目录 目 录 )前喜 )第一章 序幕 …1 第二章 一支粉第 16 第三章 为还原论欢呼………… 43 第四章盖子力学和它的遗墙 54 第五章 理论和实验的故事 73 第六章 美丽的理论… 106 )第七章 反对哲学 132 第八章 20世纪的布鲁斯 154 )第九章弦上的线极理论 169 )第十章直面终极 …184 )第十一章上帝怎么了 193 )第十二章 落户埃利斯 ……+…211 )新版后记 超级对撞机：一年后 221 )注释……… 226 )名词索引 249 )人名索引 262 译后记 270 冫温伯格自述小传 273 1〔
第一章序幕 第一章序幕 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，早安心 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3 前沿在令人眼花缭乱地延伸。爱因斯坦的狭义和广义相对论永远 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：以确定的位置 和速度替代粒子，我们学会了说波函数和儿率。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4 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 ①J.Donne(1572~1631)在20世纪20年代成为英美现代主义（玄学派 诗”)的先%，艾略特T.S.Eot)欣赏他的诗能将思想与感觉融为一体。有的诗意 象新奇，反映了17世纪自然科学对文学的影响。《早安》（he Good-Morrow)是他 有名的一首情诗。一洋者 ②西格弗里(Siegfried)是德国中世纪的英锥，恩格斯说他是“德国青年的L 表”。关于他的传说很多。史诗《尼贝龙根之欣》(Nibelungenlie®d)第-部讲的就是 他。关子龙血的故事，诗中只提到“这位英雄曾亲手屠戮过一头毒龙；他的皮肤因 为浴过龙血，变得像坚甲一样。”（钱春绮译）一—译者 1(
终极理论”梦 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年开始制定了一个空前巨 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于米)长的椭圆形隧道，数干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钟几 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。计划的预算大约是80亿美元。 超级对撞机遭到了强烈反对，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 5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旧悬而未决。 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 )2
第一章序移 以后大概才会重新开始。 本书不是谈超级对撞机的书，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朴么困难，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。不论在工作 台前还是咖啡桌旁，我都演练着数学公式，就像浮士德在梅菲斯 特进来时玩弄着五角犀。①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 验会表明自然确实在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6 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一它们都关联着， 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。 ①歌德《浮上德》(Fas)第一部写梅菲斯特(Mephistopheles)第一次来浮 士倦书斋的情景：梅走的时候承认、“我要走出门，有个小小障碍挡住了我”一那 障碍就是门槛上的五角星。一般认为，五角星代表耶稣的5处伤，或耶稣名字的5个 字母(Js),是他的象征，有驱邪的作用。也有人认为五角星是三位一体的三重象 征，因为它可以分解为3个三角形。—译者 3(
一 推动， 终极理论梦 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，脑海里会涌出干百个问题和条件。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 3 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，留待以后的章节慢慢回答。 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，门德河从那儿流人爱琴海；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。关子 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，那时的米利都人己 经在寻我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。重 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 ①想更多了解古希腊香学和科学的读者，请参考有关哲学史著作。例如，罗素 《西方哲学史》（上卷）、黑格尔《哲学史讲演录》（第一、二卷）、丹皮尔 (W.C.Damnpier)《科学史》（第1章）等。一译者 )4