主题：【文摘】趣谈物理学的革命和统一 -- 夏翁

夏翁新兵贴 #1

夏翁新兵贴 #2

夏翁新兵贴 #3

原本想就人类认识宇宙的整个过程写一部（多卷）演义型的书籍，因最近加盟美华学社，受该学社科技文化丛书《纵横当代科学前沿》主编刘国奎博士节制，被指定为本卷执行主编的同时，还被要求献文一篇以壮声势。明知不可为而为之，草就此文，意在勾勒物理学千年恢宏画卷，难免挂一漏万，留下诸多关节来不及展开细说。成文于匆忙之中，洋象、破绽亦在所难免。恳请读者宽宏大量，不吝指教。

笔者以为，科普文章应该具有演义小说的功能，大力提倡科学活动的文化娱乐价值。就象人们可以欣赏各类奥林匹克运动、时装表演时需要知道一些最基本的比赛规则一样，欣赏科学活动也需懂得一些基本科学常识和相关的背景知识。科普作者应力求做到让读者象读演义小说那样，在轻松愉快之中得到一些基本科学常识和相关背景知识。上述演义计划涵盖：宇宙起源与暗能量、星系结构与暗物质、?a星生死与元素分布、地球诞生与大陆漂移、分子演化与生命起源、原核生物与大气、真核生物与有性生殖、原始植物对大地的征服、两栖动物到恐龙和鸟类、昆虫与花、哺乳动物到人类起源、农业革命、文字金属城市、巫术宗教哲学、科学发展与科学家轶事、物理学的革命与统一、基因工程与生命未来等。敬请有兴趣的读者与笔者联系，愿我们共同努力达到上述目标（联系地址等见本文最前面）。

建议对当今物理学前沿，特别是弦理论感兴趣的读者到网站http://cn.arxiv.org/list/hep-th/0311获取相关信息：

hep-th/0311044 [abs, ps, pdf, other] : Title: Resource Letter: The Nature and Status of String Theory。

8-1. 弦理论的诞生

我们前面提到1958年第一次在实验室里人工产生了汤川秀树提出的参与强相互作用的p介子，这些p介子不负汤川秀树的期望，它愿意参与任何有强相互作用力的过程，与各种各样的核子状态粘粘糊糊形成了大量的共振态粒子。为了对这些粒子分类，1964年盖尔曼提出了夸克模型，为以规范场为基础的量子色动力学来描述强相互作用开劈了道路。

然而当以量子场论来计算这些共振态粒子的产生截面时，强相互作用的巨大偶合常数让理论物理学家无法使用他们熟悉的微扰展开。受诺贝尔奖获得者俄国物理学家朗道的影响，柏克利的理论物理学家丘(Geoffrey F. Chew)对率先获得的近在咫尺的加速器产生的共振态粒子数据，利用海森堡发明的S（散射）矩阵理论总能给出一些经验的或半经验的公式，遂领导了60年代的粒子物理理论潮流。

在量子场微扰理论名声狼籍的大环境下， 在CERN工作的意大利物理学家威尼塞诺（Gabriel Veneziano）也试图不用量子场微扰理论描述强相互作用。1968年他总结了S矩阵理论中出现的一种所谓s，t对称性，顺手从现有的数学手册中找了一个能满足上述对称性含有嘎吗函数的公式。由于该公式颇能描述众多共振态粒子现象，特别是也能说明名噪一时的雷吉轨迹(Regge t rajectory)而受到重视。众多高手立即对它做了多方面的推广。特别是两年后（1970年）经过南布(Y. Nambu)、萨氏金(L. Susskind)和尼尔森(H. B. Nielsen)的论证，人们才意识到威尼塞诺建立了一种全新的物理概念：相对论量子力学的弦。这种弦不是由通常的原子分子所组成，而是由这种弦的振荡产生出组成原子分子的质子或中子等基本粒子。其它多种亚原子粒子都可以看成是这种弦的不同振荡模式。

