作者：（美）斯蒂芬·温伯格
出版社：湖南科学技术出版社
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第一推动丛书·物理系列：终极理论之梦(新版)(诺贝尔物理学奖获得者温伯格带你找寻大自然的终极理论)试读：
前言
S.温伯格得克萨斯，奥斯汀1992年8月本书讲的是一场伟大的、理性的历险，它是寻找大自然的终极理论之作。终极理论的梦想激发了今天许多高能物理学的研究，虽然还不知道那终极理论会是什么样子，也不知道还要过多少年才能找到它，但我们相信已经开始模糊地看到了它的轮廓。
终极理论的想法本身也是一个人们争论的问题，目前还在激烈地争论着，甚至还争到了国会会堂。高能物理学越来越费钱了，它需要公众的支持，部分原因是它担负着揭开终极理论的历史使命。
追寻终极理论不过是我们时代思想历程的一部分。首先，我就要在这样的观点下，向不懂物理或没有更高数学知识的读者展开我们的问题。这本书讲的确实是今天物理学前沿基础的关键思想，但它不是物理学教科书，读者不会看到单独的章节专门讲什么粒子、力、对称性或者弦。那些现代物理学概念我都编织在一起了，来讨论终极理论是什么意思，我们将如何发现它。在这里，我凭的是一个外行读者的经验——例如，我读历史的经验。历史学家总喜欢先讲一个故事，然后一章一章地讲人口、经济、技术等背景。而另一方面，让人们感到乐趣的那些历史学家，从塔西佗（Tacitus）和吉本（Gibbon）到艾略特（J.H.Elliott）和莫里森（Morison），总把故事与背景编在一起，而且随时找机会把他们想告诉读者的结论写出来。我写这本书时就在努力向他们学习，而不求规整统一。有些历史和科学的材料，不论学历史的还是学科学的读者可能已经很熟悉了，不过我还是会把它们写进来，如果觉得需要，我还会反复地讲。费米（Enrico Fermi）曾说过，永远不要忽略我们从熟悉的事物得来的乐趣。
本书大体分3个部分和1个尾声：第1至第3章提出关于终极理论的思想；第4至第8章讲我们如何能够向着那个理论前进；第9至第11章是猜想终极理论的形式，看它的发现会对人类产生什么影响；最后，在第12章里，我要讲超导超级对撞机的正反两方面的意见，那是高能物理学家渴望的一种昂贵的新机器，但未来的资金还没有落实。
读者可以看到，书后的一系列注释对正文的一些思想作了更完整的分析。有时，在正文里不得不过分简化某些科学概念，我在后面的注释中作了更准确的说明。注释也包括一些正文里引用过的参考文献。
我要感谢Louise Weinberg，他建议我重写原稿，而且指导我应该怎么做。
感谢Pantheon图书公司的Dan Frank，谢谢他热情的鼓励、精心的指导和编辑；感谢Hutchinson Radius的Neil Behon和我的代理人Morton Janklow，他们提出了很重要的建议。
我还要感谢对不同题目提出过批评和建议的人，有哲学家Paul Feyerabend, George Gale, Sandra Harding, Myles Jackson, Robert Nozick, Hilary Putnam和Michael Redhead；历史学家Stephen Brush, Peter Green和Robert Hankinson；法学家Philip Bobbitt, Louise Weinberg和Mark Yudof；物理学史学家Gerald Holton, Abraham Pais和S.Samuel Schweber；物理学家和神学家John Polkinghomc；精神病学家Leon Eisenberg和Elizabeth Weinberg；生物学家Sydney Brenner, Francis Crick, Lawrence Gilbert, Stephen J.Gould和Ernst Mayr；物理学家Yakir Aharonov, Sidney Coleman, Bryce De Witt, Manfred Fink, Michael Fisher, David Gross, Bengt Nagel, Stephen Orzsag, Brain Pippard, Joseph Polchinski, Roy Schwitters和Leonard Susskind；化学家Roald Hoffmann；天体物理学家William Press, Paul Shapiro和Ethan Vishniac；还有作家James Gleick和Lars Gustafsson。他们帮我避免了好些错误。第1章序幕
如果说我曾见过什么美丽，
是我渴望也拥有过的，
那只是梦中的你。J.多恩，《早安》
在即将过去的一个世纪里，我们从物理学看到了科学知识的前沿在令人眼花缭乱地延伸。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论永远改变了我们对空间、时间和引力的认识。量子力学则更彻底地与过去决裂，连我们用以描述自然的语言也改变了：我们学会了说波函数和概率，取代了具有确定位置和速度的粒子。相对论与量子力学的结合，产生了新的世界观，在这种观点下，物质失去了中心的地位，取代它的是对称性原理，有些原理还藏在今天的宇宙背后。在这样的基础上，我们建立了成功的电磁学理论和基本粒子的强弱相互作用理论。我们常常感觉像西格弗里那样，在饮了龙血后，惊奇地发现自己能听懂鸟儿的鸣叫。
