一堆劝入) 终极理论梦 24 于一个橘红色光子的能量。①另一方面，粉笔里的碳酸钙分子正 好没有类似的能吸收任何特殊波长光子的松散电子。至于光子， 以同样方式对它们应用量子力学原理，其性质也能得到解释。结 果发现，光子跟原子一样，也只能存在于具有确定能量的某些量 子态。例如，波长为0.62微米的橘红色光只能存在于能量为0， 2,4或6伏特…的那些量子态，我们说那些态分别包含了0， 1,2或3个光子…，每个光子的能量为2伏特。 为什么？为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的？ 为什么物质由那些粒子（电子和原子核）组成？还有，为什么存 在光那样的东西？在二三十年代，当量子力学初次用于原子和光 时，那些事情还很神秘，近15年来，随着所谓基本粒子和力的 标准模型的成功，它们才得到了很好的认识。这种新认识的一个 重要前提，是量子力学与20世纪物理学的另一伟大革命一一爱 因斯坦相对论，在0年代的结合。量子力学的原理与相对论的 原理几乎是互不相容的，只有在极有限的某些理论中才可能共 存。在20年代的非相对论量子力学里，我们可以想象在电子和 原子核中存在任何形式的力。但是，正如我们将看到的，在相对 25论的情形，就不是那么回事：粒子间的力只能产生子其他粒子的 交换。而且，所有那些粒子都是各种类型的场的能量束，或者叫 量子。像电场或磁场那样的场，是空间的一种应力，跟固体中可 能存在的各种应力差不多，不过场是空间本身的应力。每一类基 本粒子只有一种场。在标准模型里，有电场，它的量子是电子； 有电磁场（由电场和磁场组成），它的量子是光子；原子核或者 组成原子核的粒子（我们知道的质子和中子），都没有相应的 场；但是各种叫夸克的粒子（即组成质子和中子的粒子）却都有 ①在金属中，这些外围电子离开单个原子而在原子间流动，因此，金属铜原子 没有吸收橘红色光子的特别倾狗，这也是它为什么不显青绿色的原因。 )20
第二章”支粉第 各自的场；另外还有些场，我在这甲就不多讲了」如标准模型 里的场方程，不但同粒子打交道，也跟场打交道；粒子就是作 为那些场的代表出现的。寻常物质由电子、质子和巾子组成， 只不过是因为所有其他物质粒子都是极不稳定的。我们说标准 模型是·种解释，因为它不仅是计算机黑客所谓的杂牌电脑， 把乱七八糟的零碎揉在一块儿胡乱地运行；实际上，只要确定 了标准模型应该包括的场的类型和决定'它们相互作用的一般原 理（如相对论原理和量子力学原理），它的结构也就基本土固 定下来了。 为什么？为什么世界只有那么一些场：今克的场、电子的 场、光子的场…为什么它们具有标准模型归纳的那些性质？ 还有，为什么大自然遵从相对论和量子力学的原理？很抱歉 一这些问题还没有答案。在评论当今物理学现状时，普林斯 顿的理论家格罗斯(David Gross)提出了以下几个尚未解决的 问题：“现在我们知道了它是如何发生作用的，我们于是要 26 问，为什么有夸克和轻子，为什么物质的模式重复表现着三代 夸克和轻子，为什么所有的力都来自规范对称性？为什么，为 什么，为什么？”④（这些“为什么”里的术语在后面的章节 解释。)令基本粒子物理学家兴奋的，是他们有希望回答这些 问题。 大家都知道，“为什么”是意思最模糊的一个词。哲学家纳 杰尔(Ernest Nagel)曾列举10个问题，②每个问题里的“为什 么”意思都不一样。例如，“为什么冰浮在水土？”“为什么卡 DD.J.Gross,"The Status aml Future Prospects of String Theory".Nuclear Physies B(Proceedings Supplemen 15 (1990):43 2 E.Nagel.The Strwture of Science:Prublems in the Logic of Scientific Explanution (New York:Hareourt,Brace,.I961l.(科学的结构：科学说明的逻辑向题，徐向东译，上 海译文出版社，2002.) 21(
第一推动八 终极理论·梦 西乌斯①谋害恺撒？”“为什么人类有肺？”随便还能想出些 “为什么”的意思不同的问题，如“我为什么出生？”这里，我 说“为什么”的意思跟它在“为什么冰浮在水上？”里的意恩差 不多，而没有一点自我觉醒的意味。 即使如此，人们在回答那种问题时究竟在做什么，还难得说 清楚。幸运的是，那没有必要。科学解释正如爱和艺术，是给我 们带来偷悦的事情。理解科学解释的本质的最好办法，是切实去 经历一番，当你自已成功解释了某件事情时，会感觉那是怎样特 别的兴奋。我并不是说，追求科学解释可以像追求爱和艺术那样 不顾任何约束。实际上，这3种情形都存在着我们需要尊重的真 理标准，尽管真理在科学跟爱和艺术中当然有不同的意思。我也 不是想说，一般地描绘科学如何作为没有一点儿意思，只是在科 学中，跟爱和艺术的情形一样，那是不必要的。 我已经讲过，科学解释说的是从一个真理导出另一个，但解 释比推导意味着更多，也更少。仅从一个论断导出另一个，不一 定能构成一个解释，正如我们看到的，有时两个论断的随便一个 都可以从另一个导出来。