然而，再后一年（1971年）温伯格－萨拉姆理论被特霍夫特证明是可以重整的，格罗斯(D. Gross)等指出了SU（3）规范场的渐进自由性质。与温伯格－萨拉姆理论弱电统一理论有着类似结构的量子色动力学一夜间成了描述强相互作用的权威理论。另外人们又发现威尼塞诺的弦还是存在严重问题：它不可避免地会产生质量为零，自旋为2的粒子。在当时没有任何的实验证据。所以威尼塞诺的弦又被大多数物理学家放弃。

8-2. 超弦与弦理论的第一次革命

1982年一名叫威顿（Edward Witten）的年青小伙子在加州理工学院听到施瓦兹（John Schwarz）介绍威尼塞诺的理论时立即意识到，威尼塞诺的质量为零，自旋为2的粒子就是普朗克尺度下的爱因斯坦引力子！威顿宣称这是他学术生涯最激动人心的时刻。在此之前，整日与广义相对论打交道的理论物理学家都知道，爱因斯坦预言的引力波的量子就是质量为零，自旋为2。所不同的是，威尼塞诺的质量为零，自旋为2的粒子所传递的力的强度比爱因斯坦要求的强度大 倍。既然要用威尼塞诺的弦来产生爱因斯坦广义相对论所描述的引力，该弦就应该服从广义相对论的一些清规戒律，比如在彭加勒变换下保持它运动的方程不变等。这样一来就又把相信弦论的物理学家逼到了高于四维时空的世界。最初他们发现只有26维的时空才能使他们的理论自洽。后来他们通过引进超对称才把时空降到10维。具有超对称特性的威尼塞诺弦，被称为超弦，描述超弦的理论也就称之谓超弦理论。

为了和我们可观察的四维时空挂钩，瑞典物理学家克莱因对空间紧化的手段又派上了用场。现在有所不同的是，在紧化的过程中他们要始终瞄着已经获得巨大成功的标准模型。他们小心翼翼地把不得不紧化掉的6维空间上留些洞洞来存放标准模型中不同代数和不同家族的各色粒子动物。借助获得菲尔兹数学大奖的卡拉比-丘(Calabi-Yau)流型等来论证其做法的严格性。特别是1984年在施瓦兹证明了超弦的无发散等一系列优异性质后，超弦得到了全世界的关注，产生了超弦理论的第一次革命。

但是即使这样，广阔的多维时空还是提供了足够的场所让他们产生了五大门派：型I、型IIA、型IIB、杂化SO（32）和杂化E8XE8。以至于让1979年与温伯格，萨拉姆一起获得诺贝尔物理学奖金的哈佛大学的格拉肖嘲笑：一个针尖上可以有多少天使跳舞？加之超弦理论所倚重的超对称当时还根本没有任何实验证据，格拉肖声称他将象防止爱滋病一样来禁止超弦理论出现在他在哈佛大学的地盘上。以发现宇称在弱作用下破坏获得诺贝尔物理学奖，特别是以杨-密尔斯规范理论奠定标准模型基础的另一位科学大师，我们中国人所熟之的杨振宁也不看好超弦理论。超弦理论开始进入了黑暗时代。

8-3. 对偶，膜与弦理论的第二次革命

面对各种权威的冷嘲热讽，超弦理论的斗士们经过10年卧薪尝胆，在充分利用对偶（Dualty）对称概念的基础上于1994年以推出M理论为标志开始了超弦理论的第二次革命。

超弦理论中名为T（Taget）的对偶对称，辩称当真空把我们现今的宇宙吹到足够大时，其行为与它的在普朗克尺度下的对偶宇宙行为一样；名为S（Strong-week）的对偶对称，把粘的难解难分的物理学家无能为力作计算的超强相互作用行为转化为弱的可用物理学家得心应手的微扰方法作计算的行为；名为U（Unitary）的对偶对称则是S和T的综合。一个漂亮的战例是威顿等借助电荷与磁荷（或磁单极子）的S对偶对称，类比于超导体中库伯电子对的玻色凝结，论证了量子色动力学应该给出却一直给不出的夸克禁闭。

