Part Ⅰ
A THEORY OF THE UNIVERSE
第一部分
宇宙理论

1　超弦：万物理论

一个新的理论正动摇现代物理学的基础，它迅速地用美丽优雅且具有突破性的新数学颠覆我们珍视的和过时的宇宙观。尽管关于这个理论尚存在一些未解决的问题，但我们仍能感受到物理学家们的兴奋；世界各地的顶尖物理学家都宣称——我们正在见证一种新物理学的起源。

这个理论被称为“超弦”理论。过去10年，物理学的一系列的惊人突破促使它发展至高潮，它表明我们也许无限接近了统一场论：一个全面的联合宇宙中所有已知力的数学框架。

超弦理论的支持者甚至声称，“这个理论或许是终极‘宇宙理论’”。

尽管物理学家在对待新思想时通常很小心，但普林斯顿大学物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）却声称，超弦理论将在未来50年主导物理学世界。他最近说，“超弦理论是一个奇迹，一个贯穿始终的理论”。在一次物理会议上，他震惊了听众，他宣称我们或许正在见证一场像量子理论诞生那样伟大的物理学革命。他继续补充，“超弦理论可能引起我们对空间和时间的新理解，是自广义相对论以来物理学最戏剧性的理解。”

甚至，那些总是小心避免科学家断言被夸大的科学杂志也将超弦理论的诞生与圣杯的发现相比。科学杂志声称，“这场革命可能不亚于数学革命中实数到复数的过渡。”

该理论的两位创造者，加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwarz）和伦敦玛丽女王学院的迈克尔·格林（Michael Green）有点武断地将其称为一种万物理论（TOE）。

这种兴奋的核心是，他们认识到超弦理论可以提供一个全面的理论以解释所有已知的物理现象——从星系的运动到原子核内的动力学。该理论甚至对宇宙的起源、时间的开始，多维宇宙的存在做出了惊人的预测。

对物理学家来说，这是个令人陶醉的概念——几千年来仔细研究且痛苦地积累起来的我们物质世界的海量信息终于能被总结在一个理论中。

例如，德国物理学家编纂了一本百科全书《物理手册》，这是一份详尽的工作，总结了世界物理知识。这个手册，实际占据了图书馆的整个书架，代表了科学学习的顶峰。如果超弦理论为真，原则上，这本百科全书包含的全部信息均可由一个单一方程衍生而出。

物理学家对超弦理论特别兴奋，因为它迫使我们改变对物质性质的理解。自希腊化时代以来，科学家们一直认为宇宙是微小的点粒子组成的。德谟克利特创造了原子这个词来描述这些终极的、不可摧毁的物质单位。

然而，超弦理论假设，自然界的最终的建筑块皆由微小的振动弦组成。如果它是正确的，意味着所有物质中的质子和中子，从我们的身体到最远的恒星，皆由弦组成。没人见过这些弦，因为它们太小以至于我们无法观察（它们大约是质子的千亿分之一）。事实上，我们的测量设备太粗糙，看不到这些细小的弦，我们的世界似乎只能由点状粒子构成。

起初，用弦代替点粒子这个概念能简单地解释粒子的多样性和自然界中由粒子交换所产生的力。后来人们发现，超弦理论既全面又优雅，它能简单解释宇宙中为何会有数十亿种不同类型的粒子和物质且具有惊人的不同特征。

超弦理论可以产生一个连贯的、包罗万象的大自然的图片，类似于用一根小提琴弦可“联合”所有的音乐音调和和声规则。历史上，音乐定律是经过数千年的不同乐音的反复研究制定而出。今天，这些多样性的规则能很容易地从一张图片中推导出来，即一根弦可与不同频率共振，每一个不同频率的共振都能产生音阶中独立的音调。振动弦可产生不同的音调，更重要的是，单一振动弦的概念能解释和谐定律。

因此，小提琴弦的物理知识给了我们一个音乐音调的综合理论，并允许我们预测新的和声和和弦。同样，在超弦理论中，人们在自然界中发现的基本力和各种粒子其实只是振动弦的不同模式。例如，重力交互作用是由环形弦的最低振动模式引起的，此弦的较高激发可产生不同形式的物质。从超弦理论的角度看，没有任何力或粒子比其他任何力或粒子更重要。全部粒子都只是振动弦的不同的振动响应。因此，超弦理论作为一个单一的框架，可以在原则上解释为何宇宙中有如此丰富的粒子和原子且具有多样性。

对古代的问题“物质是什么？”的答案变得简单——物质是由粒子组成，粒子是弦的不同的振动模式，如G调或F调。由弦产生的音乐就是物质本身。

世界物理学家对这一新理论如此兴奋的根本原因是，它似乎解决了本世纪最重要的科学问题——如何将自然的四种力结合为一个综合理论。这场巨变的中心是，认识统治我们宇宙的四种基本力实际上是由超弦控制的一个单一的统一力的不同表现形式。

弦论四种力

力是任何能移动物体的东西。例如，磁性是一种力，因为它可使指南针指针旋转。电流是一种力，因为它可让我们的头发竖起。在过去的2000年，我们逐渐意识到宇宙存在四种基本力：重力、电磁力（光）以及两种类型的核力，弱力和强力。（古人认识到的其他力，如火和风，可用这四种基本力解释。）然而，我们宇宙中最大的科学难题之一是，这四种力为何如此不同。过去的50年，物理学家们一直在努力解决如何将它们联合成一幅连贯的画面。

为了帮助你欣赏超弦理论给物理学家们带来的兴奋，我们需要一分钟时间对这些基本力作简单描述，以显示它们的不同。

重力是将太阳系结合在一起的吸引力，它能保持地球和其他行星在自己的轨道上运动并阻止恒星爆炸。在我们的宇宙中，重力是主导力，可延伸数万亿英里，直至最远的恒星。使苹果落地以及保持我们的脚停在地板上的力与引导宇宙中星系运动的力为同样的力。

电磁力将原子固定在一起，它使带负电荷的电子围绕带正电荷的原子核的轨道运行。因为电磁力决定了电子轨道的结构，它也支配着化学定律。

在地球上，电磁力通常很强大，甚至超过重力。例如，通过摩擦梳子或许能将桌子上的纸片吸起。电磁力抵消了纸片向下的重力，在1×10-11英寸（大致相当于原子核的大小）范围内支配其他的力。

（也许，人们比较熟悉的电磁力的一种形式是光。当原子受到干扰，原子核周围电子的运动变得不规则，电子发射光和其他形式的辐射。以X射线、雷达、微波或光的形式发射的电磁辐射是最纯粹的电磁辐射形式。无线电和电视只是电磁力的不同形式。）

在原子核内，弱（核）力和强（核）力超过了电磁力。例如，强力负责将原子核中的质子和中子结合在一起。在任何原子核中，所有质子都带正电。只是质子在一起，它们间的排斥（电）力会将原子核分裂。因此，强力克服了质子间的排斥力。粗略地说，只有一些元素能在强力（它倾向于将原子核固定在一起）和排斥（电）力（它倾向于撕裂原子核）间保持微妙的平衡，这有助于解释为何自然界只有大约100种已知元素。原子核的质子数超过100个，甚至，强力也难以遏制它们之间的排斥（电）力。

当强大的核力被释放出来，效果可能是灾难性的。例如，当原子弹中的铀核被故意分开，锁在原子核里的巨大能量将以核爆的形式被释放。一枚核弹每磅释放的能量超过炸药中含有能量的100万倍。事实上，强力产生的能量比电磁力控制的化学爆炸的能量大太多。

强力还对恒星发光的原因作了解释。星星是一个巨大的释放核原子的核熔炉。例如，太阳的能量是通过燃烧煤而非核燃料被创造，那么，只会有很小部分的太阳光被产生。太阳会迅速发出微弱的嘶嘶爆裂声，变成煤渣。没有阳光，地球会变冷，地球上的生命终将死亡。因此，没有强力，星星不会发光，不会有太阳，地球上也不会有生命。

如果强力是原子核内部唯一起作用的力，那么，大多数原子核将非常稳定。然而，我们从经验中知道，某些原子核（如铀，有92个质子）的质量巨大，以至于它们会自动分裂，释放出更小的碎块和碎片，我们将这个物理过程称为放射。在这些元素中，原子核是不稳定的和可解体的。因此，必然存在一个更弱的力在起作用，一个控制放射性的力，负责分解非常重的原子核——弱力。

弱力是短暂的且转瞬即逝，我们在生活中并未直接体验过它。然而，我们感受到了它的间接影响。当盖革计数器放在一块铀的旁边，我们听到的测量原子核放射性的咔嗒声是由弱力造成的。弱力释放的能量也可用于产生热量。例如，地球内部的巨大的热量，部分是由地心深处的放射性元素蜕变产生的。反过来，如果这个巨大的热量到达地球表面，可能会引起火山爆发。类似地，核电站核心释放的热量能产生足够照亮一座城市的电力，这也是由弱力（以及强力）产生的。

没有这四种力，生命将不可想象：我们身体里的原子会解体，太阳会爆裂，点燃恒星和星系的原子之火将被扑灭。因此，力的概念是一个古老而熟悉的概念，至少可追溯到艾萨克·牛顿时代。新的想法是，这些力或许只是一种力的不同表现。

日常经验表明，一个物体可以表现为各种形式。将一杯水加热，直到沸腾变为蒸汽。水，通常是液体，可以转变为蒸汽（一种气体），其性质已不同于液体，但它仍然是水。将一杯水冷冻成冰，通过撤出热，我们可以将这种液体变成固体，但它仍然是水。同样的物质，仅是在某些情况下变成了一种新的形式。

另一个更引人注目的例子是，岩石可以转变成光。在特定条件下，一块岩石可以变成巨大的能量（如果这块岩石是铀，能量可表现为原子弹）。因此，物质本身可以表现为两种形式——作为物质物体（铀）或作为能量（辐射）。

科学家们在过去的100年意识到，电和磁是同一个力的不同表现。在过去的25年，科学家才明白，弱力也能被视为同一个力的不同表现。1979年的诺贝尔奖授予了三位物理学家，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam），他们展示了如何将弱力和电磁力联合成一种力，称“电-弱”力。同样，物理学家现在相信另一种理论，GUT（大统一理论）可以将电弱力与强相互作用联合起来。

不过，物理学家们从未对重力有任何办法。事实上，重力与其他力具有太多的不同，以至于在过去的60年里，科学家们几乎绝望——无法将它和其他力联合起来。尽管量子力学惊人地结合了另外三种力，但它应用于重力时失败了。

丢失的连接

20世纪，诞生了两个凌驾于其他理论之上的伟大理论——量子力学（解释三种亚原子力上取得了巨大成功）；爱因斯坦的引力理论，也称广义相对论。从某种意义上看，这两种理论相互对立——量子力学致力于非常小的世界，原子、分子、质子和中子；相对论控制非常大尺度的物理，宇宙尺度上星星和星系的物理。

对物理学家来说，原则上，我们可以从这两种理论得出人类对物理宇宙的知识总和。但本世纪最大的难题之一是，这两种理论是如此的不相容。事实上，在本世纪，世界上最伟大的思想家将量子力学和广义相对论结合起来的所有尝试全部失败。阿尔伯特·爱因斯坦在他生命的最后30年一直寻求包含重力和光的统一理论，依然以失败告终。

这两个理论都在自己特定的领域里取得了惊人的成功。例如，量子力学在解释原子的秘密时没有对手。量子力学揭开了核物理的秘密，释放了氢弹的能量，解释了从晶体管到激光器每个器件的工作原理。事实上，这个理论非常强，如果我们有足够的时间，我们可以通过计算机预测化学元素的所有性质，而不必进入实验室。然而，尽管量子力学在解释原子世界时取得了巨大成功，但它在试图描述重力时却遭遇了巨大失败。

另一方面，广义相对论在它自己的领域：星系的宇宙尺度取得了巨大成功。黑洞，物理学家认为，这是一颗巨大的垂死恒星的终极状态，广义相对论对此作出了众所周知的预测。广义相对论还预测，宇宙最初是在大爆炸中开始的，它使星系以巨大的速度彼此分离。然而，广义相对论却完全不能解释原子和分子的行为。

因此，物理学家面临着两种截然不同的理论。每种理论都采用了一套不同的数学，且都在自己的领域内做出了惊人的精确预测。同时，它们又非常独立且截然不同。

这好比大自然创造了一个有两只手的人，右手看上去与左手完全不同，功能也不同且独立。对那些坚信自然最终必定简单优雅的物理学家来说，这是一个谜，他们无法接受大自然会以如此怪异的方式运作。

这正是超弦要解决的问题，它能解决这两个伟大理论的结合问题。事实上，量子力学和相对论，是使超弦理论成立的必需。超弦是第一个也是唯一能使量子引力理论有意义的数学框架。这就好像科学家在过去60年里一直试图组装宇宙拼图，突然注意到自己忽视了一个小片——超弦。

比科幻小说还奇怪

通常，科学家是保守的。他们接受新理论的速度较慢，尤其是那些做出的预测有些奇怪的理论。然而，超弦理论做出了任何理论从未提出过的最疯狂的预测。任何有能力将如此多的物理本质浓缩成一个方程的理论都会产生深远的物理后果，超弦理论也不例外。

［1958年，伟大的量子物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）参加了一次物理学家沃尔夫冈·保利（Wolfgang Pauli）所做的演讲。讲演结束时，听众极不赞同，玻尔说，“我们一致认为，你的理论太疯狂。我们之间的分歧在于，它是否能达到足够疯狂。”超弦理论，鉴于它奇异的预测，一定是“够疯狂的”。］

尽管这些预测将在接下来的章节中详细讨论，我仍在这里做了简单提及，让大家看看超弦理论使现实物理看起来似乎比科幻小说还奇怪意味着什么。

多维宇宙

20世纪20年代，爱因斯坦的广义相对论提供了我们的宇宙是如何开始的最好的解释。根据爱因斯坦的理论，宇宙诞生于大约100亿—200亿年前的宇宙大爆炸。宇宙中的所有物质，包括恒星、星系和行星，初期集中在一个超致密的球中。后来，这个球剧烈爆炸，产生了我们当前正在膨胀的宇宙。这个理论与今天人们观察到的事实吻合——当前，所有恒星和星系都在向着离开地球的方向快速远离（由大爆炸的力量推动）。

