一推动村， 终极理论之梦 名其妙的满足感，在科学传说里，有一个不知谁杜撰的故事。那 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 在芝加哥大学的一个讲话里传出来的：“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，C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⑧ 告诉我，他40年代在剑桥读书时，人们都在传说开尔文讲过那 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 4满足感。③当年轻的普朗克在1875年走进赛尼黑大学时，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 ① The Autobiography of Robert A.Millikan (New York:Prentice-Hall,1950),p.23. 也见K.K.Dr0w的笔记，s41(1950小：201. ②物理学家Abdus Salam ③伯克莱的历史学家Lawrence Badash收集了这些l9世纪末的科学满足忠的证 ,"The Completeness of Nineteenth-Century Science",/sis 63 (1972):48~58 )10
第·章序幕 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 解释化学力的本质一一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，贝克莱尔(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5 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，而且存在子所有物质。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 新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一光子。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。1939年，丹麦的玻尔(Niels Bohr) 11(
第一推动丛 终极理论之梦 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 始党得，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就曾讲过，“从众多 表面相隔遥远的思想领域出发的路线汇聚到·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。”①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。 不过那还为时尚早。第一个最终的统一理论的梦想，是在20 16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，用被函数和几率取代了牛顿力学的粒子和力。量子力学 一下子使入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，入们看清 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 ① A.A.Michelson,Light Waves and Their Uses(Chicago:University of Chicago Pes9,1903),p.163. )2
第一章序蒋 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的 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，出现了一个奇怪的新问题。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 7 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，我们发现自己也许跟着数学这条惟一能 避免无限的道路，在走向一个终极理论或那个理论的一角。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 限的惟一的道路。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。 ①P.A.M.Dirac,.“Quantur Mechanics of Many Electron Systems”，Proceedings of the Rorul Soriety A123〔1929)：713. 13(
第一推动：” 终极理论之梦 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”心美，那真美还在终极理论里等着我们。 在我们的20世纪，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，抱着耶和华那样的态度，有律在， 1必须发现它。”②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！力论）的理论。爱因斯 坦的奋斗设能成功，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，或者甚至物理帝国主义。 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 ①别忘了，引号内的词是从本章题目下面的那句诗里来的。一一译者 ②引自S.Boxer《纽约时报书评》1992年1月26日，P.3.(A.Pais即《上帝雅 以捉摸一爱因斯坦的科学与生活》的作者，那是关于爱因斯坦最权威的传记。) 一译者 )14