不同的超弦理论专家对这里的M有不同的解释：神秘(Mysterious)，母亲(Mother)，矩阵(Matrix)或膜论(Membrane)。不过它也确实具有以上几个方面的特征：首先是她的神秘，直到现在还没有一个确定的原理来指导她的发展。而我们熟知的广义相对论有等效原理；标准模型有规范对称。最近有人提出用所谓的全息原理（立体世界可被包含它的膜完全描述）来充数。但是全息原理的来源也有点虚无飘渺，它产生于对黑洞的研究中，至今实验还没有确认黑洞的存在。我们只知道M理论在低能时揭开面纱应为11维的超引力理论。M理论的母亲特征比较好理解：通过卷曲折叠等对偶手段对她的第十一维进行操作，就可以生出上节所产生的五大门派：型I、型IIA、型IIB、杂化SO（32）和杂化E8XE8。M理论的矩阵特征则是说她时空中的点不再象我们熟知的四维闽可夫斯基时空是可以对易的，它们必须遵守矩阵那样不可对易的运算。M理论的膜论特征，则是提供了一些动力学性质远比弦丰富的膜来面对现实世界。我等网民乃至整个宇宙都可以生活在她的一层膜上。

鉴于M理论丰富多彩的内涵，各种各样的大统一理论、宇宙模型等就象一些网民声称的那样：象粪坑边上的苍蝇一样层出不穷。在这里我们说上一二以飨读者。

我们前面已经提到爱因斯坦在他的广义相对论中漂亮地解决了水星近日点的近动问题之后，又于1917年去用来构造宇宙模型。在他所生活的年代几乎所有的人都认为宇宙是静止的，且没有任何一块地方特殊。不幸的是他的场方程给不出静态的解，于是他人为地在方程中添加一个常数项去平衡，该常数项被后人称为宇宙常数。虽然爱因斯坦得到了静态宇宙模型，但也常常为此感到心虚。1929年哈勃定律的发现让大家认识到宇宙是动态的之后，爱因斯坦又专门发文收回了他的宇宙常数。

由于观测手段的原始，稍后用哈勃常数计算得出的宇宙年龄还没有地球年龄的一半大，比利时天文学家勒梅特等又把宇宙常数请出来搪塞。以后随着观测手段的不断进步，宇宙常数又一步一步地被边缘化。

一直到了七十年代末，天体物理学又引发了暗物质危机。暗物质危机是说，我们所观察到的星系中所存在的物质质量，不足以保持该星系结构的稳定。就象我们的太阳在银河系的旋臂上兜圈儿，我们看到的银河系物质质量不可能让太阳在那里呆太久。而我们从其它物理过程确知，太阳在此位置上已经发光了50亿年之久。于是天体物理学家推断必定存在我们看不见的物质（因而称为暗物质）在起作用，这些暗物质要多达我们看得到的物质的至少10倍或更多才能使我们所观察到的星系结构稳定。于是有关暗物质的候选者又多如过江之鲫，但是到现在也没有任何实验证据，因而称为暗物质危机。

更有甚者，我们前面提到的暴涨宇宙模型是为了解释现今我们看到的平直宇宙结构而提出的一种极早期宇宙行为的模型。该模型认为极早期的宇宙在各种相互作用从统一中分化时产生的过热真空负压力在极短的时间内极大地扩展了宇宙的尺度。为了使暴涨宇宙模型正常工作，我们的宇宙物质能量密度应该满足一定的临界值。满打满算，我们所看到的整个宇宙的物质数量再加上到现在还没有显身的暗物质也只有该临界值的30%，所以宇宙常数再次被请出，担负我们宇宙70%的能量。至于这70%的能量怎样在真空中产生，广义相对论从原理上就解答不了。广义相对论只是说给我物质能量的分布，我可以计算它们对时空产生的曲率；或者反过来，知道或假设时空的曲率，来反推物质的能量分布。

从真空中产生能量，这可是我们前面花大笔墨介绍的量子场论的拿手好戏。任何量子体系，都有不可避免的零点能。但是我们稍加计算立刻就会知道，这种零点能比宇宙常数要担负我们宇宙70%的能量要大 10^124倍。粒子物理学家早就知道这一难堪，采取了驼鸟政策，不去面对而已。若把到现在还没有得到实验验证的超对称要求引入，则由于玻色子和费米子的贡献相互抵消，该能量又只能为0。即使假设在弱电统一的能标上让超对称破缺，这种零点能还是比要求的大 10^50倍。向弱电统一能标以下调整超对称破缺，会不断地接近所要求的零点能，但是又显然与我们在弱电统一的能标以内没有发现超对称相矛盾。真是左右为难。