然而，爱因斯坦的理论存在许多漏洞——为什么宇宙会发生爆炸？大爆炸之前是什么？理论科学家早年就意识到大爆炸理论的不完全性，因为它并未解释大爆炸本身的起源和性质。

难以置信，超弦理论预测了大爆炸以前发生的事情。超弦理论认为，宇宙最初有十个维度，而不是四个维度（三个空间维度和一个时间维度）。之后，这个宇宙在十个维度上非常不稳定，它“破裂”成两块，一个小的四维宇宙从其余部分宇宙剥离开来。类似地，我们可以想象一个肥皂泡沫在慢慢地振动——如果振动足够强，肥皂泡会变得不稳定，分裂成两个或更多更小的肥皂泡。再想象一下，最初的肥皂泡代表十维宇宙，分裂出的较小的肥皂泡代表我们的宇宙。

如果这个理论为真，意味着一定存在一个与我们的宇宙共存的“姐妹宇宙”。这也意味着，我们宇宙之初的分裂是多么剧烈，以至于它创造了我们所知的大爆炸。因此，超弦理论解释，大爆炸是“十维宇宙分裂成两片”这个剧烈转变的副产品。

你不必担心，某天，当你沿着街道走路时会“落入”另一个其他维度的宇宙，仿佛科幻小说的描述。根据超弦理论的说法，另一个多维宇宙已缩小到这样一个程度——一个人类永远无法到达的难以置信的小尺寸（大约原子核大小的千亿分之一）。因此，更高的维度是什么样子，成为了一个学术问题。从这个意义上看，在更高维度之间旅行的前景只有在宇宙起源时才有可能——那时的宇宙是十维的，故而，维度之间的旅行在物理上具有可能。

暗物质

除了多维空间，科幻作家们还喜欢“暗物质”为自己的小说添油加醋，这是一种神秘的物质形式，与宇宙中任何物质的性质皆不同。暗物质是过去预测的，但无论科学家将他们的望远镜和仪器指向天空中的任何地方，他们仍然只发现了大约100种地球上存在的人们熟悉的那些化学元素。甚至，宇宙最远的恒星也是由普通的氢、氦、氧、碳等元素组成。一方面，这让人放心——我们知道，无论我们在外太空旅行到了哪儿，火箭船只会遇到在地球上发现过的化学元素；另一方面，知道外层空间不会有惊喜，这让人失望。

超弦理论可能会改变这一点，因为从一个十维宇宙分裂成更小的宇宙的这个过程或许创造了一种新的物质形式。这种暗物质像所有的其他物质那样有重量，只是不可见（因此得名）。暗物质没有味道，没有气味，甚至最敏感的仪器也检测不到它的存在。如果你能将暗物质抓在手中，你或许会感到它很重，否则它将完全不能被觉察。事实上，测定重量是探测暗物质的唯一方法，它与其他形式的物质没有其他已知的相互作用。

因此，暗物质也可能有助于解释宇宙的谜题之一。如果宇宙中有足够的物质，那么，星系间的引力应该会减缓它的膨胀，甚至逆转导致宇宙收缩。事实上，宇宙是否有足够的物质会导致这种逆转并最终收缩，数据存在冲突——天文学家试图计算可见宇宙中物质的总量，他们发现恒星和星系缺乏足够的物质导致宇宙收缩；其他一些计算（基于计算恒星的红移和光度）则认为，宇宙存在收缩的可能，这也被称为“失踪质量”问题。

如果超弦理论是正确的，那么，它就能解释为什么天文学家在望远镜和仪器中看不到这种形式的物质。此外，如果暗物质理论是正确的，那么，暗物质可能遍及宇宙。（确有可能，暗物质比普通物质更多。）在这方面，超弦理论不仅澄清了大爆炸前发生的事情，还预测了宇宙死亡时可能发生的事情。

超级怀疑论者

当然，任何提出如此大胆预测的理论——用弦代替点粒子以及用十维宇宙代替四维宇宙——都会招致怀疑。虽然超弦理论打开了一幅甚至让数学家都震惊的数学远景，并使全世界的物理学家感到兴奋，但人们或许需要几年甚至几十年才能建造足够强大的机器对这一理论作决定性地检验。同时，在无可辩驳的实验证据出现之前，怀疑论者将继续对超弦理论持怀疑态度，尽管超弦理论如此美丽、优雅，且独一无二。

怀疑论者，哈佛物理学家谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）曾抱怨：“数十个最优秀和最聪明的人经过‘多年的紧张努力’仍未产生一个可以验证的预测，所以，我们似乎不应期待能很快取得结果。”世界著名的荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）在芝加哥郊外的阿尔贡国家实验室发表讲演（他走得更远），他将大张旗鼓炫耀超弦理论比作美国的电视商业广告，“全是广告，内容非常少。”

的确，正如普林斯顿大学物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）曾警告的那样，就通常所说的寻找统一描述四种力的单一数学模型而言，“物理学领域里充斥着统一理论的尸体。”

但超弦理论的捍卫者指出，尽管能证明这一理论的决定性的实验或许还需要等待几年时间，但今天尚无实验与此理论矛盾。

事实上，这一理论没有对手：目前，没有其他方法可将量子理论和相对论结合起来。一些物理学家对寻找统一理论的新尝试持怀疑态度，因为过去有很多尝试遭受了失败，但这些尝试失败正是因为它们无法将引力和量子理论结合起来。超弦理论似乎解决了这个问题，它没有患上置它的祖先于死地的疾病。鉴于此，超弦理论是迄今为止最流行的能真正统一所有力的候选理论。

历史上最大的科学机器

物理世界正接近对弱力、电磁力、强力，可能还有引力相互作用进行统一的描述，这在某些方面促进了需要创造强大机器检验这些理论的动力，为证明这些理论不是无聊的猜测而是国际社会强烈关注的焦点。

20世纪80年代的大部分时间，美国政府致力于花费数十亿美元建造一个巨大的“原子粉碎机”或粒子加速器，以深入探测原子核。这台机器被称为超导超级对撞机（SSC），是史上最大的科学机器。然而，该项目在1993年遭到取消。

超导超级对撞机的主要任务是寻找新的相互作用以及测试统一理论，比如电-弱力理论所做的预测，可能会探测GUT和超弦理论的边缘。这台强大的机器会专注于寻找传说中的统一的各个方面。超导超级对撞机会消耗掉足以为一个大都市提供动力的能源，将粒子加速到万亿电子伏特以粉碎其他的亚原子粒子。物理学家们希望，被深锁在原子核内的是验证这些理论某些方面所必需的关键数据。

超导超级对撞机将主导实验高能物理学进入下一个世纪。然而，为了全面测试GUT理论的结果，超导超级对撞机仍然不够强大。“GUT理论把强力和电-弱力结合起来”或者“超弦理论将所有已知的力量结合起来”，这两种预测都需要比超导超级对撞机大得多的机器。事实上，超导超级对撞机或许已能探测到这些理论的外围，帮助我们间接验证或否定这些理论的各种预测。

在实验上，由于探测GUT理论和超弦理论所需的能量太巨大，终极验证可能需要上升至宇宙学领域（对宇宙起源的研究）。事实上，这种统一的能量规模只有在宇宙起始时才能发生。从这个意义上说，解决统一场论的难题可能会很好地解决宇宙起源之谜。

这里，似乎我们已走到了故事的前面。一个人在建造一个房子之前，必须先打下地基。物理方面也是如此，在我们详细探索超弦理论如何统一所有的力之前，我们必须先回答一些基本问题——什么是相对论？什么是物质？统一的概念从何而来？这些问题将是以下两章的重点。

2　寻求统一

历史上，科学的发展是不连贯的。例如，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的伟大贡献是用他的引力理论计算行星的运动。与沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）和欧文·薛定谔（Erwin Schrodinger）的工作有很大不同，他们用量子力学揭示原子的工作原理。此外，量子力学所需的数学和原理似乎完全不同于描述空间扭曲、黑洞和大爆炸的爱因斯坦的广义相对论。

然而，随着统一场论的发展，是时候组装这些分离的零件并整体查看了，而不仅是追求部分的总和。虽然寻求统一是最近得出的，但大多数开创性工作都始于过去20年里的工作。事后看来，用连贯的统一的概念重新分析科学上的伟大发现将成为可能。

由于统一场论产生的动力科学史正在慢慢重写——包括艾萨克·牛顿实际上发明物理学和他发现万有引力定律，几千年人类历史发展中的最重要的科学发展将变得更易解释。

天和地的统一

牛顿生活在17世纪末，当时的教会和学者相信两种截然不同的法律。管理天堂的法律是完美和谐的，而地球上的凡人却生活在粗糙和粗俗的物理定律之下。

任何坚持认为月球是非完美的、抛光的球体，或者认为地球围绕太阳旋转的人都可以被教会处死。乔治·布鲁诺（Giordano Bruno）在1600年被绑在火刑柱上烧死，只因他推测太阳只是另一颗恒星。他的结论是，“有无数个太阳，还有无限多的地球围绕这些太阳旋转……”几十年后，伟大的天文学家和物理学家伽利略·加利利不得不在死亡的痛苦中放弃自己的地球围绕太阳转动的异端言论。（即使在审判中，他被迫否定自己的科学发现，他仍低声嘀咕道：“但是，地球确实在转动！”）

所有这一切从艾萨克·牛顿开始改变，那时，他是剑桥大学一个23岁的学生。可怕的黑死病席卷了那片土地，欧洲的多数大学和其他机构关闭，他被送回家。牛顿有了很多的时间，他观察物体落到地上的运动，一瞬间，他构思了控制所有下落物体运动路径的著名理论。

牛顿是通过自问革命性的问题得出自己理论的——月亮是否也会下落？

根据教堂的说法，月亮留在天上是因为它遵守地球法律无法达到的天上法律——地球的法律是强迫物体落地，天上法律则不是。牛顿的革命性观测是——将万有引力定律扩展到天堂本身。这个异端想法的直接结论是——月球是地球的一个卫星，不是想象中的天球的运动必须保持在天空中，而是受到了引力理论的控制。

牛顿想，也许月亮是不断下落的，与石块落到地球上受着相同的定律支配，只是因为地球的下降曲率抵消了月亮的下降运动，所以月亮不会撞向地球。在他的代表作《原理》中，牛顿写下了控制卫星绕地球运行和地球与行星围绕太阳运行的定律。

牛顿画了一幅简单的图画，解释了下落的月球是地球的一个卫星的想法。想象一下，站在高高的山顶并投掷一块石头，石头最终必定会落到地上。你扔出石头的速度越快，石头落地前飞行的距离就越远。事实上，牛顿认为，如果石头被扔得足够快，它会绕地球旋转一圈后击中你的背部。就像环绕地球的岩石一样，月球只是一颗不断下落的卫星。

这幅由牛顿构思的精美图片超前了发射人造卫星3个世纪。今天，惊人的成就——太空探测器降落在火星以及飞行超越天王星和海王星——必须归功于牛顿在17世纪后期写下的定律。

在一系列迅速且深入的研究中，牛顿发现自己的方程原则上允许他粗略估算地球到月球的距离以及地球到太阳的距离。当教会仍在教导地球静止在天上时，艾萨克·牛顿计算了太阳系的基本尺寸。

回想起来，我们可以认为牛顿发现的引力定律是科学史上的第一个“统一”——统一了天与地的法则。在地球上任何两个物体之间起作用的重力，也将人类的命运与星星联系起来。在牛顿的发现之后，整个太阳系的运动几乎能得到完全准确的计算。

此外，牛顿认为，地球上的岩石能绕地球运行而不需要天体，他能用图形的方式说明自己理论的基本原则。有趣的是，所有的科学领域的重大突破，尤其是显示力统一的突破，都能用图形的方式显示。尽管数学或许晦涩难懂且单调乏味，但统一的本质总能非常简单地用图形的方式表示。

麦克斯韦的发现

牛顿之后，我们对统一的理解的下一次重大飞跃是电和磁的统一，这发生在200年后的19世纪中期，美国内战时期。在那场毁灭性的战争中，美国陷入了混乱，大西洋两岸的科学世界也处于一个非常动荡的时期。欧洲正进行的实验表明了一个明白无误的事实，在某些情况下，磁性可以变成一种电场，反之亦然。

几个世纪以来，人们一直认为，磁力是控制海上领航员指南针的力，电力是产生闪电和走过地毯后触摸门把手时的触电的力，磁力和电力是完全不同的两种力。然而，到了19世纪中期，这种僵硬的分离分崩离析。科学家渐渐意识到，振动电场可以产生磁性，反之亦然。

这种效果很容易被证明。例如，简单地将条形磁铁推入线圈，线圈里会产生一个小的电流——变化的磁场产生了电场。同样，我们可以将这种局面反转，使电流流过该线圈从而在线圈周围产生磁场——变化的电场产生了磁场。

改变电场可以产生磁场和改变磁场可以产生电场的同一原理是使我们家庭有电的原因。在水力发电厂，水从大坝上落下至旋转连接到涡轮上的大轮。涡轮机里的大线圈在磁场中快速旋转，线圈在磁场中旋转运动时产生了电流。此后，这些电流通过几百英里长的电线进入了我们的家庭。因此，由大坝产生的变化的磁场被转换成电场，通过墙壁插座给家庭供电。

然而，在1860年，人们对这种效应还不能很好地理解。一个无人知晓的剑桥大学30岁的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）挑战了当时的主流思想，声称电和磁不是截然不同的力，而是同一枚硬币的不同的两面。事实上，他做出了那个世纪最惊人的发现，他发现这个观察能解开最神秘现象的秘密——光本身的秘密。

麦克斯韦知道，电场和磁场可以被可视化为渗透所有空间的“力场”。这些力场可以用从电荷发出的平滑的无限排列的“箭头”表示。例如，条形磁铁产生的力场像蜘蛛网一样伸入太空，并能诱捕附近的金属物体。

然而，麦克斯韦更进了一步。他认为，电场和磁场可以一起精确同步地振动，产生波，能在没有任何帮助的情况下独自旅行于太空。

人们可以想象以下场景：如果振动磁场产生一个电场，电场又振动产生另一个磁场，磁场振动再产生另一个电场，会发生什么？这样一个无限系列的振动电场和磁场本身运动，不是很像一个波浪吗？

