。
但是广义相对论指出，质量会弯曲时空。把足够多的质量浓缩到一个足够小的区域中，就会形成黑洞。来看一眼咱们的新粒子吧，它是一个微型黑洞，拥有一个有着无穷密度的奇点，在时空上产生了无穷的曲率。大自然对我们开了一个残酷的玩笑：我们用来消除某种无穷的方法引入了一种新的无穷。
许多人尝试绕过这一研究道路上的障碍，他们的努力形成了一些诸如弦理论的新理论，该理论假设所有的粒子都是一种更为基础的振动弦的表象。当我们开始对这些“毛茸茸”的对象进行计算，对所有可能的历史求和时，通过虚粒子产生的无穷几乎像变戏法一样凭空消失了（见下文的“万物理论”）。另外的一个想法是圈量子引力，它指出，时空本身被分割成许多小块。这种离散化的操作意味着任何粒子可以借来的能量都有着一个上限，从而阻止无穷的出现。
这两种统一理论的候选者，从很多方面来看都是现有模型的最保守延展：两者都试图尽可能地保留量子力学和广义相对论的基础。那些更为激进的、想要改变现有理论框架的想法又是怎样的呢？举例来说，如果我们再次把时间和空间分隔开，而不是将其视作统一的时空，就会留出一些操作空间来（见下文的“霍扎瓦引力”部分）。我们能不能通过放弃等效原理这一广义相对论的基石来获得进展呢（见下文的“和而不同”）？还是说我们需要一个更为根本性的转换思路，从纯粹的数字中寻求现实的本质？
在各自起作用的领域里，广义相对论和量子力学两者都与现实高度吻合，因此想提出更好的新理论来是极其困难的，但是大部分物理学家根本不愿意考虑这种激进的可能性：量子力学和广义相对论本来就无法调和，而现实本来就不存在一个单一的、自洽的逻辑基础。
