第一章序幕 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·个意义上说终极一它把某一种科学探 索引向终点：那是一种占老的探索，探索那些不可能有更深层原 理来解释的原理。 15(
第一推动以行 终极理论之梦 第二章 一支粉笔 傻子：…为什么那七星是七颗，不多也不少，那道理真 是妙。 李尔：就因为它们不是八颖吗？ 使子：一点儿不错。你倒可以做一个很好的偻子。 莎士比亚，李尔王① 19 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。追湖这些解释的箭 头，我们发现它们在源头惊人地汇聚在一起了一这也许是我们 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， 0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 ①W.Shakespeare.King Lear,第一场第五幕。有学者认为“那七星”说的是昴 星团。傻子是一个逗国王笑的宫廷弄臣，在莎翁的戏里常有这样的角色。一译者 〉16
第二章一支粉笔 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”。心 我们可以想象，赫胥黎站在讲台上真拿着一支粉笔，可能是 从诺里奇地下的白垩层里挖出来的，也许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 化石贝壳，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，然后被压人白垩土；他还讲了像鳄鱼那样的大动物如 何会在白垩层的这里或那里出现。白垩层越深的地方，出现的动 物同它们今天的伙伴差别就越大，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，新的生命种类一开始就出现了，而且在不断演2 化。这些问题现在谁都明白一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。 ① Thomas Henry Huxley,Un a Pirce of Chalk,ed.loren Eisley(New York:Seribner, 1967). 17(
一推动是热之， 终极理论冫梦 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 的光在可见波被段的分布一模一样。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 22因斯坦和玻尔在本世纪的最初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 然原子常常被比做小小太阳系，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儿，它的能量都会增加 或减少一点儿。但是原子的状态却是离散的一原子的能量只能 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 〉18
、弟章一支粉笔 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。典型的铜化合物表现青绿色，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。1那样的光子，波长为 0.62微米，呈橘红色，它们被吸收以后，便留下青绿色的反射 23 光。Ⅲ（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而达到： 为什么？为什么原子和分子以离散的具有定能量的状态出 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年代中期建立.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，但它的人小（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几率。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。扯子力学计算表明，这两个状态的能量差是2伏特，等 ①用伏特米作能量单位时，它定义为驭动1个电子通过1伏特电池的导线所需 要的能茸。（仁这种情形，更恰当的名称是“电子伏特”，不过我还是像物理学中的 普遍用法那样，只说伏特)卜，1微米等于有万分之·米、 19(