物理学的困惑

绪言
上帝或诸神，可能有，也可能没有。不过确实有东西令我们对神圣的追寻更加高贵。另外，人们走过的那些将我们引向真理更深层次的每一条道路，说明还有东西令我们的追寻更为人性。有的人在沉思冥想或祷告中寻求卓越，另一些人则默默地为人类伙伴服务，还有些人很幸运，拥有超群的才华，通过艺术实践而达到巅峰。
走进生命最深层问题的另一途径就是科学。并非所有科学家都是探索者，多数都不是，但在每个科学分支领域，都有那样的科学家，渴望了解学科最基本的真理。数学家想知道数是什么，数学真理描述了什么；生物学家想知道生命是什么，生命是如何起源的；物理学家想知道空间和时间是什么，世界是怎么形成的。这些基本问题很难回答，也很少有直接的进步。只有很少的科学家能耐得住那样的寂寞。
这是最冒险的事业，也有最大的回报：一旦有人回答了学科基础的某个问题，就将改变我们知道的一切。
科学家的使命是为我们的知识宝库不断添加新的东西，所以他们每天都面对着未知的事物。在学科基础领域工作的科学家们都明白，科学大厦的砖块绝不像人们想象的那么坚固。
本书讲述的是在最深层次认识自然的故事。鼓吹它的是那些在努力延伸我们的物理学基本定律的科学家们。我要讲述的时期——大约从1975年开始—— 是我个人理论物理学生涯的几十年，大概也是自开普勒和伽利略400年前从事物理学以来最奇异、最令人沮丧的几十年。
我讲的故事在某些人读来可能像悲剧。老实说——说来好笑—— 我们失败了。我们继承的这门科学（物理学），长久以来在惊人地发展着，简直成了其他科学的楷模。在过去的两个多世纪里，我们极大地扩展了对自然律的了解。但是今天，尽管我们付出了艰巨的努力，我们对那些定律的认识并不比20世纪70年代更多。
30年过去了，基础物理学却没有重大的进步，这是多么不同寻常的事情啊！即使我们回溯200年，当科学还是富家子弟的专利时，也不曾有过这样的事情。至少在18世纪后期，大约每四分之一世纪都会出现关键问题的重大进步。
到1870年，当拉瓦锡（Antoine Lavoisier）的定量化学实验证明物质守恒时，牛顿的运动和引力定律已经流行几乎100年了。虽然牛顿为我们提供了认识自然万物的框架，前景仍然广阔无边。那时，人们才开始认识物质、光、热的基本事实，正在揭开电磁等神秘现象的秘密。
在接下来的25年里，那些领域有了重大发现。我们明白了光是一种波。我们发现了带电粒子间的力的规律。因为道尔顿（JohnDalton）的原子理论，我们对物质的认识向前飞跃了一大步。我们有了能量的概念，用光的波动理论解释了干涉和衍射，还探讨了电阻和电、磁之间的关系。
现代物理学的几个基本概念出现在1830年到1855年的四分之一世纪里。法拉第（Michael Faraday）提出了场传递力的观点，极大地促进了我们对电磁现象的认识。同在那个时期，能量守恒定律也随着热力学第二定律确立起来了。
接着的四分之一世纪，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）进一步发展了法拉第的场的思想，形成了我们今天的电磁学。麦克斯韦不仅统一了电和磁，还解释了光是一种电磁波。1867年，他用原子理论解释了气体的行为。同时，克劳修斯（Rudolf Clausius）提出了熵的概念。从1880年到1905年，我们发现了电子和X射线。热辐射的研究经历了几个阶段，最终导致普朗克（Max Planck）在1900年发现了描述辐射的热性质的正确公式—— 它点燃了量子革命的燎原烈火。
1905年，爱因斯坦26岁。虽然他过去关于热辐射的物理研究在后来被证明是科学的一大贡献，但他还是没能找到学术工作。不过那还只是热身，他很快就看准了一个基本的物理学问题：首先，如何才能让运动的相对性与麦克斯韦的电磁定律协调起来？他在狭义相对论里告诉了我们答案。我们应该把化学元素看作牛顿的原子吗？他证明确实应该那样。我们如何协调光的理论与原子的存在性呢？他也回答了，而且证明光既是波也是粒子。所有这些都发生在1905年，在他作为专利局技术员的空闲时间里。
爱因斯坦的思想爆发持续了四分之一世纪。到1930年，我们已经有了他的广义相对论。它革命性地宣称空间的几何不是固定的，而是随时间演化的。他在1905年揭示的波粒二象性成长为丰满的量子理论，使我们具体认识了原子、化学、物质和辐射。同在1930年，我们还认识了宇宙包含着大量像银河系一样的星系，而且它们在相互离开。这个现象的意义尚不清楚，但我们知道我们生活在一个膨胀的宇宙中。