但是我们现在却被困住了。在20世纪70年代中叶以来的这些年里，基本粒子物理学经历了历史上最大的挫折。我们在为成功付出代价：理论远远走在了前头，未来进步所需要研究的物理过程，其能量超过了现有实验条件的极限。
为了走出困境，物理学家从1982年开始制订了一个空前巨大和昂贵的科学计划，那就是超导超级对撞机（SSC）。计划最终需要在达拉斯南部的某个地方挖掘一条53英里（1英里约为1.609千米，全书同）长的椭圆形隧道，数千个磁体将在隧道里引导两束带电粒子（如质子）流，在相反方向上沿隧道奔流数百万周，质子将被加速到很高的能量，比现有粒子加速器能达到的最高能量还高20倍。在环流的若干位置，粒子流中的质子将发生每秒几亿次的碰撞，无数的探测器（有的重达数万吨）会记录下碰撞中发生的事情。计划预算大约是80亿美元。
超级对撞机的建造遭到了强烈反对，节俭的国会议员反对，宁愿把钱花在自己领域的一些科学家也反对。这样的所谓“大科学”总会招来抱怨，而那些抱怨今天在超级对撞机上得到发泄了。同时，欧洲的团体，如CERN（欧洲核子研究中心），也在考虑建造类似的机器：巨型重子对撞机（LHC）。LHC比超级对撞机省钱，因为它将利用日内瓦附近侏罗山的现有地下隧道。不过，也因为省钱，它的能量还不到超级对撞机的一半。欧洲人也在争论是否该造LHC，在很多方面都像美国人争论SSC。
1992年，本书出版的时候，超级对撞机的资助仍然悬而未决。众议院在6月投票否决了它，而参议院在8月又同意了。超级对撞机的未来还将依赖于外来的巨大支持，但现在还没有。问题还很多，超级对撞机的经费即使在今年被国会批准了，在明年也可能被取消。而且，只要计划没完成，年年都可能这样。也许，在20世纪的最后几年，物理科学基础的追寻将暂时告一段落，多年以后大概才会重新开始。
本书不是谈论超级对撞机的专著，但围绕这个计划的争论，我不得不在公开的讲话或在国会的听政会上，力图向大家解释我们的基本粒子研究想要实现的东西。可能有人认为，像我这样做了30年研究的物理学家不会有什么困难，但事情没那么简单。
对我来说，做这种事情总是快乐的，应该做的。不论是在工作台前还是咖啡桌旁，我都演算着数学公式，就像浮士德在梅菲斯特进来时玩弄着五角星。常常在不经意间，数学抽象、实验数据和物理直觉会在某个关于粒子、力和对称性的理论中走到一起。而常常在后来的某个时候，理论将被证明是正确的；有时实验会表明自然确实是像理论说的那样运行着。
但这不是全部。对同基本粒子打交道的物理学家来说，还有另外的动力，即使我们自己也很难说得清楚。
我们今天的理论只有有限的意义，是暂时的、不完备的。但是，我们总会隐约看到在它们背后的一个终极理论的影子，那个理论将有无限的意义，它的完备与和谐将完全令人满意。我们寻求自然的普遍真理，找到一个理论的时候，我们会试着从更深层的理论推出它，从而证明它、解释它。想象科学原理的空间充满着箭头，每个箭头都从一个原理出发，指向被解释的原理。这些解释的箭头表现出令人瞩目的图样：它们不是独立的科学所表现的单独分离的团块，也不是在空间随意指向——它们都关联着，逆着箭头的方向望去，它们似乎都源于一个共同的起点，那个能追溯所有解释的起点，就是我所谓的终极理论。
当然我们现在还没有终极理论，而且也不大可能很快找到它。但我们总把握着一些线索，说明它并不太遥远。有时，物理学家在一起讨论，发现优美的数学思想实际联系着真实世界，我们会感觉到，在那写满数学公式的黑板背后藏着某个更深层的真理，一个让我们的思想显得那么美妙的终极理论。
说起终极理论，我脑海里会涌现出千百个问题和条件。一个科学原理“解释”另一个科学原理是什么意思？我们如何知道所有的解释都有一个共同的起点？我们能发现那个起点吗？现在离它多远？终极理论会像什么样子？我们现在的物理理论会有哪些能保留在那个终极理论中？它如何认识我们的生活和意识？如果有了终极理论，它对科学和人类精神会产生什么影响？这一章只把问题提出来，留待后面的章节慢慢回答。
终极理论的梦想并不是从20世纪才开始的，在西方，它可以追溯到古希腊的米利都，门德河从那里流入爱琴海；在苏格拉底诞生前的100多年，那里曾活跃着一个极享盛誉的学派。关于那个苏格拉底以前的学派的思想，我们知道的不是太多，但从后来的一些材料和仅存的原始的零星片段来看，那时的米利都人已经在寻找用基本的物质组成要素来解释所有的自然现象了。他们的第一个人物泰勒斯（Thales）认为，那基本的物质是水；而在这个学派的最后一个人物阿那克西米尼（Anaximenes）看来，那是空气。