1905年，爱因斯坦推测光子的存在，靠 的是5年前普朗克提出的成功的热辐射理论；19年后，玻色 (Satyendra Nath Bose)证明普朗克的理论可以从爱因斯坦的光子 理论推导出来。解释跟推导不同，它带着独特的方向的感觉。我 们强烈感到，光子理论比其他任何关于热辐射的论断都更基本， 因而是热辐射的解释，同样，尽管牛顿导出他有名的引力定律 部分根据了更早的描写太阳系行星运动的开普勒(Kepler)定 律，2我们还是说牛顿定律解释了开普勒定律，而不是相反。 ①卡些乌斯(Gius Cassius Longinus,.85?B.C.~42B.C.)是谋害恺撒大帝(Ju- lius Caesar)的3个主谋之一。更多的参见古罗马史学家阿庇安(Appian)《罗马史》 (第14卷】或苏维托尼鸟斯(Gaius Suetonius Tranquillus）的《帝￡传》（第1卷）。 —译者 )22
第二章一支粉笔 说起更基本的真理，哲学家会感到不安。我可以说，更基本 的真理是那些在某种意义上更综合的真理，不过这一点很雄说得 准确。但是，假如科学家不得不将自已限定在哲学家所满足的概念 上，他们就太不幸了，没有哪个物理学家会怀疑牛顿定律比开普勒 定律更基本，爱因斯坦的光子理论比普朗克的热辐射理论更基本。 科学解释也可能比理论的推导说的更少，因为即使不能从原 理导出什么来，我们还是可以说某个事实能用那个原理来解释。 根据量子力学的法则，我们能导出简单原子和分子的各种性质， 甚至还能估计像粉笔里的碳酸钙那么复杂的分子的能级，伯克利 的化学家沙弗尔(Henry Shaefer)报告说，“对于许多涉及像萘 28 那样的大分子的问题，如果人工的理论方法运用得巧妙，那结果 同样可以看做可靠实验的结果。”①但是，对于像蛋白质那样复 杂的分子，实际上没人能解量子力学方程以得到具体的波函数或 精确的能量。然而，我们一点儿也不怀疑量子力学的法则能够 “解释”那些分子的性质。这部分是因为我们能用量子力学导出 简单系统（如氢分子）的具体性质，另外还因为我们有现成的数 学法则，它允许我们能以任何需要的精度去计算任何分子的一切 性质，只要有足够强大的计算机和足够充分的计算时间。 甚至，即使有时候没有把握导出什么东西来，我们还是可以 说某个事实被解释了。眼下，我们不知道如何用我们的基本粒子 标准模型去计算原子核的具体性质；即使有了任凭我们使用的具 备无限计算能力的计算机，我]也说不准该如何进行计算。31 (这是因为核力太强，原子和分子的计算技术没用了。)不管怎 么说，我们相信原子核的性质之所以那样，都是因为我们所知道 的标准模型的原理。这个“因为”与我们实际的推导能力无关， D 11.F.Shaeer I,"Methylene:A Paradigm for Computational QJantum Che- mistry"Science 231 (1986):I 100. 23〈
一推动、 终极理论梦 只不过反映了我们对自然秩序的信念。 维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)不相信一个事实能以任何 其他事实为基础来解释、他警告说，①“在整个现代世界观的基 础存在着·种错觉，把所谓的自然定律作为自然现象的解 9释。”这话令我感到祖丧。对物理学家说自然定律不是自然现 象的解释，就像告诉走近猎物的老虎，所有的肉都是草。我们的 科学家不知道怎样才能以哲学家认同的方式来表达他们为寻找科 学解释所做的事情，这是事实，但它并不意味着我们做的事情是 毫无意义的。物理学家能在专业哲学家的帮助下明白自己在做什 么，但不论有没有那种帮助，我们都要一直做下去。 粉笔的每一种性质一它的脆性、它的密度、它的电阻，都 可以像上面那样一路“为什么”地问下去。不过，还是让我们从另 一道门走进那解释的迷宫—考虑粉笔的化学。正如赫胥黎讲的， 粉笔差不多就是苏打，照现在的话说，也就是碳酸钙。赫胥黎没那 么说，不过他可能知道这种由钙、碳和氧依照固定（重量）比例所 组成的东西一一3种元素的比例分别为40%，12%和48%。 为什么？为什么我们看到的化合物正好是钙、碳、氧依照那 种比例组成的，而没有其他更多的元素，依照不同的比例？化学 家在19世纪就根据原子理论找到答案了，那时还没有任何关于 原子存在的直接证据呢。钙、碳、氧原子的重量比是40：12：16， 而1个碳酸钙分子包含了1个钙原子、1个碳原子和3个氧原 D L.Wittgenstein,Tractatus Logico-Philosophicus,trans.D.F.Pears and B.F.McGui- ne(Londen::Routledge,1922),p.181,(维特根斯坦(1889~1951)是分析哲学的创始 人，他的早期思想对逻辑实证主义有着决定性的影响，那也是极大影响了物理学的哲 学。这里的话见《逻辑一哲学论》6.371节（后面接着说，“所以，当代人们站在自然 律面前，就像古代人们站在神和命运面前一样，把它视为某种神圣不可侵犯的东 西。”)商务印书馆996年出版了贺绍甲从作者所引英译修改本翻译的中文本。一 译者) )24