这样一来物理学家又被逼到了高于四维时空的世界去寻求答案。所幸的是这次他们可以用超弦理论第二次革命中产生的膜来封装我们的宇宙，让超对称在我们加速器能达到的能量上破缺（2 Tev），产生的多余零点能随它们在我们宇宙存在的膜以外飘荡，能进入我们宇宙的就是我们所需要的。这可是一举几得的好事：既解释了我们目前还没有看到超对称破缺，又得到了让我们宇宙平直所需要的能量，同时又在向高能量目标奔跑的实验物理学家眼前吊上一捆草料。

8-4. 额外维引起的激动

也是受到超弦理论第二次革命的鼓舞，几位在美国西部的年轻网民（当然也有着物理学家的身份）在1998开始提出一种“额外维”（Extra Dimension）理论来解决“等级差”问题。所谓“等级差”问题是指弱电统一能标（10^2 Gev）与普郎克能标（10^19 Gev）间的巨大差距。这种差距的存在，使得标准模型所依赖的黑格斯机制象生活在针尖上。

根据额外维理论，标准模型所统辖的弱电和强相互作用，只在四维的闽可夫斯基时空中起作用（可以看做是更高维时空中的一层膜），而引力则可以自由地多维空间中来往。这样一来很自然地解释了我们感受到的引力为什么这么弱（能进入我们世界的只是它的一些分量，所以显得很弱）。特别是原先让实验物理学家们望尘莫及的普郎克能标（10^19 Gev）根据不同的额外维模型甚至可以降到现今实验物理学家所能产生的最大加速器能量范围（10^3 Gev），使引力与其它几种力有可能在不太高的能域上统一。另外他们没有用弦和超对称这等精细玩意儿，只用了多维空间中膜的概念，因而不必在10维的时空里腾挪。这样好的主意被认为是自从标准模型建立以来的1/4世纪里所少有的，在不到3年的时间里竟有近千篇文章呼应，很是引起了一番激动。

到此为止读者应该明白我们前面提到的那些欧洲核子研究中心以物理学家为主的一小撮网民为什么又找到了新的乐趣：设想一下，如果普郎克能标在10^3 Gev范围，量子引力效应将在他们2007年建成的大强子对撞机（LHC）上显现。比如他们可以随心所欲地制造微型黑洞，特别是如果霍金的黑洞蒸发理论也是对的（他就可以座着轮椅到瑞典去数钱），他们就可以看到极为壮观的宇宙焰火。这次他们可是在多维世界里冲浪，众位看官现在也应该明白霍金为什么要到处煽风点火。比较难以断定的是我们前面提到的上帝，物理学家们如果这次革命又获成功，他老人家只好跺到额外维里去了。

回顾人们认识宇宙过程中所建立的各种理论，我们不难发现它们都具有一定空间尺度和能量大小的适用范围：

星系尺度：星系中恒星的质量为基本量，作用由牛顿万有引力支配，忽略量子理论；

恒星尺度：恒星的形状、能量供应和寿命为基本量，热力学描述为主；忽略恒星外的星系；

人的尺度：引力除把我们保持在地球外，电磁力起主要作用。与太阳怎样产生光关系不大；

原子尺度：电子与核的质量、电荷、自旋为基本量，由量子力学和相对论力学描述；

粒子尺度：以量子场论为基础的标准模型可以满意地解释到目前为止所有观测到的微观现象。

我们前面所介绍的十九世纪末物理学的两大危机就是从人的尺度空间能量范围中得到的物理规律应用到原子尺度上时所遭受的挫折，为此人们不得不用相对论和量子论的概念来描述原子尺度的世界。为了对付亚原子世界中特有的粒子产生和湮灭的现象，人们把量子力学和相对论力学结合建立了量子场论。经过近一个世纪的努力，物理学家们建立了我们前面谈到的描述微观世界的标准模型。到现在标准模型还没有遇到对它提出严峻挑战的实验结果。但是多数物理学家总认为标准模型不是尽善尽美。比如它不能解释黑格斯场为什么使得各不同粒子的质量差别巨大；弱力、电磁力和强力的强度在能量足够高时为什么会趋于趋于一致；我们的世界为什么物质和反物质的数量不一样；宇宙学中要求的暗物质在该模型中没有正统地位；为什么存在三代粒子；为什么有对称性等一系列问题。说到底它也是一种有效理论，它需要另一层次的结构特性决定的参数作为输入。下面的大统一，超对称理论和万物理论就是寻求新的层次中物理理论的尝试。