今天看来，泰勒斯和阿那克西米尼的观点显得很奇怪。我们更欣赏100多年后在色雷斯海滨阿布德拉兴起的另一个学派。在那里，德谟克里特（Democritus）和留基波（Leucippus）告诉我们，所有物质都由他们称作原子的永恒的小粒子组成（原子论的根在印度的形而上学，比德谟克里特和留基波还早）。这些早期原子论者的成熟令人惊奇，不过在我看来，不论米利都人“错了”，还是原子论者在某种意义上“对了”，都无关紧要。这些前苏格拉底哲学，不论米利都的还是阿布德拉的，没有一点东西像我们今天对一个成功的科学解释的理解：对现象必须有定量的认识。就算我们听从泰勒斯或德谟克里特讲的，石头由水或原子组成，我们还是不知道如何计算它的密度、硬度和导电率，这对我们认识自然来说，进步了多少呢？当然，如果没有定量预言的能力，我们也不可能说泰勒斯和德谟克里特谁对谁错。
在得克萨斯和哈佛时，我曾给文科学生讲过物理，我觉得最重要（当然也最困难）的是让学生们学会计算不同物理系统在不同条件下发生的事情。我让他们计算阴极射线的偏转和油滴的下落，不是说任何人都需要计算这类事情，而是因为他们能在计算的过程中体会物理学原理的真实意义。我们关于那些决定事物运动的原理的知识，是物理科学的核心，也是人类文明的珍宝。
从这点说，亚里士多德的“物理学”并不比更早、更质朴的泰勒斯和德谟克里特的思想好多少。在《物理学》和《论天》（On the Heavens）里，亚里士多德把抛射体的运动描述为部分自然的和部分[1]非自然的。自然的运动，跟所有重物一样，是向下的，趋向万物的中心；非自然的运动则是空气传递的，而空气的运动可以追溯到使抛射体运动的物体。然而，抛射体在路径上运动多快，在落地时运动了多远，亚里士多德一点儿也没说。他没说计算或测量太难，也没说对运动定律的知识还不够多，不能得到抛射体运动的细节。实际上，他没有提出什么答案（对的或错的），因为他不知道那是该问的问题。
为什么该问那些问题呢？读者也许跟亚里士多德一样，不太关心物体下落多快——我自己也不太关心，重要的是我们今天已经知道了那原理——牛顿的运动和引力定律以及空气动力学的方程，它们的精确决定着物体任何时刻在飞行中的位置。这并不是说我们确实能够精确计算抛射体的运动。从不规则的石头或箭矢羽毛绕过的气流是很复杂的，我们的计算只能是近似的，特别当气流成为湍流的时候。另外还有如何确定初始条件的问题。不管怎么说，我们可以用已知的物理原理解决一些简单的问题，如行星在没有空气的空间运动，稳恒的气流绕过球体或平板。这些问题的解决使我们相信，我们确实把握了决定抛射体运动的原理。同样，我们不能计算生命演化的历程，但我们现在很清楚是什么原理在发生作用。
这是很重要的一点，在关于自然终极理论的意义或终极理论是否存在的争论中，它往往混乱不清。我们说一个真理解释另一个真理，如决定电场中的电子的物理学原理（量子力学法则）解释化学定律，并不是说我们一定能导出我们认为解释了的那些真理。有时问题很简单，如氢分子的化学，我们确实能推导出来；但有时问题对我们来说则是太复杂了。在这种意义上谈科学解释，我们的头脑中并没有科学家确实导出的东西，而是认为那是自然存在的东西。例如，在19世纪，即使物理学家和天文学家还不知道如何在精确计算中考虑行星的相互吸引力，他们也理直气壮地相信行星那样运动完全是因为牛顿运动和引力定律，或者别的什么更精确的定律（牛顿定律不过是它的近似）在发生作用。今天，尽管我们还不能预言化学家可能观测到的一切事情，但我们相信，原子之所以在化学反应中表现出那样的行为，是因为决定原子内电子和电力的物理定律没有为原子的其他活动方式留下自由的空间。
这一点很难说清楚。部分原因是，如果没人确实导出什么原理，我们凭什么说一个事实解释了另一个呢？这令人困惑。但是我想我们不得不这样说，因为那正是我们科学所关心的：发现建立在自然的逻辑结构里的解释。当然，如果我们真能进行某些计算，并能把结果与观测对比，那么我们会更加自信。至少，氢原子化学是这样的，虽然蛋白质的化学还做不到。
尽管希腊人不去追求对自然的综合定量的理解，但古代世界当然也不会不知道精确的定量推理。千百年来，人们懂得了算术法则和平面几何，认识了日月星辰的周期性，还发现了岁差。除了这些，在亚里士多德以后的希腊化时代，即从亚里士多德的学生亚历山大（Alexander）的统治到希腊世界向罗马臣服的年代，数学科学开花了。在大学念哲学时，听人们把泰勒斯和德谟克里特等希腊哲学家称作物理学家，我总觉得有点儿痛苦；但当我们走进伟大的希腊化时代，听到叙拉古（Syracuse）的阿基米德（Archimedes）发现浮力定律，亚历山大里亚（Alexandria）的埃拉托色尼（Eratosthenes）测量地球的周长，我才感觉回到了科学家的家园。在17世纪，现代科学在欧洲兴起之前，世界上还没有哪个地方出现过希腊化时代那样的科学。
然而，尽管希腊化时代的自然哲学家有过那样的辉煌，他们却从来不曾想过一个能精确规范所有自然物的定律体系。实际上，“定律（law）”一词在古代用得很少（而亚里士多德从来不用），我们只能看到它的原始意义：制约人类行为的人或神的法律。（不错，“天文学（astronomy）”一词源自希腊词astron（星）和nomos（律），但在古代它很少用来描述关于天体的科学，用得更多的是“星占学（astrology）”。到了17世纪的伽利略（Galileo）、开普勒（Kepler）和笛卡儿（Descartes）出现，我们才有了自然律的现代概念。