如同牛顿引力定律，这个想法的实质简单且形象。例如，假设有一长串多米诺骨牌，打翻第一张多米诺骨牌会引发多米诺骨牌落下的浪潮。如果，这一行多米诺骨牌由两种类型组成，黑色和白色，带颜色的多米诺骨牌沿着这条线交替出现。此时，我们去掉黑色多米诺骨牌，只留下白色的，这个波将不能实现旅行。事实上，我们既需要白色多米诺骨牌，也需要黑色多米诺骨牌——白色和黑色多米诺骨牌相互作用，每一张都在翻转下一张，使多米诺骨牌落下的浪潮成为可能。

类似地，麦克斯韦发现，振动磁场和电场的相互作用产生了波浪。他发现，只靠电场或磁场的其中之一无法产生这种像波浪一样的运动，类似于仅有黑色或白色多米诺骨牌的情况。只有电场和磁场之间微妙的相互作用才能产生这个波。

然而，对大多数物理学家来说，这个想法似乎是荒谬的，因为没有“以太”帮助这些波传导。这些磁场是“脱离实体”的，没有传导介质，它们无法移动。

然而，麦克斯韦并不气馁。他用自己的方程计算，他推导出了这个波的速度。令他吃惊的是，他发现这就是光速。不可避免的结论是，光被揭示出，只有一连串的电场变成了磁场。偶然地，麦克斯韦发现，他的方程解开了光作为电磁波的性质。因此，他是第一个发现了一个真正统一场论的人。

这是个了不起的发现，在重要性上可与牛顿对万有引力定律的发现并列。1889年，麦克斯韦死后10年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验证实了麦克斯韦的理论。在一次戏剧性的演示中，赫兹制造了一个电火花，并能产生一个在很远距离上可被探测的电磁波。正如麦克斯韦的预言，赫兹证明了这些自己传播的波，不需要“以太”。最终，赫兹的粗略实验发展为了我们今天称之为“无线电”的庞大产业。

由于麦克斯韦的开创性工作，从那时起，光被称为电磁力，是由电场和磁场迅速相互转换的振动产生。雷达、紫外线、红外线、无线电、微波、电视和X射线无非是电磁波采取的不同形式。（例如，当你收听自己喜欢的电台时，表盘上的指针指示99.5，表示无线电波包含的电场和磁场正以每秒9950万次的速度相互转化。）

不幸的是，麦克斯韦在提出这个理论后不久就去世了，他没能活到足够长的时间去深度探究自己创作的独特处。然而，敏锐的物理学家在19世纪60年代就注意到了麦克斯韦方程必然需要奇异的距离和时间的扭曲。他的方程式与牛顿的理论因描述空间和时间的方式不同而完全不同。对牛顿来说，时间脉冲在整个宇宙中均匀跳动，地球上的时钟和月亮上的时钟以同样的速度跳动。麦克斯韦方程预测，在某些情况下，时钟可能会变慢。

科学家们没有意识到，麦克斯韦的理论预测了放置在移动火箭船上的时钟应该比放置在地球上的时钟慢。起初，这听起来非常荒谬。毕竟，时间流逝的一致性是牛顿系统的基础之一。但是，麦克斯韦方程需要这种奇怪的时间扭曲。

半个世纪以来，科学家们忽略了麦克斯韦方程的这个奇怪的预测。直至1905年，一个物理学家终于明白且接受了麦克斯韦理论的这种深刻的时空扭曲。这个物理学家就是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），他创造的狭义相对论改变了人类历史的进程。

失业的革命者

爱因斯坦在他的一生中提出了许多革命性的想法，改变了我们看待宇宙的方式。我们总结一下，可将他的理论分成三大类：狭义相对论、广义相对论和统一场论（未完成的最伟大的科学）。

1905年，26岁，他提出了自己的第一个伟大理论——狭义相对论。对那些对科学界产生如此大的影响的人来说，他的出身是卑微的。

1900年，这位未来世界著名的物理学家发现自己没有工作，运气非常糟糕。当更知名的物理学家在著名大学讲课时，爱因斯坦申请担任教学职位遭到了各个大学的拒绝。他刚完成了自己在苏黎世理工学院的学业，靠兼职辅导挣扎着生存。他的父亲担心儿子的抑郁，写道：“我的儿子为目前的失业状况而沮丧。他越来越觉得自己的事业偏离了轨道……他认为自己是这个社会的负担，产生了很大压力。”

1902年，在一个朋友的推荐下，他获得了瑞士伯尔尼专利局的一份卑微的工作，以支持自己妻子和孩子的家庭生活。尽管爱因斯坦资质过高，才能明显高于这份工作的要求，但事后看来，这似乎是上天最好的安排。

首先，专利局是一个安静的避难所，给了爱因斯坦太多时间思考，以研究自己的时间和空间理论。其次，专利局的工作要求他在发明者的通常措辞模糊的建议中提出关键想法。这教会了他如同之前的牛顿和麦克斯韦一样，如何从实物图片的角度思考，准确无误地瞄准使理论发挥作用的基本思想。

在专利局，爱因斯坦回到了一个在孩童时就困扰自己的问题：如果自己能以光速在一束光线的旁边奔跑，这束光线看上去会是什么样子？他猜测，光波会在时间上冻结，这样，人们就能实际上看到电场和磁场的驻波。

但当爱因斯坦在理工学院学习麦克斯韦方程时，他惊讶地发现，这些方程不接受驻波解。事实上，麦克斯韦方程预测光必须以相同的速度传播，不管你如何努力追赶它。即使一个人以巨大的速度前行，光束仍将以同样的速度领先于他——光波永远不会在静止时被看见。

起初，这似乎非常简单。根据麦克斯韦方程式，地球上的科学家和在火箭中超速行驶的科学家测量的光束的速度是相同的。也许，麦克斯韦本人在19世纪60年代写这个方程时就意识到了这点。然而，只有爱因斯坦明白这个事实的特殊重要性，因为他意识到这意味着我们必须改变我们的时空观念。在1905年，爱因斯坦终于解决了麦克斯韦光理论的难题。在这个过程中，他颠覆了过去的历经几千年的时空观念。

为了便于论证，假设光速为每小时101英里，每小时行驶100英里的火车与光束并排移动。事实上，在这列火车上的科学家应能测量出光速为每小时1英里（每小时101英里减去每小时100英里）。如此，科学家应能从容地仔细研究光的内部结构。

然而，根据麦克斯韦方程，以每小时100英里的速度前行的科学家测量的光速为每小时101英里，而不是每小时1英里。这怎么可能？这列火车上的科学家怎么会愚蠢地认为，光束能达到这样的速度？

爱因斯坦对这个问题给出的解决方案是古怪的，但却是正确的：他假设火车上的时钟比地面上的时钟更慢，且火车上的任何测量尺的长度都缩小了。

这意味着，这列火车上的科学家的大脑相对于地面上的科学家的大脑会变慢。从地面上某人的角度看，这列火车上的科学家测量的光束速度应该为每小时1英里，但实际上，火车上的科学家测量的光束速度为每小时101英里。因为，火车上的科学家的大脑和此列车里的一切都慢了下来。

相对论的结果——超速的物体时间必须放慢，距离必须缩短——似乎违反了常识，这是因为我们通常处理的都是远低于光速的情况。人每小时可以行走大约5英里——比光速慢得多。所以，人们出于各种目的，根据直觉会认为光速是无限的。光，可以在1秒时间内绕地球7次，从我们的观点来看，几乎可算为瞬间移动。

现在，想象一个光速只有每小时5英里的世界，相当于普通婴儿车的速度。如果光速为每小时5英里，那么，时间和空间经历了巨大扭曲将成为“常识”。例如，汽车每小时行驶不能超过5英里，而那些速度接近每小时5英里的人将会变平，像煎饼一样。（奇怪的是，这些缩小的汽车对于观察者来说不仅看起来变平了，还是旋转的。）此外，在这些汽车里变平的人看上去几乎静止（一动不动），时间似乎也冻结了（因为随着汽车的加速，时间会变慢）。当这些变平的汽车在红绿灯处减速时，会逐渐缩小长度，直到达到原来的尺寸，车内的时间将恢复正常。

当爱因斯坦1905年的革命性的论文发表时，该论文在很大程度上遭到了忽视。事实上，他提交这份文件是为了获得一份伯尔尼大学的教学职位，但论文遭到了拒绝。古典牛顿物理学家接受的是绝对空间和绝对时间的概念，爱因斯坦的建议也许是麦克斯韦方程悖论的最极端解。（仅几年后，当实验证据指出爱因斯坦理论的正确性时，科学界认识到这篇论文包含了天才的想法。）

几十年后，爱因斯坦坦言麦克斯韦对狭义相对论发展的重要性，他直截了当地说，“狭义相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程。”

事后看来，我们意识到爱因斯坦能比其他人更深入接受麦克斯韦的理论，是因为他掌握了统一的原则，理解了潜在的链接看似不同对象的统一对称性。（对物理学家来说，对称性有确切的含义——如有一个方程，当你移动或转动它的分量时保持不变，它就有对称性。对称性是物理学家构建统一场论的最有力工具。更多详细信息，参见第7章。）例如，空间和时间（以及物质和能量）。就像牛顿发现地球物理和天体物理可通过万有引力定律统一，或麦克斯韦发现电和磁的统一一样，爱因斯坦统一了空间和时间。

这个理论证明了空间和时间是科学家称之为“时-空”的同一个实体的不同表现。事实上，这个理论不仅统一了空间和时间，它还统一了物质和能量。

乍看之下，在表面上，似乎没有什么东西的差别会比一个丑陋的岩石和灿烂的光芒的差别大。然而，表观具有欺骗性。爱因斯坦首先指出，在某些情况下，即使一块岩石（铀）也能变成一束光（核爆炸）。物质转化为能量的过程，通过原子分裂以实现，原子分裂将释放出储存在原子核内的巨大的能量。在爱因斯坦的意识中，相对论的本质在于物质可以变成能量，反之亦然。

空间扭曲

尽管爱因斯坦的狭义相对论在被提出后的几年内就得到了广泛的认可，但爱因斯坦并不满意这个理论。他认为，这仍然不完整，这个理论忽略了对任何重力的提及，牛顿的引力理论似乎违背了狭义相对论的基本原则。

想象一下，太阳如果突然消失会发生什么？地球甩出公转轨道需要多少时间？根据牛顿的理论，如果太阳消失，地球会立刻飞入太空深处，离开太阳系。

对爱因斯坦来说，这个结论不可接受。任何东西，包括重力，不可能快于光速。地球需要8分钟（太阳发出的光到达地球所需的时间）才能脱离轨道。这显然需要一个新的引力理论。牛顿的引力理论一定是错误的，因为它并未提到光速这个宇宙中的终极速度。

爱因斯坦在1915年提出的解决这个难题的方法是广义相对论，将引力解释为时空和物质能量的结合。虽然这个方程的数学很复杂，但这个理论可由简单的物理图像作概括。

想象一下，一个蹦床网，中间放着一个保龄球。自然地，球的重量会使蹦床网下沉。现在，考虑一个沿着弧形网表面运动的小弹球。这个小弹球不会沿着直线运动，而是在保龄球引起的凹陷周围的环形轨道上行进。

根据牛顿的说法，人们可以想象一种无形的“力”作用在保龄球和小弹球之间。然而，根据爱因斯坦的说法，更简单的解释是保龄球引起的网表面的扭曲使小弹球在圆周上运动。

现在让我们想象，这个球实际上是我们的太阳，小弹球是地球，蹦床网是空间-时间。我们忽然认识到，“重力”根本不是力，而是质量-能量（太阳）存在所引起的时空弯曲。

如果保龄球突然从蹦床网上被移走，那么，由它的移除引起的振动必然会像波浪一样沿着网的表面传播。几分之一秒之后，这个波会撞击小弹球，小弹球的路线必然发生改变。显然，这就是太阳突然消失会发生什么这个问题的解。万有引力的波以光的速度传播，在太阳消失后的8分钟到达地球。重力理论和相对论兼容了。

许多物理学家怀着怀疑的心理再次欢迎爱因斯坦的重力新理论。物理学家被爱因斯坦所说的我们生活在四维时空连续体搞晕了，现在又面临着一个更不可思议的理论——这个连续体由于物质-能量的存在而扭曲。

1919年5月29日，爱因斯坦的广义相对论在巴西和非洲的一次日全食中进行了戏剧性的测试。爱因斯坦的理论预测光束的路径（像物质一样）——当它经过太阳时会弯曲（见下图）。这意味着太阳那样巨大的物质-能量可能会扭曲时空。此星光围绕太阳的偏转是对这些想法一个戏剧性的验证。

星光路径的这种扭曲是通过日食期间比较做出的，当星星变得可见时，测量夜晚的星星位置和白天的星星位置。当科学家测量太阳的存在确实产生了星光弯曲并验证了广义相对论时，世界为之轰动。

爱因斯坦是如此确信这个物理图像和方程的正确性，以至他对日食实验的结果丝毫不感到惊讶。那年，一名学生问爱因斯坦，如果实验失败，他会有什么反应。“我会为亲爱的上帝感到遗憾，”爱因斯坦回答，“但我的理论绝对正确。”

（事实上，爱因斯坦的理论建立在严格的物理原则基础上，且有如此美丽的对称，以至于他在获得诺贝尔奖之前深信自己向前妻做出的承诺，相信她一定能得到离婚协议中自己承诺的诺贝尔奖份额。然而，当1921年爱因斯坦最终获得诺贝尔物理学奖时，诺贝尔委员会在相对论这个问题上的意见不一，尽管有大量数据支持相对论，但爱因斯坦却因其关于光电效应的理论获奖。）

今天，重力导致的光线偏移可在实验室测量，而无需将光束越过太阳。在1959年和1965年，哈佛大学教授罗伯特·庞德和他的同事们表明，当伽马射线（一种形式的电磁辐射）从一个大楼顶部到底部传送74英尺的距离，重力会使它们的波长改变一个极小的但仍能测到的量——一百万亿分之一。这也是爱因斯坦预测的数量。

尽管多年来人们将爱因斯坦的理论成就归因于他的“天才”，事后看来，我们可以在一致性的背景下考虑广义相对论。爱因斯坦的策略类似于牛顿和麦克斯韦，即发现潜在物理原理能将两个不同概念结合在一个宇宙统一体中。