7-1.大统一

大统一理论：试图统一所有三种已知的微观相互作用（弱，电磁和强相互作用）的理论，根据是所有这三种相互作用都是用规范场描述。规范场的概念最初是德国数学物理学家魏尔提出的，其目的是想证明麦克司韦电磁理论不因为空间坐标尺度的标准变化而改变。但是魏尔因没有考虑电磁作用的内部对称性而没有取得成功。量子力学建立后，电磁相互作用被证明是满足整体规范变换的，也就是说，描述电磁作用的波函数的相位改变一个常数不会引起电磁相互作用的改变。该相位的改变大小在空间每一点都一样，所以又被称为阿贝尔规范变换，所有这些变换的数学表述组成一个一维幺正群，记为U（1）。对描述弱相互作用的量子场理论，它只满足在弱同位旋空间中的二维幺正幺模非阿贝尔规范变换，记为SU（2）。描述强相互作用的量子场理论，满足颜色量子数空间的三维幺正幺模非阿贝尔规范变换，记为SU（3）。大统一理论是说，存在一种更基本的相互作用，它满足更高维的对称性：SU（3）X SU（2）X U（1）或SU（5）。我们在目前能量尺度下看到的电磁，弱和强相互作用是这种更基本相互作用低能量下的不同表现形式。这就象我们世界各地的华人一样在抗击日本帝国主义时没有什么太大的区分，但在涉及自己和小团体的利益时则互不相让，你是你，我是我。大统一理论预言了质子衰变的存在，实验已经做了大量的检测，到目前还没有正结果。它存在的主要问题是：统一的能量尺度比现有粒子的质量大 倍，在1Tev至 Tev能区间没有新物理，即存在所谓大沙漠或称等级差问题。

7-2.超对称理论

最早把超对称概念引入量子场论的是俄国人戈尔范(Yuri A. Golfand)，时间为1971年。当时戈尔范所生活的国家名字叫苏维埃社会主义共和国联盟，是西方世界的头号敌人，所以戈尔范超对称概念不为西方人所知。以至于在3年后意大利的朱米诺（）又重新发明了一次轮子。直到今天，绝大多数西方物理学家（包括温伯格）都把朱米诺作为超对称量子场论的鼻祖。超对称概念这两次独立的发现也确实走的是不同的道路：前者是为了解决弱作用中的问题，后者则是受到了我们后面要讲的弦理论的启发。

自从量子力学产生的早期我们就知道电子有自旋，其大小是普朗克常数的一半，受泡利不相容原理的制约而服从费米统计被称为费米子；光子等自旋大小是普朗克常数的整数倍，不受泡利不相容原理的制约而服从玻色统计被称为玻色子。正是因为电子有这种半整数的自旋，不能挤在一起，才有了我们的元素周期性，有了稳定的原子砖块，构建了我们的身体和五彩缤纷的世界。而整数自旋的玻色子可以挤在一起给我们带来如超导电性、超流性等奇妙量子现象。

超对称概念的目的是在费米子与玻色子之间建立联系，认为它们是同一种事物的不同表现。就象前面标准模型中的电子和中微子，在弱同位旋空间是同一种事物的不同分量。而要为费米子与玻色子找到类似的空间，则需要用到一种名为超彭加勒变换的操作，所以费米子与玻色子之间的对称被称为超对称。

标准模型认为组成物质世界的基本单元夸克、轻子为自旋1/2的半整数费米子；传递各种费米子之间相互作用的是自旋为整数的玻色子。如果说，当把上述标准模型中的费米子与玻色子互换后的物理规律仍然不变，那么我们说物理规律是超对称的。超对称可以比较自然地解释黑格斯场使粒子产生质量的原因，并预言了至少有一种夸克的质量大于中间矢量玻色子WZ的质量，这已经被在费米实验室找到的t夸克所证实。