古典学者格林（Peter S.Green）将希腊科学的局限性主要归因于希腊人固执的理性偏见：他们喜欢静止的，不喜欢动态的；喜欢思辨的，不喜欢技术的（军事技术除外）。希腊化时代亚历山大里亚的前3个国王都支持抛体的飞行研究，因为它能满足军事的需要。但是，把精确推理用于如球在斜面上滚动那样无聊的过程——这是说明伽利略运动定律的例子——在希腊人看来似乎是毫无意义的。现代科学也有自己的偏见——生物学更多地关注基因，而不在乎脚趾头长出的肿瘤；物理学家更愿意研究20万亿伏特能量下的质子—质子碰撞，而不把20伏特放在心里。不过这都是战术的选择，基于一定的判断（正确或错误的）——如某些现象比别的现象更容易产生结果；而不是说他们相信有些现象比其他现象更重要。
现代终极理论的梦想是从牛顿开始的。定量的科学推理从来不曾消失，到了牛顿时代，特别是经过伽利略以后，它又获得了新生。不过，从行星和月球的轨道到潮汐的涨落和苹果的落地，牛顿能用他的运动定律和引力定律解释那么多的事实，因此他应该第一个感觉到可能存在一个真正综合的解释理论。牛顿的希望写在他那本巨著《原理》的第一版的前言：“我愿我们能像对力学原理那样，用同类的推理导出其余的自然现象（即《原理》没考虑的那些现象）。许多原因促使我怀疑，它们可能都依赖于一定的力。”20年后，牛顿在《光学》里写了他想如何实现他的计划：
现在，最小的物质粒子被最强的吸引力黏在一起，组成效能较弱的大粒子，其中的很多还可以黏聚形成效能更弱的更大的粒子，如此多方地继续下去，最终形成化学作用和自然物体的颜色所依赖的最大粒子，而这些大粒子则通过黏结形成可以感觉的实体。于是在自然中存在一些原因，能通过强大的吸引力把物体的粒子黏结起来。实验哲学的任务就是去发现它们。
因为牛顿的伟大典范，特别在英国形成了一种典型的科学解释风格：物质被认为由永恒不变的微小粒子构成；粒子通过“一定的力”（引力不过是其中的一种）相互作用；如果知道粒子在某一时刻的位置和速度，知道如何计算其中的力，那么就可以用运动定律来预言它们在下一个时刻会在什么地方。大学新生们现在还常常听到以这种风格讲的物理学。遗憾的是，这样的牛顿风格的物理学尽管还有更多的成功，却已经走到尽头了。
世界终归是复杂的。在18世纪和19世纪，当科学家们对化学、光、电和热有了更多的认识以后，还用牛顿路线去解释，那可能性就越来越渺茫了。特别是，在解释化学反应和亲和性时，把原子当作在相互吸引和排斥的力的作用下运动的牛顿粒子，物理学家不得不为原子和力做出许多任意的实际上不可能出现的假定。
不过，到了19世纪90年代，在许多科学家中间却流行着莫名其妙的满足感。在科学传说里，有一个不知谁杜撰的故事。故事说，在世纪之交，某个物理学家曾宣扬物理学差不多完成了，剩下的事情不过是把测量数据的小数点往后移动几位。故事大概是从美国实验物理学家迈克尔逊（Albert Michelson）1894年在芝加哥大学的一次讲话里传出来的：“谁也不能保证物理科学未来的仓库里再没有比从前更令人惊奇的东西了，不过似乎可以说，多数物理学基本原理都牢固地建立起来了，将来的发展大概主要在于把这些原理严格地运用到我们关注的那些现象中去……有个著名的物理学家讲过，物理科学未来的真理只有在小数点后面第6位去寻找。”迈克尔逊在芝加哥讲话时，还有一位美国实验物理学家密利根（Robert Andrews Millikan）也在场，他猜迈克尔逊说的“著名的物理学家”是那位一言九鼎的苏格兰人威廉·汤姆森，开尔文勋爵（William Thomson, Lord Kelvin）。一个朋友告诉我，他20世纪40年代在剑桥读书时，人们都在传说开尔文讲过那句话：物理学没有什么新东西可以发现了，剩下的事情只是把测量做得更精确。
我没有在开尔文的讲话里找到这句话，但有许多其他证据表明，在19世纪末，的确广泛（尽管不是普遍）流行着一种科学的满足感。当年轻的普朗克在1875年走进慕尼黑大学时，物理学教授约里（Philip Jolly）劝他不要学自然科学。在约里看来，那儿已经没有东西好发现了。密利根也听到过类似的忠告。“1894年，”他回忆说，“我住在64号大街一座5层的公寓楼里，在百老汇的西边。同屋还有4个哥伦比亚大学的研究生，1个学医，另外3个学社会学和政治学。我呢，总被他们嘲笑走进了一个‘完成了的’，是啊，一个‘到头了的’学科，物理学就是那样的；而那个时候，一片崭新的社会科学的‘活的’天地正在展开。”
19世纪的那种满足，常被人提起来警告20世纪的我们当中那些敢言终极理论的人。这其实大大误会了那些自满的言论。迈克尔逊、约里和密利根的同屋伙伴们不可能想到物理学家能成功地解释化学的本质——更不会想到化学家能成功解释遗传的机制。说那些话的人只能那么说，因为他们已经对牛顿及其追随者的梦想绝望了。他们不相信化学和其他所有科学能通过物理的力来理解；在他们看来，化学和物理学已经变得平等，各自都接近尾声了。不论19世纪末的人们在什么程度上感觉科学终结了，都不过是随雄心的消沉而出现的满足。