从革命到遗物

爱因斯坦受到他早期时空理论和引力理论成功的鼓舞，开始寻找更大的猎物——统一场理论，试图将重力几何理论与麦克斯韦的光理论结合起来。

讽刺的是，尽管全世界都知道阿尔伯特·爱因斯坦与艾萨克·牛顿同样伟大（因为他敢洞察宇宙的秘密），但许多人却不知道爱因斯坦花了自己生命的最后30年，孤独、沮丧，徒劳地探索统一场论。20世纪40—50年代，许多物理学家声称，爱因斯坦已经落伍了。他们说他孤立、与世隔绝，对原子物理学（即量子理论）的新发展一无所知。一些人甚至在他背后嘲笑他衰老了，是一个追逐荒谬的疯子。甚至，与爱因斯坦工作过的高级研究所的所长J.罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）也在许多场合对自己的同事说，“爱因斯坦的探索是徒劳。”

爱因斯坦自己也承认，“我通常被认为是一种石化的物体，多年来变得又瞎又聋。”在他生命的最后几年，他几乎与自己的同伴完全隔离，因为他被统一场论吸收，而不是原子物理学和量子理论的新发展。“我看起来像一只鸵鸟，”他在1954年说，“我永远把头埋在相对论的沙子里，拒绝面对那邪恶的量子。”

事实上，爱因斯坦对他的几个同事有些失望，他认为这些人目光短浅，心胸狭窄，他写道，“我对那些拿着一块木头，寻找它最薄的部分，在那些最容易钻孔的地方钻很多洞的科学家没什么耐心。”他曾对自己的秘书说，“100年后的物理学家（非当代物理学家）一定会欣赏他的劳作。”偶尔的孤独不会导致他烦恼——“我这种类型的人的本质，”爱因斯坦曾说，“在于思考什么和怎样思考，而不是做什么或遭受什么。”

当时的科学界不是试图将光与重力结合起来（大多数物理学家认为这还为时过早，甚至不可能），而是被吸引到了一个全新的方向：原子和核物理的诞生。

历史上，从来没有一个新的科学分支预示过如此重大的事件：原子弹爆炸。突然间，一些物理学家用铅笔和纸做的无人知晓的工作开始改变人类的进程。他们的神秘方程——只有少数在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯实验室类似地方工作的人能理解的方程，突然变成了世界历史上举足轻重的力量。

20世纪30—50年代，物理学中的主要活动不是相对论或统一场论，而是量子理论的发展。爱因斯坦的大多数同事，例如哥本哈根的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和哥廷根的沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）都忙于构建描述原子和核现象的数学语言：量子力学。那个时代，爱因斯坦几乎是独自一人追求着光与重力的统一。

有人认为，爱因斯坦一生犯了一个最大的错误，拒绝量子力学。然而，这是不了解爱因斯坦科学思想的科学历史学家和记者所特有的错误。其原因是，这些历史学家中的大部分人不懂用于描述统一场论的数学。

50年前发表的爱因斯坦作品的一份仔细的科学读物并未显示他的过时，而是揭示了他的方法的现代化。这些文件清楚地表明爱因斯坦最终接受了量子力学的有效性。然而，他个人认为，量子力学是一门不完全的理论，如同牛顿引力理论那样为真，只是不完整。

爱因斯坦相信量子力学虽然很成功，但绝非最终的理论。他后来的科学工作在很大程度上遭到了非科学家和历史学家的忽视。这些工作表明，他相信统一场论存在一个副产品，可完美解释量子力学的特征。爱因斯坦认为，亚原子粒子和原子只会作为他的重力和光的几何理论出现。

遗憾的是，爱因斯坦在追求这一概念，即自然界中的各种力最终必然通过某些物理原理或对称性联系在一起的过程中去世了。甚至，在他去世40年后，大部分他的传记作者仍然跳过了他最后几年的物理学研究，忽略了他寻找统一场论时走进过的死胡同，而是集中着墨于他对核裁军的热心。

爱因斯坦的错误

虽然物理学家不能完全理解将四种基本力结合成一种理论所需的必要细节，但他们却明确地知道爱因斯坦构建统一场论一定会遇到的麻烦。

爱因斯坦曾说，在他的相对论中，放置在宇宙中的不同地方的时钟以不同的速率跳动，但现实生活里的他买不起家里的时钟。爱因斯坦用这种方式揭示了自己获得伟大发现的方法——用物理图像思考。数学，无论多么抽象或复杂，总是后来出现的，它只是作为一种工具将这些物理图像翻译成精确的语言。爱因斯坦构思的图像是如此的简单和优雅，以至于它们可以被公众理解。数学可能是模糊且复杂的，但物理图像总是简单美丽。

爱因斯坦的一位传记作者指出，“爱因斯坦总是从最简单的可能的想法开始，然后，他会将它放在适当的背景下描述。这个直观的方法就像画一幅画一样，一种经验教会了我知识和理解的区别。”

由于爱因斯坦具有敏锐的洞察力，他能比其他人看得更远。正是爱因斯坦伟大的绘画洞察力使他提出了相对论。30年来，在物理学中，他一直是巨人，因为他的物理图像和构思能力始终正确无误。然而，讽刺的是，在过去的30年里，爱因斯坦没能创造出统一场论，因为他放弃了这种概念性的方法转而求助于没有任何清晰视觉图像的模糊数学。

当然，爱因斯坦意识到自己缺乏指导性的物理原理。他曾经写道，“我相信，为了取得真正的进展必须再次从自然中寻找某些一般性的原理。”然而，不管他多么努力，都无法思考出一个新的物理原理，所以他逐渐变得痴迷于纯数学方向，如“扭曲”几何形状是缺乏物理内容的奇异数学结构。最终，他未能创造统一场论这个他研究的中心，因为他偏离了自己的原始路径。

回顾过去，我们看到超弦理论可能是爱因斯坦多年来一直回避的物理框架。超弦理论非常图像化，包含了无穷多个粒子作为振动弦的模式。如果这个理论兑现了它的承诺，我们会再次看到，最深刻的物理理论可以用一个令人惊讶的简单的图像化的方式来描述。

爱因斯坦追求统一是正确的。他相信一个潜在的对称性是所有的力统一的根源。然而，他使用了错误的策略，试图联合引力和电磁力（光），而不是联合核力。爱因斯坦试图联合这两种力是自然的，因为这是他有生之年的重点研究对象。他有意识地选择忽略核力，这也许可以理解，因为在那时它是最神秘的。同时，他更不喜欢描述核力的理论——量子力学。

相对论揭示了能量、重力和时空的秘密；而主宰20世纪的另一理论是量子力学，是一门物质理论。简单来说，量子力学通过联合波和粒子的双重概念成功地描述了原子物理学。但爱因斯坦并未意识到统一场论的关键在于相对论和量子力学的结合。

爱因斯坦是理解力的大师，但他对物质的理解薄弱，特别是对核物质理解薄弱。接下来，我们谈谈这个问题。

3　量子谜题

20世纪初，一系列挑战牛顿物理学的新实验引起了科学界的混乱。世界见证了从旧秩序的灰烬中浮现出新物理的阵痛。然而，在混乱中出现了两种理论，而不是一种。

爱因斯坦开创了第一个理论——相对论——并集中他的全部努力理解重力和光这些力的性质。然而，理解物质本质的基础是被第二个理论——量子力学——奠定的，它控制亚原子世界的一切现象，由沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）以及他的合作者创建。

两个物理学巨人

在许多方面，爱因斯坦和海森堡的命运是奇怪地互相交织的，尽管他们创造的统一理论完全不同。他们都是德国人，是革命性的破坏传统的人，挑战他们前辈的既定智慧。他们是如此彻底地主宰了现代物理学，以至于他们的发现将决定半个多世纪的物理进程。

他们在惊人的年轻时代就做出了最好的工作。爱因斯坦发现相对论时只有26岁；海森堡制定大部分量子力学定律时只有24岁（21岁，完成博士学位），他获得诺贝尔奖时只有32岁。

两人都沉浸在世纪之交孕育了德国艺术和科学繁荣的知识传统中。大多数有抱负的梦想成为一流物理学家的科学家都进行过德国朝圣之旅。［20世纪20年代末，一位美国物理学家，不满意美国的原始物理水平，奔赴德国哥廷根学习，师从量子力学大师。这位物理学家J.罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer）此后建造了第一颗原子弹。］

两个人物的命运也都被德国历史的黑暗的一面——普鲁士军国主义传统和独裁触动。1933年，法西斯主义开始越来越明显时，爱因斯坦作为一个犹太人，为了自己的生命逃离了纳粹德国。然而，海森堡留在德国，甚至参与了希特勒的原子弹项目。事实上，德国的世界著名物理学家，比如海森堡的存在有助于说服爱因斯坦在1939年写了一封著名的给富兰克林·罗斯福总统的信，敦促他制造原子弹。几年前，OSS（中央情报局的前身）的前代理人曾揭示了盟国非常害怕海森堡，他们起草了必要时暗杀他的周密计划，阻止德国人制造原子弹。

除了个人命运，他们的科学创造也有着错综复杂的联系。爱因斯坦的杰作是广义相对论，它回答以下问题——时间有开始和结束吗？宇宙最远点在哪儿？最远的地方之外有什么？创世之初发生了什么？

相比之下，海森堡和他的同事，如欧文·薛定谔（Erwin Schrrdinger）以及丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）精确地提出了相反的问题——宇宙中最小的物体是什么？物质能无限制地分成越来越小的块吗？在提出这些问题的过程中，海森堡和他的同事创造了量子力学。

在许多方面，这两种理论似乎是对立的——广义相对论涉及星系的运动和宇宙，量子力学探索亚原子世界；相对论主要是一种连续填满所有空间的力场理论（例如，重力场可以与延伸到太空外层的像卷须一样的薄纱相比）；相反，量子力学主要是原子物质的理论，它比光速慢得多。在量子力学的世界，一个力场仅是看上去平滑和连续地占满了所有的空间。如我们仔细研究，会发现它实际上是被量化为离散的单位。例如，光由称为量子或光子的微小能量包组成。

两种理论本身都不能令人满意地描述自然。爱因斯坦徒劳地将相对论推到断裂点，表明相对论本身并不能成为统一场论的基础。量子力学没有相对论也不满意，量子力学只能用于计算原子的行为，不能计算星系和膨胀宇宙的大规模行为。

然而，将这两种理论融合在一起，耗费了数十位理论物理学家近半个世纪的巨大精力。直至最近几年，物理学家借助超弦理论或许最终实现了它们可能的综合。

普朗克——不情愿的革命者

量子理论诞生于1900年，当时，物理学家发现了让他们迷惑的被称为“黑体辐射”的东西。例如，我们无法解释为什么一根钢筋被加热到高温时会发光，热得发红，然后热得发白，或者为什么岩浆从火山喷发出时热得发红。

假设光纯粹地像波浪那样，可以在任何频率振动，他们发现自己的理论不能预测热得发红和热得发白的颜色。这种困惑被称为“紫外线灾难”（其中紫外线只是指高频辐射），多年来一直困扰着科学家。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（MaxPlanck）找到了解决这个问题的办法。他是柏林的一名教授，在那里正进行一些关于黑体辐射的精确实验。一个星期天，他和妻子招待一些实验物理学家。海因里希·鲁本斯（Heinrich Rubens）是其中之一，他无意地告诉了普朗克自己关于黑体辐射的最新发现。鲁本斯离开后，普朗克意识到自己可以通过数学技巧推导出一个正确拟合鲁本斯数据的方程。他为他的新理论感到兴奋，那天晚上，他给鲁本斯寄了一张明信片，告诉他自己的发现。

当普朗克在那个月向柏林物理学会展示他的成果时，他非常谦虚，只有一半的人相信他提出的理论的意义。他提出辐射并非如物理学家所想的那样，完全像波浪，而是以确定的离散包形式的能量转移。普朗克在自己1900年12月的论文中提醒道，“实验将证明这个假设在自然界中是否成立。”

普朗克意识到物理学家从未见过能量的粒状性质，因为每个包的“尺寸”非常小（由数字h=6.5×10-27erg sec确定，现称“普朗克常数”）。这个数字实在太小，因此，我们从未在日常生活中看到量子效应。

物理界对普朗克的新想法和它的逻辑结论，光不是连续的而是粒状的持强烈的怀疑态度。光可以被劈成像粒子一样的“量子”碎片被认为非常荒谬。

5年后，1905年，爱因斯坦（仍是一位默默无闻的物理学家）写下光电效应理论，将量子理论推向了下一个关键步骤。普朗克是一个不情愿的，几乎是胆小的革命者，这是19世纪物理学家典型的气质；爱因斯坦则大胆地提出了自己的理论，在新的方向上大步跨出。

爱因斯坦利用普朗克关于量子的奇怪理论猜想，当光粒子撞击金属时会发生什么？如果光是遵循普朗克理论的粒子，那么，它应该从金属中的一些原子中将电子反弹出去，并产生电。然后，爱因斯坦用普朗克常数计算出了弹出的电子能量。

实验物理学家很快就验证了普朗克定律和爱因斯坦方程。普朗克在1918年因其量子理论获得诺贝尔奖，随后，爱因斯坦于1921年因提出光电效应获得诺贝尔奖。

今天，我们受益于量子光电效应的应用。举例来说，电视成为可能正是因为这个发现。电视里的摄像机利用光电效应记录金属表面上的图像。光线通过相机的透镜进入相机撞击金属，并产生特定的电模式，然后转换成电视波打到家用电视机上。不同于普通的照相机胶片仅暴露一次，这种金属可以重复使用，因此可以捕捉运动图像。

量子食谱

几千年来，人们一直认为粒子和波是不同的实体。然而，至本世纪初，这种区别崩溃了。普朗克和爱因斯坦不仅展示了光（波）有明确的粒子状特性，电子实验也显示粒子呈现出波状特征。

1923年，一位年轻的法国王子和物理学研究生，路易·德布罗意（Louis de Broglie）写了一个“物质波”应该服从的基本关系，说明电子应像光波一样有一个确定的频率和波长。

然而，威尼斯物理学家欧文·薛定谔在1926年走出了决定性的一步。薛定谔被德布罗意写下的方程所鼓舞，写下了这些波应服从的完整的方程（称薛定谔波动方程），这是一个几乎由海森堡同时写下的不同形式的理论。从此，普朗克、爱因斯坦和玻尔的旧的量子理论转变成成熟的薛定谔和海森堡的成熟的量子力学。

1926年以前，科学家认为，试图预测世界上最简单的化合物的化学性质是不可能的。1926年以后，物理学家从完全无知变为几乎完全理解了控制简单原子的方程。量子力学的力量太巨大，原则上，所有的化学都能归结于一系列方程。