随着量子理论和广义相对论成为我们对世界的认识的一部分，20世纪物理学革命的第一幕结束了。许多物理教授对各自专业领域的革命感到不安，他们宽慰自己，希望还能按照常规的方式做科学，而不必关心那些基本假设。可惜他们高兴得太早了。
爱因斯坦是在下一个四分之一世纪的最后那年（1955年）去世的。那时我们学会了怎样和谐地融合量子理论与狭义相对论，这是戴森（Freeman Dyson）和费曼（Richard Feynman）那一代人的伟大成就。
我们发现了中子、中微子和千百种其他看起来基本的粒子。我们还认识到千变万化的大自然由四种力主宰：电磁力、引力、强核力（将原子核束缚在一起的力）和弱核力（决定衰变的力）。
再过四分之一世纪就到了1980年。我们那时构造了一个能解释所有基本粒子和力的实验结果的理论—— 即所谓的基本粒子的标准模型。例如，标准模型精确告诉我们质子和中子如何由夸克构成，夸克又如何通过胶子（强核力的传递者）而束缚在一起。在基本物理学历史上，我们第一次看到理论赶上了实验。从那时以来，还没有一个实验与标准模型或广义相对论相矛盾。
我们的物理知识从微观走向宏观，现在走进了一门新的宇宙学—— 大爆炸理论已经成为常识。我们发现我们的宇宙不仅有恒星和星系，还有像中子星、类星体、超新星和黑洞那样的奇异天体。到1980年，霍金大胆预言了黑洞辐射。天文学家们也有证据证明宇宙包含着大量暗物质—— 也就是既不发光也不反射光的某种形式的物质。
1981年，宇宙学家古斯（Alan Guth）提出一幅“暴胀”图景来描述宇宙的早期历史。大致说来，他的理论认为宇宙在极早时期经历了急剧扩张的一幕，这就解释了为什么宇宙在各个方向是那么相同。暴胀理论的预言看起来很可疑，不过10年前开始出现了倾向它的证据。
到我写这本书的时候，还存在几个疑问，不过总的证据还是支持暴胀预言的。
于是，到1981年时，物理学已经历了200年的茁壮成长。一个接着一个的发现深化了我们对自然的理解，因为理论和实验在每个时刻都手牵手地前进着。新的思想被检验和证实，新的实验发现得到了理论的解释。可是接下来，20世纪80年代之初，物理学的脚步停了。
我是粒子物理学标准模型建立后成长起来的第一代物理学家之一。我与大学和研究生院的朋友们见面时，大家经常问：“我们发现了什么值得我们这一代人骄傲的东西吗？”如果要说新的基本发现—— 被实验确立并由理论解释了的发现，像上面说的那些发现—— 那么我们只好承认，“没有！”外斯（Mark Wise）是标准模型之外的粒子物理学的顶尖理论家。最近，在我工作的加拿大安大略省沃特卢圆周（Perimeter）理论物理研究所的一次研讨会上，他谈了基本粒子质量来源的问题。“我们在这个问题上败得很惨，”他说，“如果要我现在谈费米子的质量问题，我可能谈到20世纪80年代就无话可说了。”接着他给我讲了一个故事：1983年，他和约翰• 普雷斯基尔（John Preskill，也是一流的理论家）去加州理工学院任教。“约翰和我坐在他的办公室里聊天…… 你知道，物理学的大佬们曾经都在加州理工，而我们现在也来了！约翰说，‘我不会忘记什么是要紧的事情。’于是他选择了夸克和轻子的质量，他把问题写在一张黄纸片上，然后把它贴在公告牌上…… 这样就不会忘记要为它们而工作。15年后，我走进他的办公室…… 谈点儿事情，我看了看公告牌，那纸片还在呢，但阳光已经洗净了上面的文字。所以问题也就消失了！”
平心而论，我们在过去的几十年里还是有两个实验发现：中微子有质量，宇宙的主角似乎是某种神秘的令膨胀加速的暗能量。但我们还不知道为什么中微子（或其他任何粒子）有质量，也不能解释其质量的数值。至于暗能量，现有的理论还不能解释。暗能量的发现不能算一个成果，因为它说明我们都忽略了某个重要的事实。除了暗能量外，我们再没发现什么新粒子和新的基本作用力，也没遇见过去25年所不曾知道的新现象。不过也别误会。我们在过去25年当然也是忙忙碌碌的，成功地把确立的理论应用于不同的对象：材料的性质、生物的分子物理学、巨大星团的动力学。至于我们对自然律的认识的扩展，确实没有实在的进步。我们探索过很多优美的思想，也做过令人注目的粒子加速实验和宇宙观测，但它们主要是为了证实现有的理论，几乎没有什么飞跃，当然也没有像过去200年那样有确定或重要的发现。如果这样的事情发生在运动场或商场，那就是撞墙了，走霉运了。
物理学为什么突然陷入了困境？我们能为它做些什么？这就是本书的中心问题。