不过事情变得很快。对物理学家来说，新世纪随着伦琴（Wilhelm Roentgen）X射线的意外发现，从1895年就开始了。X射线本身倒没那么重要，重要的是它让物理学家相信，特别是通过研究各种辐射，还有许多新东西有待发现。发现真的接踵而来了。1896年，贝克勒尔（Henri Becquerel）在巴黎发现了放射性。1897年，汤姆逊（J.J.Thomson）在剑桥测量了阴极射线在电磁场的偏转，并用一种基本粒子解释了这个结果；那粒子即电子，不单出现在阴极射线，而且存在于所有物质。1905年，爱因斯坦（那时还没有研究机构要他）在伯尔尼提出了狭义相对论的关于空间和时间的新认识，提出了一种证明原子存在的新方法，还以一种新的基本粒子解释了普朗克先前关于热辐射的研究结果，那就是后来所谓的光的粒子——光子。不久以后，在1911年，卢瑟福（Ernest Rutherford）根据他在曼彻斯特实验室的放射性元素的实验结果，推测原子的组成包括质量集中的一个小核和包围在核外的一团电子云。1913年，丹麦的玻尔（Niels Bohr）用他的原子模型和爱因斯坦的光子概念解释了最简单原子的光谱，即氢原子光谱。物理学家的自满现在被兴奋代替了，他们开始觉得，至少统一物理科学的终极理论很快就能找到。
还在1902年，那位自满的迈克尔逊曾讲过，“从众多表面相隔遥远的思想领域出发的路线会聚到……一片共同的土地上来的日子看来不会太远了。到那时，原子的本性，在原子的化学统一中起决定作用的力，原子间的相互作用，原子与表现在光电现象中的无差别以太间的相互作用，以原子为基本单位的分子和分子系统的结构，内聚力、弹性和引力的解释，等等，一切的东西都可以和谐地纳入单独的一个坚实的科学知识体系。”如果说过去迈克尔逊认为物理学已经完成是因为他没想拿物理学去解释化学，那么现在他希望在不远的将来能实现一种迥然不同的圆满，不但包括物理学，还包括化学。
不过那还为时过早。第一个最终的统一理论的梦想，是在20世纪20年代中期随量子力学的发现而产生的。那是一个新的陌生的物理学框架，用波函数和概率取代了牛顿力学的粒子和力。量子力学一下子使人们不仅能计算单个原子和它们与辐射相互作用的性质，而且还能计算结合在分子里的原子的性质。至少，人们看清了化学现象之所以那样，完全是因为电子与原子核相互作用的结果。
这倒不是说大学的化学课程从此该由物理教授来讲，也不是说美国化学会该申请加入美国物理学会。用量子力学方程来计算在最简单的氢分子中两个氢原子的束缚力就够困难的了，对于复杂的分子，特别是生物学里遇到的分子和它们在不同环境下的反应，还是需要化学家的特殊经验和洞察力。但是，量子力学在计算极简单分子的性质的成功，清楚表明了正是因为物理学定律的作用，化学才表现出那样的行为方式。新量子力学创立者之一狄拉克（Paul Dirac）在1929年胜利地宣布，“大部分物理学和整个化学的数学理论所需要的基本物理学定律就这样完全知道了，困难只是这些定律的应用带来了太复杂的方程，现在还没法解决。”
没过多久，一个奇怪的新问题出现了。原子能量的第一个量子力学计算得到的结果与实验符合得很好。但是，如果量子力学不仅用于原子里的电子，还用于那些电子产生的电磁场，那么结果将是，原子具有无穷大的能量！在其他计算里还出现了另一些无限结果。40多年来，这些荒谬的结果总是物理学进步的最大阻碍。后来发现，无限问题似乎不是什么灾难，反倒成了乐观向往终极理论的一个最好的理由。如果恰当考虑质量、电荷以及其他一些常数，所有的无限结果都会消除，不过，只有某些特殊类型的理论才能实现。这样，我们可以发现数学在引导着我们走向一个终极理论或那个理论的一角，那是避免无限的唯一道路。实际上，当我们协调相对论（包括广义相对论，即爱因斯坦的引力论）与量子力学时，神秘的弦理论可能已经打开了那条避免无限的唯一的道路。如果真是那样，它将成为任何终极理论的一部分。
我并不是想说终极理论将从纯数学推导出来。是啊，我们为什么该相信相对论或量子力学是逻辑必然的呢？在我看来，我们最好的希望是，终极理论是一个刚性的理论，不能把它扭曲成哪怕稍微不同的什么样子，否则会产生像无穷大能量那样的逻辑荒唐的东西。
我们的乐观还有更深层的理由，那是一个奇特的事实：物理学的进步常常受着某种判断（大概只能叫美学判断）的指引。这真是很奇怪的。物理学家觉得一个理论比另一个理论更美，怎么能成为科学探索的指南呢？这可能有几点理由，但对基本粒子物理学，有一点是特别的：我们现在理论的美，也许“只是梦中的”美，那真美还在终极理论里等着我们。
在20世纪里，最为明确地追寻终极理论目标的人是爱因斯坦。就像他的传记作者派斯（Abraham Pais）说过的，“爱因斯坦是个典型的旧约人物，抱着耶和华式的态度：有律在，必须发现它。”爱因斯坦最后30年的大部分生命都献给了所谓的统一场论，那个能统一麦克斯韦（James Clerk Maxwell）电磁论和爱因斯坦广义相对论（也就是他的引力论）的理论。爱因斯坦的奋斗没能成功，据现在的观点，我们可以说他的构想是错误的。他不但拒绝了量子力学，他的奋斗目标也太狭窄了。爱因斯坦年轻时只知道电磁力和引力，那恰好也是在日常生活里显现的力，但自然界还存在其他类型的力，包括弱力和强力。实际上，现在已经取得的向着统一的进步，是把电磁力的麦克斯韦理论与弱核力的理论统一起来，而不是与引力理论统一起来，引力理论的无穷大问题还很难清除。不过，爱因斯坦昨天的奋斗也是我们今天的奋斗，那就是寻找终极理论。