对物理学家来说，使用薛定谔波动方程就像按照一本精心制作的食谱进行烹饪，因为它能准确地告诉你应混合多少种成分，搅拌多长时间，以确定原子和分子的确切性质。尽管对越来越复杂的原子和分子，薛定谔波动方程的求解将变得困难，但如有足够大的计算机，我们可利用这个方程推断出所有已知化学物质的性质。事实上，量子力学比普通的烹饪书强大多了，因为它还允许我们计算自然界中尚未被我们发现的化学物质的性质。

晶体管、激光和量子力学

量子力学在我们身边无处不在。没有量子力学，大量熟悉的物体，如电视、激光、计算机和无线电将不复存在。例如，薛定谔波动方程解释了许多以前已知的但令人困惑的事实，如导电性。这个结果最终导致了晶体管的发明。如没有晶体管技术，现代电子和计算机技术将不复存在，晶体管是纯量子力学现象的结果。

例如，在金属中，原子以有序的方式排列在格子里。薛定谔方程预测金属原子中的外层的电子与原子核是松散结合的，事实上，可以在整个晶格中自由漫游。甚至，最小的电场也能推动这些电子围绕晶格运动——产生电流，这也是金属导电的原因。然而，对于橡胶和塑料，外部电子的束缚更紧密，没有这种自由漫游的电子以产生电流。

量子力学还解释了半导体材料的存在，有时能像导体那样工作，有时又像绝缘体。因此，半导体可以用作控制电流的放大器。如同水龙头是通过简单的扭转腕关节控制水流一样，晶体管控制电流。今天，晶体管控制我们个人电脑、收音机、电视等电器中电的流动。对晶体管的发明，三位量子物理学家分享了1956年的诺贝尔奖，他们是约翰·巴丁（John Bardeen）、威廉·肖克利（William Shockley）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）。

量子力学催生了另一项发明——激光，它正在改变我们的经营工业和商业方式。

量子力学首次解释了氖和荧光灯工作的原理。在霓虹灯中，电流通过气体管，激励气体原子，将它们的电子踢到更高的轨道，或者更高能级。现在，气体原子中的电子处于“兴奋”状态，想衰变回它们原来的能量较低的状态。当电子最终衰变回较低的轨道时，释放能量并发光。

在灯泡中，被激发的原子随机衰减。事实上，我们周围所有的光，包括太阳光，都是随机的或者是不相干的，以不同频率和不同相位辐射振动的疯狂的大杂烩。物理学家，如20世纪80年代加州大学伯克利分校的查尔斯·汤斯（Charles Townes）利用量子力学预测在某些情况下，被激发的原子可立即衰减成精确同步状态。这种新型辐射被称为“相干辐射”，在自然界中从未见过。1954年，汤斯和他的同事成功地产生了相干辐射脉冲，那是有史以来最纯粹的辐射形式。

尽管汤斯的开创性工作是微波辐射（他因此获得了1964年的诺贝尔奖），但科学家们很快就认识到他的理论还适用于光。虽然巴克·罗杰斯（Buck Rogers）式的射线枪以及能射进核导弹的光束远超出了我们目前的能力，但商业激光已可用于切割金属、传输通信、外科手术，每天都有新的应用被发现。例如，医生们正使用细玻璃丝传送光能烧掉心脏病人人体静脉中的脂肪沉积。激光唱片改变了立体声录音机的制造方式，许多超市的结账柜台都开始使用激光瞬间读取产品包装上的黑线条形码。

也许，激光最壮观的商业应用将会是三维电视的制造。今天，发布的签证卡上已有鸟的三维立体“全息图”图像。可以想象，将来，我们的电视屏幕是非平面的三维球体，我们可以看到三维人在四处走动。我们的儿孙可能在他们的起居室里看到三维电视，赞美量子力学。

除了晶体管和激光器之外，还有其他数百个重要发现应归功于量子力学。仅举几个例子：

◆电子显微镜。电子显微镜利用电子像波一样的性质可以看到病毒大小的物体。数百万人已直接受益于这个应用到医学上的量子力学发明。

◆解开DNA分子的密码。X射线衍射和其他探针用来确定这些复杂有机物的分子结构。最终，从这些分子的量子力学研究中可能会发现生命本身的秘密。

◆核聚变机。这些机器将利用太阳的核反应在地球上创造巨大的能量。尽管核聚变机还有许多实际未解决的问题，但最终它们或许能提供一种几乎无限的能源。

毫无疑问，量子力学的成功已改变了医学、工业和商业的基础。具有讽刺意味的是，量子力学的实际应用如此明确，但它本身却代表非常大的不确定性。简而言之，量子力学在物理世界投下了一颗炸弹，结果是令人震惊的。“任何未被量子理论震惊的人，”尼尔斯·玻尔声称，“只是对它缺乏理解。”

海森堡测不准原理

1927年，沃纳·海森堡提出，不可能同时知道一个物体的速度和位置。一个波浪毕竟是一个模糊的物体，如果我们站在海滩，如何精确计算海波的速度和位置？不能！我们永远无法同时准确地知道一个电子的位置和速度，这也是薛定谔方程的一个直接解。

根据海森堡的说法，这种不确定性的产生是因为在亚原子领域观察一个物体位置和速度变化这个动作本身。换句话说，测量一个原子系统的过程对该系统的干扰非常大，以至于改变了它的状态，使系统的状态定量地不同于它在测量前的状态。例如，一个电子是很小的，要测量它在原子中的位置，光子必须打到这个电子上。然而，光很强大，它能将电子推出原子，改变电子的位置和地点。

人们会争辩，使用更好的测量设备测量电子的速度和位置，可以不发生改变吗？根据海森堡的说法，答案是否定的。量子力学断言，我们永不可能同时知道单个电子运动的准确速度和位置，不管我们的测量装置多灵敏。我们可以知道一个条件或者另一个，但不能同时都知道，这叫海森堡测不准原理。

决定论的垮台

牛顿认为，宇宙就像一个巨大的时钟，上帝在时间开始时为时钟上足了发条。从那以后，它一直根据牛顿提出的三个运动定律嘀嗒作响。这个理论被称为牛顿决定论，该理论指出运动三定律可以在数学上决定宇宙中所有物体的精确运动。

法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）更进了一步，他相信所有未来的事件（不仅是哈雷彗星和未来的日食，甚至未来的战争和非理性人类决策）都能预先计算，只要所有原子在时间开始时的初始运动为已知。例如，决定论最极端的形式是，数学公式能提前计算出10年后的今天你会去哪家餐馆吃饭，你会点哪些菜品。

此外，根据这种观点，可以事先确定我们是死于天堂还是地狱，没有自由意志。（当拉普拉斯写下他的代表作《天体力学》时，拿破仑问他，为什么没有提到造物主。拉普拉斯回答，“我不需要那个假设。”）

然而，根据海森堡的说法，所有这些都是无稽之谈，我们的命运不会被单一地封闭在量子天堂或地狱。不确定性原则使我们不能预测单个原子的精确行为，更别说宇宙了。根据这个理论，在亚原子领域，只能计算概率。例如，由于不可能知道电子的速度和确切的位置，所以很难预测电子的个体行为。但是，我们能非常精确地预测大量电子表现出某种方式的概率。

例如，想象一下，数百万学生参加每年的大学入学考试。很难预测每个个人在考试中的表现，但我们能以不可思议的准确性预测他们的平均成绩。事实上，平均成绩的钟形曲线每年变化极小。因此，我们可以在考试前预测数百万学生在考试中的平均分数，却不能预测任何一个学生的单一结果。

同样，在单个放射性铀核的情况下，我们知道它不稳定并最终会瓦解，但我们永远不能准确预测它何时以什么能量衰减。不进行原子核状态的实际测量，量子力学不知道它是完好无损的，还是已经蜕变的。事实上，量子力学描述一个单核的方式是假设它是这两种状态的混合。因而，一个铀原子核在被测量之前，物理学家认为，它是处于完好无损和蜕变之间的幽冥状态。

好奇害死了猫

尽管科学家在实验室里从未见过违反量子力学的情况，但该理论不断违反“常识”。由量子力学引进的概念实在新奇，以至于欧文·薛定谔在1935年设计了一个巧妙的“思维实验”，捕捉到了它的明显荒谬。

想象在盒子里有一瓶毒气和一只被困的猫，盒子不允许被打开。显然，我们不能窥视盒子的内部，我们只能说猫也许死了，也许活着。现在，想象一下，那瓶有毒气体被连接到能探测铀矿石辐射的盖革计数器（单个铀原子核分解释放辐射，将引发盖革计数器，接下来瓶子会被打破猫会死亡）。

根据量子力学，我们不能确切地预测一个铀原子核何时解体。我们只能计算数十亿个原子核瓦解的概率。因此，描述单个铀原子核，量子力学通常假设它为两种状态的混合物——一种状态是铀核是惰性的；另一种状态是已经衰变。猫则由含有猫无论是死是活的概率的波函数描述。换句话说，我们必须在统计上假设猫是两种状态的混合体。

当然，一旦我们被允许打开盒子做测量，我们可以确定猫是死了还是活着。但在盒子被打开之前，根据概率，猫在统计上处于生死未卜的状态。打开盒子的行为决定了猫是死是活——根据量子力学，事实上，正是这种测量过程本身决定了猫的状态。量子力学暗示，物体在被观察到之前，存在于不确定的状态（例如死亡或活着）。

爱因斯坦被量子悖论的含义困扰，比如薛定谔的猫。他写道，“这会允许这样吗？”爱因斯坦像牛顿那样坚信客观现实，认为物理宇宙存在于精确的状态，独立于任何测量过程——测量只是确定状态的过程，不会影响结果。

量子力学的引入捅开了一个哲学思想的马蜂窝，从那以后，一直嗡嗡作响。

哲学与科学

科学家一直对哲学感兴趣。“没有认识论的科学，”爱因斯坦晚年写道，“是迟钝和糊涂的。”的确，年轻时，爱因斯坦和几个朋友成立了奥林匹亚学院，一个非正式的学习哲学的小组。欧文·薛定谔在发表波动方程的前几年，决定暂时放弃物理的职业而倾向于哲学。马克斯·普朗克在他的书《物理学哲学》中写了自由意志和决定论。

尽管量子力学科学家在亚原子水平上进行的每一个实验都取得了决定性的胜利，但它仍然提出了一个古老的哲学问题——森林中的一棵树倒下，如果没人听道，它会发出声音吗？18世纪哲学家，如伯克利主教和唯我论者会回答“不”！对唯我论者来说，生活是一场梦，除了梦想家并不实际存在。一张桌子只有当一个有意识的人观察它时，它才存在。笛卡尔曾说：“我想，我适用于唯我论者。”

另一方面，自伽利略和牛顿时代以来，科学的所有重大进步都认为，树落下是客观事实且会发出声音——物理定律客观存在且不由主观观察决定。

然而，量子物理学家——把他们的陈述建立在有效且非常成功的数学公式上——上升到了哲学高度，“不进行测量，现实是不存在的。”换句话说，观察过程创造现实。

起初，传统物理学家对这种新的世界观表示怀疑。的确，量子力学的创始人表达了他们的担忧，因为这迫使他们放弃牛顿物理学的古典世界。海森堡会记得自己在1927年深夜与玻尔的对话，几乎陷于绝望。他独自在公园散步，散步期间海森堡反复问自己一个问题——自然像这些原子实验中看起来的那样荒谬吗？但量子物理学家全心全意地接受了这一新理论，就像今天的许多物理学家一样，它控制了未来45年物理学的进程。

然而，有一个物理学家从未接受过量子理论对现实的看法，他是爱因斯坦。他反对量子力学有几个原因。首先，他不认为概率是整个理论的有效基础。他不能接受将纯粹的偶然因素构建到概率理论中。“量子力学给我印象深刻，”他写信给马克斯·伯恩，“……但我深信，上帝不会掷骰子。”

其次，爱因斯坦相信量子理论是不完整的。他争辩，“以下完整理论的要求似乎是必要的：物理现实的每一个元素都必须在物理理论中有一个配对物”，“量子力学在这方面失败了，它只能处理群体行为，而无法详细解释个别事件的理论体系”。

此外，爱因斯坦坚信因果关系，不能接受对宇宙的非客观看法。面对量子力学的实验成功，爱因斯坦给伯恩的信中写道：“迄今，我仍然相信客观真实性，然而目前，实验成功与此背道而驰。”

爱因斯坦几乎是独自一人持反对态度，其他的物理学家纷纷加入了量子潮流。直到死亡，他也认为量子理论是不完整的。爱因斯坦给一位朋友的信中写道：“在同事眼里，我变成了顽固的异教徒。”然而，这似乎并不会对他产生什么干扰。大多数人的意见仍不能使他动摇，爱因斯坦指出，“以牛顿的古老引力理论为例，它成功了200多年才被揭示出是非完整的。”

应该强调的是，爱因斯坦确实接受了量子力学的数学方程。然而，他认为量子力学是一个潜在理论（统一场论）的不完整表现。他从未放弃寻找一种理论将量子现象和相对论结合起来。当然，他未能活着看到超弦理论可能会变成这样的理论的那天。

实用主义规则

20世纪30—40年代，量子力学盛行。也许，世界上99％的物理学家在一个阵营，爱因斯坦却坚定地站在了另一边。

少数科学家，包括诺贝尔奖获得者物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）采取的立场是，测量意味着某种类型的意识。他们争辩，只有有意识的人或实体才能进行测量。因此，根据这少数人的看法，由于量子力学中所有的物质的存在都取决于测量，所以宇宙的存在取决于意识。

这不一定是人类的意识——它可以是宇宙中其他地方的智能生命，也许是外星人的意识，或者上帝的意识。自量子力学模糊了被测物体和观测者的区别以来，也许，根据他们的观点，当观察者（一个有意识的生物）首次观察时，这个世界可能会突然出现。

然而，绝大多数物理学家持务实的观点，即测量确实可以在没有意识的情况下进行。例如，照相机可以进行测量而无需“意识”。一个穿越银河系的光子的状态是不确定的，但一旦它击中相机镜头并曝光一片胶片，状态将被确定。因此，相机镜头执行的功能类似测量者。在光束击中相机之前，它处于混合状态，相机曝光胶片确定了光子的精确状态。显然，测量并非一定在有意识的观察者的情况下才发生，更不由意识决定。