超对称理论的问题：现在已经证明所有已经发现的粒子之间不存在超对称性。一个自然的假设是现有粒子的超对称伙伴都很重。这样做的好处是可以填补上述大统一理论的大沙漠，另外也可以解决上述大统一理论中描述的三种相互作用强度在能量足够高时不严格趋于一致的困难。

7-3.万物理论（Theory of Everything）

在标准模型以规范原理成功地统一地描述电弱和强相互作用后，寻找把引力（或广义相对论）也统一进来的理论又开始引起大多数理论物理学家的注意。这样的理论被称为万物理论，因为它将包含所有已知的相互作用。前面提到卡鲁查和克莱因的理论由于不能包容当时神秘的弱力，巨大的强力，他们的统一理论讨论以后就被大多数物理学家遗忘。只剩下爱因斯坦等极少数人一直努力把引力与其它力往一起撮合，但是没有成功。

标准模型所生存的时空是平坦的四维闽可夫斯基空间，鉴于它的成功，一般认为没有必要把它推进弯曲的黎曼空间与广义相对论套近乎。要实现统一，剩下的选择就是让广义相对论接受量子化改造。不幸的是，自从1930年罗森费尔得（Rosenfeld）的首次尝试失败以来直到今天的70多年中，无数高手都断羽而归。其中最主要的原因是广义相对论的高度非线性，让量子论的叠加原理无法应用。

今天在擂台上争夺万物理论桂冠的主要有量子几何理论（Quantum Geometry，也称作 Loop Quantum Gravity）和超弦理论（Superstring）。量子几何理论的基本思想是认为我们生活的时空有一个最小值（比如普朗克尺度），物理世界的一切现象都发生在时空的格子上。它的战略思想是扭曲的时空格子可以与广义相对论套近乎，而时空的不连续则是量子论的极至。鉴于篇幅和本人偏见，下面我们只介绍超弦理论，理想的情况下只须拨动超弦，便可同时弹出广义相对论和量子论描述的世界，所以现今它吸引着大多数人的眼球。

6-1.光谱与宇宙尺度

1814年德国物理学家夫朗和费（J. von Fraunhofer）制成第一架光谱仪来观测太阳，发现太阳的光谱中有许多暗线。1859年德国的另一位物理学家基尔霍夫（G. R. Kirchhoff）在研究火焰和金属蒸气光谱的过程中发现，每种元素都有其特征光谱。通过对比夫朗和费得到的太阳光谱，基尔霍夫认定太阳上拥有许多地球上的常见元素。1868年英国天文学家洛克耶（J. N. Lockyer）在观测日全食过程中日珥的光谱时，发现其中有一条橙黄色的明线与当时已知元素的任何谱线都不相合。他推断这条谱线一定来自一种地球上不存在而太阳中特有的元素，他把这种元素命名为“氦”（Helium，来自希腊文的“太阳”Helios）。26年后，英国的化学家拉姆塞（W. Ramsay）才从地球的矿物中找到了氦。氦的发现，是继牛顿万有引力定律后又一次证明天地之间的统一性。有趣的是法国的实证论哲学和社会科学创始人孔德（A. Comte）曾于1856年断言，人类永远不能了解天体的化学成分。

同在1868年，英国的天文学家哈金斯（W. Huggins）发现有些恒星的光谱与地球对应元素的光谱有细小的位移。如果不是在1842年奥地利数学和物理学家多普勒（C. J. Doppler）已经发现以他命名的“多普勒效应”，上述发现倒也可以认为天上和地下确有不同。“多普勒效应”是说，光源相对于观察者的运动会使观察者看到光振动频率的变化，反映到光谱上就是上面所说的位移。反过来，精确测量上述位移的大小，便可推知恒星相对于地球的速度。观测计算的结果则令严格的语义学家们哭笑不得：大多数恒星相对于地球的速度比子弹快得多，而恒星的本意是恒定不动的星。