谈终极理论也许会惹恼一些哲学家和物理学家。它很可能被斥责为某个可怕的东西，如还原主义，或者物理帝国主义。在一定程度上，这是对终极理论可能引发的形形色色荒唐论调的反映。例如，物理学终极理论的发现可能让人感觉是科学走到了尽头的标志。一个终极理论当然不可能终结科学研究，甚至不可能终结纯科学的研究，即使纯物理学的研究也不可能终结。不管什么样的终极理论出现了，仍然有好多奇妙的现象，如湍流，如思维，等着我们去解释。其实，物理学终极理论的发现并不一定能为我们进一步认识那些现象带来多大帮助（尽管会有某些帮助）。终极理论只能在某一个意义上说终极——它把某一种科学探索引向终点：那是一种古老的探索，探索那些不可能用更深层的原理来解释的原理。第2章一支粉笔
傻子：……为什么那七星是七颗，不多也不少，那道理真奇妙。李尔：就因为它们不是八颗吗？
傻子：一点儿不错。你倒可以做一个很好的傻子。莎士比亚，《李尔王》
科学家发现了很多奇特的东西，还有许多美妙的东西；而他们发现的最美妙也最奇特的东西也许是科学本身的模式。我们的科学发现不是独立分散的事实；一个科学事实可以在另一个那里找到解释，而那解释本身还需要别的解释。追溯这些解释的箭头，我们发现它们在源头惊人地会聚在一起了——这也许是我们迄今所知道的关于宇宙的最深刻的图景。
我们来考虑一支粉笔。粉笔这东西多数人都是熟悉的（喜欢通过黑板来交谈的物理学家当然更熟悉了），但我这里拿粉笔来做例子，是因为它曾是科学史上一次著名论战的主题。1868年，英国科学协会在以大教堂闻名的诺里奇举行年会。对聚集到诺里奇来的科学家和学者来说，那是令人兴奋的日子。公众关注科学，不仅因为他们看到了科学对技术的重要，还因为科学正在改变人们对世界和人类本身地位的认识。更重要的是，9年前出版的达尔文（Charles Robert Darwin）的《物种起源》直截了当地把科学摆在了当时普遍立场的对立面。在那次会上我们看到了赫胥黎（Thomas Henry Huxley），有名的解剖学家，犀利的辩论家，也是当时众所周知的“达尔文的角斗士”。像往常一样，他利用这个机会向城里的工人发表了讲话，讲话的题目是“谈一支粉笔”。
我们可以想象，赫胥黎站在讲台上拿着的一支粉笔，可能是从诺里奇地下的白垩层里挖出来的，也可能是从哪个友好的木匠或教授手里借来的。他一开始就讲，地下几百米深处的白垩层，不仅埋在英格兰的广大地区，还延伸到欧洲、地中海以东的利凡特地区，直到亚洲中部。白垩的化学物质很简单，用现在的话讲就是碳酸钙。不过，在显微镜下，我们可以看到它有数不清的小动物的化石壳，那些小动物在古代就生活在覆盖着整个欧洲的汪洋大海中。赫胥黎生动地讲述了那些小动物的尸体如何在几百万年前漂流到海底，然后被压入白垩土；他还讲到了像鳄鱼那样的大动物如何会在白垩层这里或那里出现。白垩层越深的地方，出现的动物同它们今天的伙伴差别越大。因此，在白垩沉积的几百万年里，动物一定在演化着。
赫胥黎想让诺里奇的工人们相信，世界比圣经学者们讲的6000年老得多，新生命的种类一开始就出现了，而且在不断演化。这些问题现在谁都明白——任何有点科学头脑的人都不会怀疑地球的年龄和演化的事实。在这里，我并不是想说哪样具体的科学知识，而是想说那些科学联系的方式。所以，我还是像赫胥黎那样，从一支粉笔说起。
粉笔是白的，为什么？有人马上会说，它白是因为它不是其他颜色。这个答案会让李尔王的那个弄臣高兴，实际上离真正的答案也不太远。在赫胥黎的时代，人们已经知道，彩虹的每种颜色与一定波长的光有关——较长的光波趋向光谱的红端，较短的光波趋向光谱的蓝端或紫端。白光是许多不同波长的光的混合体。光照在不透明物质（如粉笔）上时，只有部分被反射回来，其余的都被吸收了。具有确定颜色的物质，像许多青绿色的铜化合物（例如绿松石里的磷酸铝铜）或紫色的铬化合物，之所以显现那种颜色，是因为它们倾向于强烈吸收一定波长的光，我们通过从物质反射回来的光看到的颜色，是没有被强烈吸收的那些光的颜色。对组成粉笔的碳酸钙来说，强烈吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，所以从粉笔反射回来的光简直就跟照射它的光在可见波段的分布一模一样。白色的感觉，不论来自云朵、雪花还是粉笔，都是这样产生的。