［顺便说一句，超弦理论可能提供了全面看待薛定谔的猫的方式。通常，在量子力学中，物理学家会写某个粒子的薛定谔波函数。然而，超弦理论的完整的量子力学描述要求我们写出整个宇宙的薛定谔波函数。以前的物理学家写一个点粒子的薛定谔波函数，超弦理论要求我们写时空，也就是宇宙的波函数以及宇宙中所有粒子的波函数。当然，这并不能解决与薛定谔的猫有关的所有的哲学问题，但它意味着原始问题的提法（处理盒子里的猫）可能是不完整的。薛定谔的猫的问题的最终解决方案，可能需要我们对宇宙有更详细的了解。］

大多数物理学家享受了50年量子力学的巨大成功。我想起了第二次世界大战后在洛斯阿拉莫斯工作的年轻的物理学家，伟大的匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）回答一个年轻人的困难的数学问题。

冯·诺依曼回答，“简单，可以通过使用特征法求解。”

年轻的物理学家回答说：“恐怕，我不懂特征法。”

“年轻人，”冯·诺依曼说，“在数学中，你不懂的事情，只是习惯它就行。”

没有相对论，量子力学是失败的

撇开哲学问题不谈，20世纪30—40年代，量子力学就像一辆势不可挡的麦克卡车行驶在高速路上，将困扰物理学家几个世纪的所有问题变得简单。一个傲慢的年轻量子物理学家保罗·迪拉克（Paul Dirac）激怒了许多化学家，他狂妄地说，“量子力学可将化学中的一切简化为一组数学方程。”

然而，量子力学本身并不是一种完全的理论。我们应该小心地指出，只有当物理学家用量子力学分析那些比光速低得多的微观世界时它才起作用。当它试图包含狭义相对论时，麦克卡车撞上了砖墙。

从这个意义上说，量子力学在20世纪30—40年代的恢弘的成功只是侥幸。氢原子中的电子的速度通常比光的速度低很多。如果大自然创造的原子的电子速度接近于光速，狭义相对论将变得越来越重要和正确，量子力学却显得不那么成功了。

在地球上，我们很少能看到接近光速的现象。量子力学在解释日常生活方面很有价值，比如，激光器和晶体管。然而，当我们分析宇宙中超快速的和高能粒子时，量子力学将让步于相对论。

想象一下，在赛道上驾驶丰田汽车如出现以下情况——车速慢于每小时100英里时，车会表现得良好；当你试图以每小时150英里的速度行驶时，汽车可能会抛锚甚至失控。这并不意味着我们对汽车工程的理解已经过时，车必须被扔掉；相反，对于超过每小时150英里的速度，我们需要一辆经过彻底改装的汽车使其能应付如此高的行进速度。

同理类推，当处理远低于光速的速度时，狭义相对论可以忽略，科学家们发现此时的测量与量子力学的预测一致。当处理高速问题时，量子理论失效了，量子力学必须与相对论结合。

量子力学和相对论的第一次联姻是个灾难，当时，创造了一个疯狂的理论（称“量子场论”）。几十年来，它仅产生了一系列毫无意义的结果。例如，每一次，物理学家试图计算电子碰撞会发生什么时，量子场论都会预测电子碰撞为无限值。

量子力学和相对论的完全结合，必须包括狭义相对论和广义相对论，这是本世纪的一个重大的科学问题，只有超弦理论声称能解决它。

仅只有量子力学是有限的，就像19世纪的物理学家，只针对点粒子而不是超弦。

高中，我们学习力场，如重力场和电场服从“平方反比定律”——距离粒子越远，重力场和电场越弱。例如，离太阳越远，引力作用越弱。然而，这同时意味着，当人们接近粒子时，该力会急剧上升。事实上，在一个点粒子的表面，点粒子的力场必须是零平方的倒数，也就是1/0。然而，像1/0这样的表达式是无限的，定义不清。这足以使理论变得无用，包含不定式的理论无法计算，因为结果不可信。

不定式的问题困扰了物理学家50年。只有超弦理论出现，这个问题才能得到解决，因为超弦消除了点粒子，用弦替换了它们。海森堡和薛定谔所做的最初假设——量子力学应该建立在点粒子上——太严格了。一个新的量子力学可以建立在超弦理论的基础上。

然而，设法将狭义和广义相对论与量子力学结合起来的理论的机制只能在弦中被发现其迷人的特征，我们将在下面的章节详细讨论。

4　无穷大之谜

保险箱窃贼和理论物理学家有什么共同之处？理查德·费曼（Richard Feynman）是一个成功的保险箱窃贼，他打开了世界上防护最严密的一些保险箱，他也是世界著名的物理学家。根据费曼的说法，保险箱窃贼和物理学家都擅长通过看似随机的线索或者拼凑的微妙的模式找到问题的答案。

自20世纪30年代以来，物理学家们一直被一种令人沮丧的情绪吞噬——无法破解量子场论“保险箱”的任务，无法找出成功结合量子力学和相对论的关键。然而，在过去的20年，物理学家终于真正从原子对撞机的实验数据中发现了诱人线索，形成了系统的模式。

今天，我们意识到，这种模式可以表达为一种潜在的数学对称性将看似完全不同的各种力联系起来。我们将看到，这些对称性可在抵消量子场论中的分歧中发挥中心作用。发现这些对称性可以抵消这些差异也许是过去半个世纪物理学中最伟大的一课。

费曼的恶作剧

这种利用对称性以及在任何问题中提取关键因素的技巧导致费曼在1949年得出了第一个量子力学与狭义相对论的成功结合。为此，他和他的同事获得了1965年的诺贝尔奖。

这个理论被称为“量子电动力学（QED）”。以今天的标准看，这只是一个微薄的贡献，只处理光子（光）和电子（而不是弱核力或核力，更不是重力）的相互作用。但它标志着，科学家经历了多年的挫折之后，在结合狭义相对论与量子力学过程中取得了第一个重大进展。

量子电动力学理论不同于相对论，犹如费曼的个性不同于爱因斯坦。与大多数物理学家不同，爱因斯坦有一种顽皮的性格，他会抓住一切机会取笑传统社会的保守的崇拜物。如果，爱因斯坦是顽皮的，物理学家理查德·费曼就是个古怪的恶作剧者。

费曼是一名年轻的物理学家，20世纪40年代从事原子弹项目时就显示出了他爱开玩笑的性格。他为自己的窃取保险箱的能力而自豪。一天，在洛斯阿拉莫斯（Los Alamos），他连续破解了一排三个装有原子弹敏感军事方程式的保险箱。在一个保险箱中，他留下一条潦草地写在黄色纸条上的信息吹嘘自己打开保险箱有多么容易，并签名“聪明人”。在最后一个保险箱，他放入了一条类似的信息，并签名“同一个人”。

第二天，弗雷德里克·德·霍夫曼（Frederic de Hoffman）博士打开保险箱，在世界上保守最严密的信息上发现了费曼留下的神秘信息。费曼回忆道：“我曾在书本上读到过，当人感到害怕时，脸色会变得蜡黄，但我并未真正体验过。这绝对是真的。霍夫曼的脸色变成灰色、黄绿色——非常可怕。”霍夫曼博士看了那张由神秘的“同一个人”签名的纸条，立刻喊道，“‘同一个人’一直试图进入欧米茄大楼！”霍夫曼博士歇斯底里地得出了错误结论：“保险箱窃贼是那个明显在窥视洛斯阿拉莫斯的另一个绝密项目的人。”费曼很快做出了坦白，他成了罪魁祸首。

费曼在处理物理世界的一个更困难的问题时，展示了自己打开保险箱的天才能力，他消除了量子场论中的无穷性。

S矩阵——为什么天空是蓝色的？

当费曼还是麻省理工学院的学生时，他问了自己一个简单的问题：在所有理论物理中，最重要的问题是什么？显然，答案是，消除充斥在量子场论的无穷性。

费曼开始用数字预测，当诸如电子或原子之类的粒子相互碰撞时会发生什么？物理学家描述这种碰撞时，通常使用S矩阵这个术语（S代表“散射”）。它仅是一组数字，包含了粒子碰撞时发生的所有信息。它告诉我们，多少粒子会以某一角度散射一定数量的能量。

计算S矩阵非常重要，如果S矩阵是完全已知的，预测材料的几乎所有特性将在原则上成为可能。S矩阵的一个重要之处是，它能解释令人困惑的日常现象。例如，19世纪的物理学家使用粗糙形式的S矩阵说明太阳光在空中的散射，我们第一次能解释天空为什么是蓝色的，夕阳是红色的。

当我们在白天看天空时，我们主要看到的是从空气分子中反弹出来并在所有方向散射的太阳光。因为蓝光散射比红光更容易，来自天空的光大多是散射光，所以天空看上去是蓝色的。（如果我们想象一个没有空气的世界，白天的天空也是暗色的，因为没有散射光。月球上，没有空气散射阳光，白天的天空看起来也是黑色的。）

同时，因为相反的效果，日落看起来是红色的——我们主要看到了太阳本身，而非散射光。日落时，太阳位于地平线附近，所以来自夕阳的光必须水平传播到达我们的眼睛，从而穿过一个相对大量的空气。当阳光到达我们身边时，只有红色光未被散射。

20世纪30年代的量子物理学家计算氢原子和氧原子碰撞的S矩阵时，他们证明水会被创造出来。事实上，如果我们知道原子间所有可能的碰撞的S矩阵，原则上我们可以预测所有可能分子的形成，包括DNA分子。最后，这意味着S矩阵掌握了生命本身的起源。

事实上，物理学家必须面对一个根本问题——当传播速度近于光速时，量子力学将失效。早在1930年，罗伯特·奥本海默就发现当狭义相对论与量子力学结合时，会预测出S矩阵一系列无用的无穷大值。他写道，除非这些无穷大值能被消除，否则这个理论必须被丢弃。

20世纪40年代，费曼使用他最好的窃取保险箱技术，在纸片上涂鸦，用图画描绘当电子相互碰撞时发生的事情。由于每个涂鸦实际上是大量乏味数学的速记符号，费曼能浓缩数百页的代数，隔离麻烦的无穷大。这些数学涂鸦让他比那些迷失在复杂数学丛林中的人看得更远。

毫不奇怪，“费曼图”是物理界争论的焦点，在这个问题上物理学家们意见不一。因为费曼无法推导出他的规则，他的批评者认为，这些图表是荒谬的，或许只是他的另一个著名的笑话。一些批评者更喜欢另一个量子电动力学版本，由哈佛大学的朱利安·施温格（Julian Schwinger）和东京大学的友永一郎（Shinichiro Tomonaga）建立。然而，更有洞察力的物理学家意识到，费曼正在用这些图片做一件有潜力的意义深远的事情。普林斯顿物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）解释了这种混乱的来源：

迪克的物理学对普通人如此困难的原因在于他未使用方程式。自牛顿时代始，通常的理论方法为建立方程式，然后努力计算方程的解。迪克只是写下了自己脑袋中得出的解，未写出方程式。他对事情的判断只需要一个物理图像，他能通过这个图像得出解，只需最少的计算。那些毕生致力于求解方程的人一定会被他弄糊涂——他们的思想是分析性的；迪克的方法是图画。

费曼的涂鸦很重要，因为它们允许他充分利用规范对称的力量，这引发了一场物理学革命，并一直延续至今。

组装式玩具和费曼图

想想玩组装式玩具。假设只有三种类型：直棒（移动的电子），波浪形棒（移动的光子），以及一个可以将一根波形棒和两根直棒连接起来的接头（代表互动）。

假设我们以所有可能的方式连接这些组装式玩具。例如，从两个电子的碰撞开始。很简单，我们可以使用这些组装式玩具创建一个无限序列的图以描述两个电子如何碰撞。

这些图表看似非常简单。有一个无限数量的费曼图，每个代表一个一定的数学表达式，这些图的叠加会产生S矩阵。只要稍加练习，即使没有物理知识的人也能创建数百个组装式玩具图以描述两个电子如何碰撞。

本质上，可以组装两种类型的组装玩具：“循环的”（例如最后一幅图），以及“树状的”（不包含循环，类似于树的分支，像第一幅图）。

费曼发现，这些树状图是有限的，并能通过实验产生好结果。但循环图非常麻烦，能产生无意义的无穷大。从本质上说，20世纪40年代的量子物理学家重新发现了19世纪物理学家发现的问题，即发现点粒子的能量是1/0。

今天，超弦理论很可能会消除所有的这些无穷大，不仅是电子和光子的无穷大，甚至重力相互作用中的无穷大。然而，费曼在20世纪40年代就发现了量子电动力学中无穷大问题的局部解。

费曼的解非常新颖，尽管有争议。量子电动力学是一种有两个参数的理论——电子的电荷和质量。除了狭义相对论，麦克斯韦方程也有另一种对称，叫“规范对称”。（波动方程定义在空间和时间的每个点上。如果在空间和时间的每一点做相同的旋转，方程式保持不变，该方程具有全局对称性。如果在空间和时间的每一点做不同的旋转，方程式保持不变，该方程具有更复杂的对称性，称局部对称性或规范对称性。我们现在知道，规范对称可能是消除量子场论中的不良特性的唯一方法。）它允许费曼重组一大堆图表，直到他发现可以简单地重新定义电子的电荷和质量以吸收或取消无穷大。

起初，这种处理无穷大的妙招受到了强烈质疑。毕竟，费曼的方法假设电子的原始质量和电荷（“基本的”质量和电荷）一开始就是无限的，但是它们吸收了（“重整化的”）图中出现的无穷大，然后变成有限的。

无穷大减去无穷大能产生有意义的结果吗？（或者，用物理语言，∞-∞=0吗？）

对批评家来说，使用一组无穷大（源于循环）来取消另一组无穷大（源于电荷和质量）看起来像室内魔术。事实上，狄拉克多年来一直批评重整化理论太笨拙，不能真正代表我们对自然的理解的深刻飞跃。对狄拉克来说，重整化理论就像一个以赌牌为生的老手快速清洗他那幅费曼图，直到带有无穷大的牌神秘地消失。

“这只是不明智的数学，”狄拉克曾说，“明智的数学是当一个量变得很小时可以忽略这个量——不忽略它是因为它是无穷大，而你并不需要它！”

然而，实验结果是不可否认的。20世纪50年代，费曼的重整化新理论（提供一种吸收无穷大的方式）允许物理学家以不可思议的精度计算氢原子的能级。没有其他理论能接近量子电动力学理论那惊人的计算精度。尽管该理论只适用于电子和光子（而不是弱力、强力或重力），但它惊人的成功不可否认。