为什么？为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光而另一些物质不会呢？答案与原子和光的能量有关。问题的认识是从爱因斯坦和玻尔在20世纪最初20年的研究开始的。1905年，爱因斯坦首先认识了光线是由无数粒子（后来叫光子）组成的粒子流。光子没有质量，也没有电荷，但每个光子都有一定的能量，与光的波长成反比。1913年，玻尔提出原子和分子只能存在于某些确定的状态，也就是那些具有确定能量的稳定的组成形式。虽然原子常常被比作小小太阳系，但还是存在关键的区别。在太阳系，如果一颗行星离太阳更远或更近一点，它的能量都会增加或减少一点。但是原子的状态却是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变。原子或分子的正常状态是能量最低的状态。当原子或分子吸收了光，它将从一个能量较低的状态跳跃到一个能量更高的状态（如果是发射光子，则发生相反的过程）。总的说来，爱因斯坦和玻尔思想告诉我们，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子的正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。如果不是那样，那么当光子被原子或分子吸收时，能量就不守恒了。典型的铜化合物显现青绿色，是因为铜原子正好有一个比正常状态的能量高2伏特的状态，于是，铜原子很容易通过吸收1个能量为2伏特的光子发生跃迁。那样的光子，波长为0.62微米，呈橘红色，[1]它们被吸收以后，便留下青绿色的反射光。（这并不只是在笨拙地重复讲那些化合物是青绿色的；即使用电子束或其他方式来给铜原子增加能量，我们还是会看到相同的原子能量模式。）粉笔之所以是白的，因为组成它的分子碰巧没有一个状态能特别容易地通过吸收任何一种颜色的可见光来达到。
为什么？为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态出现？为什么是那样一些数值的能量？为什么光子一个一个地来，每一个还具有与光的波长成反比的能量？为什么原子或分子的有些状态特别容易通过吸收光子而达到？光、原子和分子的这些性质，等到20世纪20年代中叶建立了一个新的物理学框架（即大家知道的量子力学）以后才可能为人们所认识。在量子力学里，原子或分子的粒子是用所谓的波函数来描述的。波函数的行为有点儿像光波或声波，但它的大小（准确说，是它的振幅的平方）给出的是在某个位置找到一个粒子的概率。原子或分子的波函数只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量；这就像风琴里的空气，只能以某些确定的模式振动，每种模式都有自己的波长。把量子力学方程用于铜原子，可以发现原子的高能外围轨道上电子束缚较松，容易吸收可见光而跳跃到下一个能量更高的轨道上去。量子力学计算表明，这两个状态的能量差是2伏特，等于一个橘红色光子的能量。另一方面，粉笔里的碳酸钙分子正好没有类似的能吸收任何特殊波长光子的松散电子。至于光子，以同样的方式对它们应用量子力学原理，其性质也能得到解释。结果发现，光子跟原子一样，也只能存在于具有确定能量的某些量子态。例如，波长为0.62微米的橘红色光只能存在于能量为0，2，4或6伏特……的那些量子态，我们说那些态分别包含了0，1，2或3个光子……每个光子的能量为2伏特。
为什么？为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的？为什么物质由那些粒子（电子和原子核）组成？还有，为什么存在光那样的东西？在20世纪二三十年代，当量子力学初次用于原子和光时，那些事情还很神秘。近15年来，随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到了很好的认识。这种新认识的一个重要前提，是量子力学与20世纪物理学的另一伟大革命——爱因斯坦相对论，在40年代的结合。量子力学的原理与相对论的原理几乎是互不相容的，只有在极有限的某些理论中才可能共存。在20世纪20年代的非相对论量子力学里，我们可以想象在电子和原子核中存在任何形式的力。但是，正如我们将看到的，在相对论的情形，就不是那么回事：粒子间的力只能来自其他粒子的交换。而且，所有那些粒子都是各种类型的场的能量束，或者叫量子。像电场或磁场那样的场，是空间的一种应力，跟固体中可能存在的各种应力差不多，不过场是空间本身的应力。每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电子场，它的量子是电子；有电磁场（由电场和磁场组成），它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子（我们知道的质子和中子），没有相应的场；但被称作夸克的各种粒子（即组成质子和中子的粒子）却都有各自的场；另外还有些场，我在这里就不多讲了。在像标准模型那样的场理论中，方程不跟粒子打交道，而是跟场打交道；粒子是作为那些场的代表出现的。寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他有质量的粒子都是极不稳定的。我们说标准模型是一种解释，因为它不仅是计算机黑客所谓的杂牌电脑，把乱七八糟的零碎部件揉在一块儿胡乱地运行；实际上，只要确定了标准模型应该包括的场的类型和决定它们相互作用的一般原理（如相对论原理和量子力学原理），它的结构也就基本上固定下来了。
为什么？为什么世界只有那么一些场：夸克的场、电子的场、光子的场……为什么它们具有标准模型归纳的那些性质？还有，为什么大自然遵从相对论和量子力学的原理？很抱歉——这些问题还没有答案。在评论当今物理学现状时，普林斯顿的理论家格罗斯（David Gross）提出了以下几个尚未解决的问题：“现在我们知道了它是如何发生作用的，我们于是要问，为什么有夸克和轻子？为什么物质的模式重复表现着三代夸克和轻子？为什么所有的力都来自规范对称性？为什么？为什么？为什么？”（这些“为什么”里的术语在后面的章节有解释。）令基本粒子物理学家如此兴奋的，正是他们有希望回答这些问题。
大家都知道，“为什么”是意思最模糊的一个词。哲学家纳格尔（Ernest Nagel）曾列举10个问题，每个问题里的“为什么”意思都不一样。例如，“为什么冰浮在水上？”“为什么卡西乌斯谋害恺撒？”“为什么人类有肺？”随便还能想出些“为什么”的意思不同的问题，如“我为什么出生？”这里，我说“为什么”的意思跟它在“为什么冰浮在水上”里的意思差不多，而没有一点自我觉醒的意味。
即使如此，人们在回答那种问题时究竟在做什么，还难得说清楚。幸运的是，那没有必要。科学解释正如爱和艺术，是给我们带来愉悦的事情。理解科学解释的本质的最好办法，是切实去经历一番，当你自己成功解释了某件事情时，会感觉那是怎样特别的兴奋。我并不是说，追求科学解释可以像追求爱和艺术那样不顾任何约束。实际上，这3种情形都存在着我们需要尊重的真理标准，尽管真理在科学跟爱和艺术中当然有不同的意思。我也不是想说，一般地描绘科学如何作为没有一点儿意思，只是在科学中，跟爱和艺术的情形一样，那是不必要的。
我已经讲过，科学解释显然关联着从一个真理导出另一个真理，但解释比推导意味着更多，或者更少。仅从一个论断导出另一个论断，不一定能构成一个解释，正如我们看到的，有时两个论断的任何一个都可以从另一个导出来。1905年，爱因斯坦推测光子的存在，靠的是5年前普朗克提出的成功的热辐射理论；19年后，玻色（Satyendra Nath Bose）证明普朗克的理论可以从爱因斯坦的光子理论推导出来。解释跟推导不同，它带着独特的方向的感觉。我们强烈感到，光子理论比其他任何关于热辐射的论断都更基本，因而是热辐射的解释。同样，尽管牛顿导出他有名的引力定律部分是根据更早的[2]描写太阳系行星运动的开普勒（Kepler）定律，我们还是说牛顿定律解释了开普勒定律，而不是相反。
谈论更基本的真理令哲学家感到不安。我们可以说，更基本的真理是那些在某种意义上更综合的真理，不过这一点也很难说得准确。但是，假如科学家不得不将自己限定在哲学家所满足的概念上，他们就太不幸了。没有哪个物理学家会怀疑牛顿定律比开普勒定律更基本，爱因斯坦的光子理论比普朗克的热辐射理论更基本。
科学解释也可能比理论的推导说得更少，因为即使不能从原理导出什么来，我们还是可以说某个事实能用那个原理来解释。根据量子力学的法则，我们能导出简单原子和分子的各种性质，甚至还能估计像粉笔里的碳酸钙那么复杂的分子的能级。伯克利的化学家沙弗尔（Henry Shaefer）报告说，“对于许多涉及像萘那样的大分子的问题，如果人工的理论方法运用得巧妙，那结果同样可以看作可靠实验的结果。”但是，对于像蛋白质那样真正复杂的分子，实际上没人能解量子力学方程以得到具体的波函数或精确的能量。然而，我们一点儿也不怀疑量子力学的法则能够“解释”那些分子的性质。这部分是因为我们能用量子力学导出简单系统（如氢分子）的具体性质，另外还因为我们有现成的数学法则，它允许我们能以任何需要的精度去计算任何分子的一切性质，只要有足够强大的计算机和足够充分的计算时间。
甚至，即使有时候没有把握导出什么东西，我们还是可以说某个事实被解释了。眼下，我们不知道如何用我们的基本粒子标准模型去计算原子核的具体性质；即使有了任凭我们使用的具备无限计算能力[3]的计算机，我们也说不准该如何进行计算。（这是因为核力太强，原子和分子的计算技术没用了。）不管怎么说，我们相信，原子核的性质是因为已知的标准模型的原理才成为那样的。这个“因为”与我们实际的推导能力无关，只不过反映了我们对自然秩序的信念。
维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）不相信一个事实能以任何其他事实为基础来解释，他警告说，“在整个现代世界观的基础存在[4]着一种错觉，把所谓的自然定律作为自然现象的解释。”这话令我感到沮丧。对物理学家说自然定律不是自然现象的解释，就像告诉走近猎物的老虎，所有的肉都是草。我们的科学家不知道怎样才能以哲学家认同的方式来表达他们为寻找科学解释所做的事情，这是事实，但它并不意味着我们做的事情是毫无意义的。物理学家能在专业哲学家的帮助下明白自己在做什么，但不论有没有那种帮助，我们都要一直做下去。
粉笔的每一种性质——它的脆性、它的密度、它的电阻，都可以像上面那样一路“为什么”地问下去。不过，还是让我们从另一道门走进那解释的迷宫——考虑粉笔的化学。正如赫胥黎讲的，粉笔差不多就是苏打，照现在的话说，也就是碳酸钙。赫胥黎没那么说，不过他可能知道这种由钙、碳和氧依照固定（质量）比例所组成的东西——3种元素的比例分别为40%、12%和48%。
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