在证明费曼的理论与施温格（Schwinger）和加来（Tomonaga）等价后，这三人在2006年分享了诺贝尔奖。事后看来，我们认识到，真正的成就是他们利用了麦克斯韦的规范对称性，这是在量子电动力学中神秘地消除无穷大的主要原因。这种一次又一次发现的对称性和重整化之间的相互作用是物理学重大的秘密之一。超弦理论有着物理学中从未发现过的最大的一组对称性，强大的对称性是超弦理论具有奇妙性质的核心原因。

重整化理论的失败

20世纪50—60年代，费曼的规则风靡物理学。美国顶级实验室的黑板曾经写满了稠密的方程，现在已被树和圆圈填满了。似乎每个人都突然变成了在纸片上涂鸦和构建组装式玩具般的图表的专家。物理学家推断，既然费曼定律和重整化在解决量子电动力学问题上如此成功，那么，它极可能再次成功，强力和弱力也可能被“重整化”。

事实上，费曼的规则不足以使强力和弱力的相互作用重整化。没有全面认识规范对称性的物理学家走进了数百条死胡同，他们全部失败了。

最后，经过了20年的混乱，在弱力相互作用中取得了关键突破。自麦克斯韦时代以来几乎100年了，自然力首次向着统一迈出了另一步。解决谜题的关键仍然是规范对称。

重整化与弱相互作用

弱相互作用涉及电子及名为“中微子”伙伴的行为。（弱相互作用粒子统称为“轻子”。）在宇宙的所有粒子中，中微子也许是最奇怪的，因为它是迄今为止最难找到的——它没有电荷，可能没有质量，且非常难以察觉。

中微子是沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年基于纯粹的理论基础解释放射性物质中奇怪的能量损失做出的预测。泡利推测，丢失的能量被实验中看不到的新粒子承载。

1933年，伟大的意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）发表了第一篇这种难以捉摸的粒子的综合理论，他称这个粒子为“中微子”（意大利语中的“小中立者”）。当然，由于中微子的想法源自推测，他的论文在初期遭到了英国自然杂志的拒绝。

众所周知，中微子实验非常困难，因为中微子非常有穿透力，且不会留下任何痕迹。事实上，它们可以轻易地从太空进入地球，穿透地球核心，进入我们的身体。每一秒，我们的身体都充满了这些中微子。如果我们整个太阳系都充满了固体铅，一些中微子仍然能穿透那可怕的屏障。

中微子的存在终于在1953年在一项困难的实验中得到证实。这项实验是研究核反应堆产生的巨大辐射。自中微子发现以来，多年来，发明者一直试图研究它的实际用途，最雄心勃勃的是建造中微子望远镜。

使用这种望远镜我们能直接探测数百英里厚的岩石，从而发现新的石油矿藏和稀有矿物。透过地壳和地幔，我们或许能发现地震的起源，并有可能预测到它们。中微子望远镜的想法非常好，但也存在一个问题：我们如何找到能停止中微子移动的摄影胶片？能穿透数万亿吨岩石的粒子，穿透摄影胶片应该非常容易。

［另一个建议是，制造一枚中微子炸弹。物理学家海因茨·佩尔斯（Heinz Pagels）写道，“这是和平主义者最喜欢的武器”。这样一个炸弹的造价与常规核武器无异，会呜咽爆炸，用大量中微子淹没目标区域。“在吓坏了所有人之后，中微子会无害地穿过一切物体。”］

除了中微子，其他弱相互作用粒子的发现也渐渐加深了人们对弱相互作用奥秘的认识，例如“μ介子”。早在1937年，当人们在宇宙射线照片中发现这个粒子时，它看起来与电子极为相似，只是比电子重200多倍。似乎，它只是一个重电子。令物理学家感到不安的是，电子似乎存在一个无用的孪生兄弟——除了更重以外，它们没有区别。为什么大自然要创造一个电子的副本？哥伦比亚物理学家、诺贝尔奖获得者伊希斯多尔·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi）在谈到这个多余粒子的发现时，喊道，“谁下达的命令？”

更糟糕的是，物理学家在1962年使用了长岛布鲁克海文的原子破碎机向我们展示了μ介子有自己独特的伙伴，μ子中微子。1977—1978年斯坦福大学和德国汉堡的研究表明，还存在另一个多余的电子，它比电子质量重3500倍。人们将它称为τ粒子，它也有自己单独的伙伴，τ中微子。现在，有三种电子，每种都有自己的中微子，除了质量，每种都与电子族相同。3个多余的轻子对或3个轻子家族的存在动摇了物理学家对自然的简单性的信心。

面对弱相互作用的问题，物理学家使用了由来已久的技术：应用从以前理论窃取的分析类比创造新的理论。量子电动力学的本质是将电子之间的力解释为光子的交换。同样推理，物理学家推测电子和中微子之间的作用力是由一组称为W粒子（W代表“弱”）的新粒子的交换引起的。

产生的包含电子、中微子和W粒子的理论可以用三种组装式玩具来解释：直棒（代表电子）、点状棒（代表中微子），螺旋（代表W粒子）以及接头相互作用。当电子与中微子相互作用时，它们只是交换了一个W粒子。

此外，经过一些练习，组装W粒子交换产生的数百个弱交互过程的费曼图并不难。

然而，问题是，这个理论不可标准化。不管费曼的把戏使用得多巧妙，该理论仍会被无穷大困扰。问题是W粒子理论本身存在一种基本缺陷——它没有麦克斯韦方程那样的规范对称性。

因此，弱相互作用理论被冷落了30年。不仅实验很难进行（因为众所周知的难以捉摸的中微子的原因），W粒子理论也不可接受。物理学家对这一理论进行了几十年的深入研究，也没能取得重大突破。

电弱理论的成功

1967—1968年，史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）注意到光子和W粒子惊人的相似性。然后，他们发表了以下意见：尽管爱因斯坦曾试图将光与重力结合起来，也许正确的统一方案是将光子与弱相互作用的W粒子统一起来。这个新的W粒子理论叫电弱理论，与此前的理论有着决定性的不同，因为W粒子理论使用了当时可用的杨-米尔斯理论的最复杂形式的规范对称性。该理论于1954年被提出，比麦克斯韦具有更多的做梦也想不到的对称性。（我们将在第7章解释。）

杨-米尔斯理论包含了一种新的数学对称性［数学上表示为SU（2）×U（I）］，这允许温伯格和萨拉姆在同一个基础上将弱力和电磁力结合在一起。这个理论将电子和中微子系统地处理为一个“家族”。就理论而言，电子和中微子实际上是同一枚硬币的两面。（然而，该理论并未解释为什么有三个多余的电子家族。）

尽管该理论在那个时代是最雄心勃勃和最先进的理论，但它并未引起太多人的注意。物理学家认为，它可能是不可标准化的，就像所有的其他死胡同，充满了无穷大。

温伯格在他的原始论文中推测，杨-米尔斯的W粒子理论可能是可重整化的，但没有人相信他。然而，这一切在1971年发生了变化。

在经历了30年的在W粒子理论中的无穷大痛苦之后取得了戏剧性的突破，24岁的荷兰研究生杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）证明了杨-米尔斯理论可重整化。他仔细检查他的计算，显示无穷大消除了，胡夫特将计算放在电脑上。人们可以想象胡夫特在等待结果时的兴奋。他后来回忆：“那次测试的结果是1971年7月获得的，程序的输出是一个不间断的零的字符串。每一个无限都被完全消除了。”

几个月内，数百名物理学家争相学习胡夫特的这项技术和温伯格和萨拉姆的理论。第一次，实数而不是无穷大从S矩阵中涌出。早些时候，1968—1970年，物理学家没有一篇文章引用温伯格和萨拉姆的理论。然而，1973年，他们的研究结果的影响逐渐被大家认识，有162篇关于他们理论的论文发表。

不知何故，物理学家们仍未完全理解构建在杨-米尔斯理论中固有的对称性是如何消除无穷大的，如何解决了早期W粒子理论的无穷大问题。其原因是，对称和重整化之间惊人的相互作用（我们将在第7章中详述）。这也是几年前研究量子电动力学的物理学家们所做的发现的再现——对称性以某种方式消除了量子场论中的分歧。

格拉肖——革命的无政府主义者

史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）都来自纽约著名的布朗克斯科学高中，他们在那里是最好的朋友，并为科幻俱乐部杂志撰写文章。布朗克斯科学高中产生了三位诺贝尔物理学奖获得者——比世界上其他任何一所高中都多。

虽然温伯格和格拉肖得出了关于统一的同样的结论，但他们的气质却是相反的。他们的一个朋友告诉《大西洋月刊》，“史蒂文是保皇派，谢尔登是革命无政府主义者。史蒂文独立工作效果最好，谢尔登与他人合作效果最好。史蒂文敏感而私密，谢尔登好交友……”

格拉肖在他的风格中表现出的可能是一个疯狂的“革命的无政府主义者”，他达成想法的方式是不断地冒出新思想，很多都是疯狂和不可能的，但也有一些包括了物理学的真正突破。当然，他依靠别人的帮助否决坏思想，但他拥有许多人缺乏的创造本能。在理论物理学中，光有聪明是不够的，还需要创造力，奇怪的想法是科学发现必不可少的过程。

格拉肖喜欢发明新粒子颠覆物理学已有的基础。在他提出一个特别不寻常的粒子之后，他的合作者霍华德·乔治说，“这是格拉肖向物理学已有基础扔石头的另一种方式。”

格拉肖还有一个古怪教授的名声。在加来道雄还是哈佛大学的一名本科生时，他选修了格拉肖的一门经典电动力学课程。期末考试，当所有学生都在汗流浃背地完成这些问题时，格拉肖脱口而出，“哦！对了！第5个问题的答案我自己也弄不明白。如果你们有人找到了答案，请告诉我。”（班上的每个人都惊讶地互相盯着看。）

格拉肖在1979年因电弱理论获得诺贝尔奖，他在获奖感言中说：“1956年，我开始研究理论物理，基本粒子的研究就像用小块布缝缀的被罩。电动力学、弱相互作用和强相互作用是明显分开的，是单独教授和单独研究的学科。没有一个连贯的理论可对这一切进行描述。现在，情况变了。今天，我们有了一个被称为基础物理的标准理论，强、弱和电磁相互作用都能源自单一的原则。这个理论已成为了集成的艺术品，小块布缝缀的被罩已成为了一副挂毯。”

介子与强力

物理学家们被电弱理论的巨大成功冲昏了头脑，开始将注意力转向强力的解决。

会第三次取得成功吗？

规范对称性消除了QED和电弱理论的分歧。规范对称性也是消除强相互作用中的无限性（无穷大）的关键吗？答案是肯定的，但是在持续了几十年的大量混乱之后。

强相互作用理论的起源可追溯到1935年，当时，日本物理学家汤川秀树提出，原子核里的质子和中子是通过称为“π介子”的粒子交换聚合在一起的。就像量子电动力学一样，电子和原子核之间的光子交换将原子结合在一起，汤川通过类比提出这些介子的交换将原子核结合在一起，他甚至预测了这些假设的粒子的质量。

汤川秀树第一个提出自然界中的短程力可以用大量粒子的交换来解释。事实上，汤川秀树的介子思想提供了原创灵感，使几年后的其他物理学家提出W粒子作为弱力的载体。

1947年，英国物理学家塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）在他的宇宙射线实验中发现了介子。这个粒子的质量非常接近汤川秀树12年前的预测。由于汤川秀树在揭开强力奥秘时做的先驱工作，他在1949年获得了诺贝尔奖，鲍威尔获得了1950年的诺贝尔奖。

尽管介子理论取得了相当大的成功（还是可重整的），但它绝不是终点。20世纪50—60年代，物理学家利用各个国家实验室里的原子粉碎机发现了数百种不同类型的强相互作用的粒子——“强子”（包括介子和其他强相互作用的粒子，如质子和中子）。

数百个强子的存在使我们陷入困境。没人能解释在探测亚原子领域时为什么自然会突然变得复杂，而不是越来越简单。相比之下，20世纪30年代，事情似乎很简单——人们认为宇宙由四种粒子和两种力组成（电子、质子、中子、中微子，光和重力）。根据定义，基本粒子的数量应该很少，但20世纪50年代的物理学家被国家实验室发现的新强子淹没。显然，需要一种新理论在这种混乱中找出一些新道理。

诺贝尔奖获得者恩里科·费米观察了大量的新强子，每个都有一个奇怪的希腊名字，他曾哀叹，“如果我能记住所有这些粒子的名字，我一定会成为植物学家。”

罗伯特·奥本海默开玩笑地说，“诺贝尔奖应该颁给那年未发现新粒子的物理学家。”

至1958年，强相互作用粒子数量增长已非常快，以至于加州大学伯克利分校的物理学家出版了一份年鉴对其跟踪。第一本年鉴有19页，分类了16个粒子。1960年，粒子的数量大大增加，以至于出版了页码更厚的年鉴。至1995年，这份名单已超过了2000页，描述了几百个粒子。

汤川的理论虽然可以重整，但仍过于原始，无法解释实验室里出现的众多的粒子。显然，重整化是不够的。正如我们前面看到的W粒子理论中缺少的成分是规范对称性。经过几十年的困惑，利用规范对称性力量的同一经验也要用到强力上。

世界内部的世界

寻找类比的物理学家们会想起19世纪化学家曾面临的困惑。那时，化学家问我们，已知存在的数十亿种化合物怎么可能完全理解。第一次突破发生在1869年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫展示了这些化合物可以被还原成一组简单的元素，被安排在门捷列夫周期表的美丽图表中。每个高中生都在化学课上学习过这张图表，它使混乱变得有序。

当时的门捷列夫仅列出了60种元素（今天已知有100多种）。他在表上留下了很多“洞”，以预测尚未被发现的新元素的存在和性质。这些丢失的元素被实际发现恰好出现在门捷列夫预测的地方，证实了门捷列夫周期表的正确性。

20世纪30年代，量子物理学家展示了周期表可用服从量子力学定律的3个粒子来解释——电子、质子和中子。当然，将几十亿个化合物减少到周期表中大约100个元素，最后降至3个粒子是我们理解自然的重大飞跃。

现在的问题是：同样的技术能否用到我们实验室中发现的数百个强子？关键问题是，找到一种对称性使数据有意义。

20世纪50年代，第一个重要的观察由一群日本物理学家做出，最直言不讳的发言人是名古屋大学的日本物理学家坂田昌一。坂田昌一小组引用黑格尔和恩格斯的哲学著作，声称强子应由这些粒子中的3种组成，介子应该由这些粒子中的2种组成。他的小组甚至提出，亚粒子服从一种新的对称类型，叫做SU（3），它描述了3个亚核粒子的混合方式。这种数学对称性SU（3）允许坂田昌一小组对强子的下层进行精确的数学预测。

坂田学派的哲学和数学上的理由是物质应由无限组的子层组成，这也被称为世界内的世界或洋葱理论（有时）。根据辩证唯物主义，物理现实的每一层都是由两极的相互作用创造。例如，恒星和恒星相互作用形成星系；行星和太阳相互作用产生太阳系；原子之间的相互作用产生分子；电子和原子核相互作用产生原子；最后，质子和中子相互作用产生原子核。

然而，当时的实验数据太粗糙，无法检测他们的预测。在20世纪50年代，人们对这些奇异粒子的特殊性质的认识还不足以证实或否定坂田学派的理论。

20世纪60年代初，认为强子之下存在亚层的想法出现了下一个突破，当时加州理工学院的莫里·盖尔曼（Murray Gellmann）和以色列物理学家尤瓦尔（Yuval Neoman）表明这数百个强子以“8”的模式出现，很像门捷列夫的周期表。盖尔曼异想天开地称这个数学理论为“八重法”。他在八重法表上寻找“漏洞”，像他之前的门捷列夫一样，盖尔曼可以预测尚未被发现的粒子的存在甚至特性。

如果八重法可与门捷列夫周期表相媲美，那么，构成周期表中原子的电子和质子的对应物是什么？

后来，盖尔曼和乔治·茨威格（George Zweig）提出了完整的理论。他们发现八重法的出现是因为亚核粒子的存在（盖尔曼称之为“夸克”，出自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的觉醒》），这些粒子遵循坂田学派几年前提出的对称性SU（3）。

盖尔曼发现，通过简单地组合三个夸克可以奇迹般地解释在实验室中发现的数百个粒子，更重要的是预测新粒子的存在。（盖尔曼的理论，虽然在许多方面与坂田的理论类似，但使用了与坂田稍许不同的组合，纠正了坂田理论中一个小且重要的错误。）事实上，通过适当组合3个夸克，盖尔曼能描述几乎所有在实验室里出现的粒子。由于他对强相互作用的物理学的贡献，盖尔曼于1969年获得诺贝尔奖。

与夸克模型一样成功的是，它留下了一个喋喋不休的问题：能解释将这些夸克聚集在一起的力的令人满意的可重整化理论在哪儿？因此，夸克理论仍然是不完整的。

量子色动力学

与此同时，20世纪70年代早期，充满激情的温伯格和萨拉姆的电弱理论也影响到了夸克模型。自然的问题是：为什么不试试用对称性和杨-米尔斯场消除分歧？

虽然结果尚无定论，但今天有一种实际上的普遍认识，认为杨-米尔斯理论奇妙的性质和对称性可以成功地将夸克束缚到可重整的框架中。在某些情况下，一个被称为“胶子”的杨-米尔斯粒子可以表现得好像是黏性的胶状物质将夸克黏合在一起。这就是所谓的“色”力，由此产生的理论为“量子色动力学”（简称QCD ），这个理论被广泛认为是强相互作用的最终理论。初步的计算机程序表明杨-米尔斯场的确束缚了夸克。

随着杨-米尔斯理论和量子色动力学的成功，物理学家问：自然真的如此简单吗？到目前为止，物理学家陶醉于成功。使用规范对称（以杨-米尔斯理论的形式）来创建可重整化的理论的神奇的公式，似乎是某种成功的药方。

下一个问题是：会取得第四次成功吗？能够创建一个强、弱和电磁相互作用的统一理论吗？答案似乎仍然是肯定的。

5　寻找顶夸克

1994年7月，物理学家在全世界的实验室中举起香槟，难以捉摸的“顶夸克”终于被人们发现。新闻稿发布时，芝加哥郊外的费米国家实验室的物理学家几乎不能抑制他们的兴奋。

《纽约时报》立刻在头版位置大肆宣传这个胜利。在最近的记忆中，全国性报纸的首页还出现过新的亚原子粒子的报道。突然，数百万对原子完全不了解（甚至对原子没有兴趣）的人开始发问，“什么是顶夸克？”

纽约的NBC电视新闻随机询问镇上的人是否知道什么是顶夸克。（经过一些滑稽的猜测，一个人做出了令人惊讶的准确的现场回答。）喜剧演员开始将顶夸克变成他们的替身，顶夸克是第一个在15分钟内就获得名声的粒子！

寻找脚趾夸克

顶夸克成为最重要的夸克的原因是，它是完成“标准模型”所必需的最后一个夸克，此“标准模型”是当前的和最成功的粒子相互作用理论。对粒子物理学家来说，这个理论是半个世纪以来解开亚原子之谜的艰苦努力所取得的最终最高成就。粒子物理学这章结束了，物理学的新篇章开始了。

自1977年以来，在费米国家实验室发现“底夸克”后不久，物理学家一直在寻找这种难以捉摸的粒子。然而，在过去的15年，未能探测出更重的顶夸克的存在。物理学家越来越紧张，如果顶夸克不存在，基本粒子物理学将会像一座纸牌房子那样坍塌。在国际粒子物理学家会议上，这似乎成了一个笑话，一次又一次的实验都没能找到顶夸克。

正如诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格所说，“大量的理论认为，顶夸克一定存在。如果不是这样，很多人会感到尴尬。”

为了捕捉顶夸克，费米实验室的兆电子伏特的粒子加速器，产生了两条高能亚原子粒子光束绕着一个大的圆形管道回旋，但是在相反的方向行进。第一束由普通质子组成；另一束以相反的方向在第一束的下面行进，由反质子（质子的反物质孪晶，携带负电荷）组成。然后，加速器合并这两个循环光束，将质子以接近2万亿电子伏特的能量粉碎反质子。这样，突然碰撞释放出的巨大能量泄出一股亚原子洪流。

使用一组复杂的自动照相机和计算机，物理学家随后分析了超过10000亿张碎片的照片。肉眼看来，这些照片像蜘蛛网，从一个点发出长的弯曲的纤维。对训练有素的眼睛来说，这些纤维代表了亚原子粒子在碰撞中爆炸发出的轨迹。随后，物理学家团队仔细研究数据，筛选照片，直到选择了有顶夸克碰撞“指纹”的12次碰撞。

物理学家随后估计，顶夸克的质量为1740亿电子伏特，它成为了有史以来人们发现的最重的基本粒子。事实上，它非常重，几乎和金原子一样重（包含197个中子和质子）。相比之下，底夸克的质量仅为50亿电子伏特。

考虑到巨大的风险，以及需要大量数据证实它的存在，费米实验室的物理学家小心翼翼地说，他们的顶夸克的证据并不确凿。事实上，顶夸克是如此巨大和难以捉摸，以至于需要来自36个机构的440多名科学家英雄般的努力去抓住它。（这引发了关于需要有多少物理学家拧紧夸克灯泡的笑话。）即便如此，他们仍然含糊其辞地打赌，他们有0.25％的概率是错的。

该集团的发言人之一，威廉·卡里瑟斯承认，“我们处于中间地带，我们看见的事件过多，不能忽视且又太小，不能说找到了。”

8个月后，该小组和使用同一加速器的竞争小组联合宣布，“所有疑问都已消除，总计拍摄到38张顶夸克碰撞的照片，顶夸克终于被捕获了。”

几代夸克

为了理解找到顶夸克的重要性，我们需要知道夸克有几对，或称“几代”。最低的一对被称为“上”和“下”夸克。当3个这些轻夸克结合在一起，我们找到了熟悉的构成可见宇宙，包括我们体内的原子和分子的质子和中子。（3个夸克组成了质子和中子。例如，质子由2个上夸克和1个下夸克组成，中子由2个下夸克和1个上夸克组成。）每组上和下夸克又有3种不同的“颜色”，总共6个夸克构成了第一代。（这种“颜色”与熟悉的颜色概念无关。）

下一对较重的夸克被称为“奇异”夸克和“粲”夸克。当它们结合在一起时，会形成许多粉碎原子所产生的碎片中发现的重的碎片。这些夸克也有3种颜色。

物质最深的秘密之一是，为什么第一代和第二代夸克几乎都是彼此的复制品（即使今天，也不能理解）。除了第二对比第一对重以外，事实上，它们几乎具有相同的属性。奇怪的是，从根本上说，大自然在构造宇宙时，竟然能接受高度无用的冗余。

1977年，底夸克的发现意味着一定有第三代多余的夸克和一个缺失的顶夸克填满第三对。因此，标准模型的基础是基于三代夸克，每一代与上一代都是相同的，除了质量之外。

今天，物理学家说，夸克有6种“味道”［上、下、奇异、粲、底和顶］以及3种颜色，这就产生了18种夸克。每个夸克也存在一个反物质孪晶。当我们加入反夸克时，夸克的总数可达到36个。（这个数字比20世纪30年代发现的亚原子粒子总数还多。当时，许多物理学家认为，电子、质子和中子足以描述宇宙中的所有物质。）

标准模型

目前，没有实验偏离标准模型。因此，这可能是在科学史上被提出的最成功的理论。然而，大多数物理学家发现标准模型不吸引人，因为它异常丑陋不对称。（关于物理学对称性的更详细讨论，见第7章。）因为实验非常成功，大多数物理学家认为标准模型只是通向真正的万物理论的中间步骤。原因是标准模型很丑陋，它是通过蛮力将电磁力、弱力和强力黏合在一起形成的理论。想想，尝试将显然不合适的三块拼图强行拼在一起，拼接它们的带子就是标准模型。

为了理解这个理论有多丑陋，让我们总结一下各种零件是如何装配在一起的。

首先，强相互作用用36种夸克描述，得出6种口味，3种颜色，以及物质/反物质对。将它们黏合在一起形成质子和中子的“胶水”是胶子（由杨-米尔斯场描述），总共有8个胶子场。综合起来，这个理论被称为量子色动力学，或“色”相互作用理论。

弱相互作用也有类似的生成问题。第一代有电子和中微子，第二代有μ子和它的中微子，第三代有τ粒子及其中微子。这些粒子被统称为“轻子”，它们是在强相互作用中被发现的夸克的对应物。这些轻子反过来通过交换W粒子和Z粒子（它们是巨大的杨-米尔斯场）相互作用，总共有四种这样的粒子。

然后是电磁相互作用，这是由麦克斯韦场调节的。

最后，还有一种“希格斯粒子”（一种允许我们打破杨-米尔斯场对称性的粒子）。除了希格斯粒子之外，其他粒子都是在原子粉碎机中发现的。

目前，物理学家探测亚原子粒子的相互作用已超过10000亿电子伏特，未发现任何实验偏离标准模型。然而，尽管这个理论具有无可否认的成功，但它没有吸引力。我们知道，它不能成为最终的理论，因为：

1．它有如此奇异的夸克、轻子、胶子、W粒子和Z玻色子。

2．夸克和轻子都有整整三代，它们不能被区分（除了它们的质量）。

3．它有19个任意参数，包括轻子的质量，W粒子和Z玻色子的质量，强相互作用和弱相互作用的相对强度等。（标准模型不确定这19个数字的值。它们是在模型中无正当理由地临时插入的，且是通过仔细测量这些粒子的性质被确定。）

作为一个指导原则，爱因斯坦总会问自己这个问题：如果你是上帝，你会如何构建宇宙？当然不是用19个可调参数和一大群多余的粒子。理想情况下，你只需要1个可调整参数（或者没有可调参数），只用1个对象构造自然界中所有的粒子，甚至可能是空间和时间。

通过类比，我们看门捷列夫周期表，以及它的100多种元素集合，这是“上个世纪的粒子”。没人能否认门捷列夫周期表在描述物质的构造砖块上取得的成功。但事实上，它是随机选择的，有数百个任意常数，因此是不吸引人的。今天，我们知道，整个表可以用3个粒子来解释——中子、质子、电子。同样，物理学家认为，标准模型存在奇怪的多余夸克和轻子，应该由更简单的结构构成。

GUT和重整化

将这些粒子彼此重组的最简单的理论叫做SU（5），是哈佛大学霍华德·乔治（Howard Georgi）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）在1974年提出的。在这个“大统一理论（GUT）”中，电子、中微子和夸克通过SU（5）对称连接。相应地，光子，弱相互作用的W粒子，以及强相互作用的胶子拼凑在一起形成另一个力的家族。

因为强相互作用与电弱力联合的能量超出了我们现在的粒子加速器的范围，所以GUT理论很难被检验。尽管如此，GUT理论确实做了一个惊人的可用今天的技术测试的预测。

这个理论预测夸克可以通过发射另一个粒子变成电子。这意味着质子（由3个夸克组成）最终会衰变为电子，且质子的寿命是有限的。GUT理论的这个认为质子最终会衰变为电子的惊人的预测，已促使全世界新一代的实验物理学家努力测试。（虽然几组实验物理学家用埋在地球深处的探测器正寻找质子衰变的证据，但目前还没有人能决定性地确定质子的衰变。）

回想起来，尽管GUT理论代表了一种非凡的进展，将电弱力和强力统一起来，但存在严重的实验问题。例如，除了质子衰变实验之外，很难甚至不可能直接测试GUT理论。

更重要的是，GUT理论在理论上也不完整。例如，它未解释为什么有这些粒子族（电子、μ和τ）的3个副本。此外，数十个任意常数（例如夸克的质量，轻子的质量和希格斯粒子的数量）贯穿整个理论。那么多未定的参数使GUT理论类似于鲁伯·戈德堡装置。对物理学家来说，一个理论具有如此多的未定参数，实在让人难以相信。）

然而，尽管GUT理论存在问题，物理学家仍然希望这个理论取得成功。一个简单的规范理论（如杨-米尔斯理论）会产生重力理论吗？

答案是否定的，尽管规范理论取得了很多成功，但在处理重力时撞上了砖墙。杨-米尔斯的形式体系仍然太原始，无法解释重力。这也许指向了GUT理论的最根本问题——尽管它很成功，但不能包含重力的相互作用。

在新思想诞生之前，在这一领域进展缓慢，新思想的建立是基于比杨-米尔斯理论更大的对称性。这个理论是超弦理论。