十九世纪下半叶，德国的基尔霍夫，意大利的赛奇（A. Secchi）和英国的哈金斯等人率先研究恒星光谱，由此得知恒星是和太阳一样挚热的天体。他们同时也注意到了宇宙中的恒星有多种不同的光谱。早在十八世纪，我们上文提到的哲学家康德就提出银河与众多的恒星形成一个大的天体系统：银河系。利用1912年美国女天文学家莱维特（H. S. Leavitt）发现的变星周光关系，美国天文学家沙普利（H. Shapley）证实了银河系为直径8万光年，厚度为3千到6千光年的大圆盘。而太阳则是远距银河中心3万多光年的一颗极普通的恒星。

在人们观测恒星的同时，早就注意到一些云雾状的天体，并把它们命名为星云。有关星云的真相一直是个谜。早在18世纪就有人猜测星云是象银河那样的恒星系统。但是因没有令人信服的证据而不被接受。1924年美国天文学家哈勃（E. P. Hubble）利用1912年美国女天文学家莱维特（H. S. Leavitt）发现的变星周光关系证实了大多数星系存在于银河系之外。天文学家是怎样知道遥远的星系相对于我们的距离呢？根据有关原子核物理学、粒子物理学、光度学等方面的知识，一定大小恒星的核反应过程的途径和速度是确定的，因而它们发出的光强度也是确定的。地球上所观测到的光强度与该恒星距地球的距离的平方成反比。

20年代初，美国天文学斯莱弗（V. M. Slipher）用光谱的多普勒效应测定了41个星系的视行速度，得出有些星系以每秒300公里的速度趋进我们，有些星系则以每秒1800公里的速度远离（蓝移）我们。但是大多数都是远离（红移）我们。1929年哈勃分析了他已经测定了距离的24个星系发现：星系的红移与它们距地球的距离成正比。1931年哈勃等有得到了8个更遥远星系的红移资料，它们远离地球的速度已经达到每秒20000公里，但是仍能保持良好的线性关系。根据哈勃的发现我们可以测出星系光谱的红移量来推断该星系相对于我们的距离，从最近的测量得知我们所能看到的宇宙大小约为150亿光年。光年是光在真空中行走一年穿过的距离。如果用我们熟知的尺度单位厘米计算，我们的宇宙尺度为10^29 厘米。

6-2.宇宙大爆炸

宇宙学是从整体上研究宇宙的性质、结构和演化的学问。尽管牛顿力学成功地解释了行星和地球绕太阳运转的规律，但是对遥远的恒星运动的规律和整个宇宙的结构则无能为力。真正把宇宙学变为一门科学，肇始于前面讲到的爱因斯坦的广义相对论。1917年爱因斯坦提出了以广义相对论为基础的引力场方程，为了得到一个解来描述当时认为是静态的宇宙，他还人为地引入一个常数。同在1917年，荷兰天文学家戴西特（W. De Sitter）根据爱因斯坦的场方程，求出了一个不断膨涨的宇宙模型。因该宇宙中的物质平均密度为零，该模型也属静态宇宙模型。1922年苏联数学家弗里德曼（Fridermann）把上述场方程用来解决宇宙结构时去掉了爱因斯坦人为引入的常数，得到了第一个动态宇宙模型。1927年比利时天文学家勒梅特（G. Lemaitre）证明了爱因斯坦和戴西特的模型是一种模型的两个极端情况，并提出了大尺度空间随时间而膨涨的学说，建立了常质量而增尺寸的动态宇宙模型。

在哈勃定律发现不久，那位因证实爱因斯坦广义相对论预言光线在引力场中会弯曲的英国天文学家爱丁顿就指出，哈勃定律支持膨涨的宇宙模型。1932年勒梅特提出整个宇宙所有的物质最初是聚集在一个原始原子中，后来发生了大爆炸，我们今天看到的星系就是大爆炸的碎片。

借助光谱分析，人们进一步得知所观察到的宇宙中物质质量的99％是氢与氦。氢与氦的质量比例为3：1，氦的比例远远大于恒星演变过程中所应该产生的比例。据此在1946年俄国出生的美国物理学家盖莫夫（George Gamow）利用当时已知的亚原子粒子的知识提出热大爆炸的宇宙模型。盖莫夫认为，宇宙起源于高温高密度的原始物质，最初温度高达几十亿度，只有亚原子粒子和辐射存在。在宇宙膨涨的过程中温度逐渐下降，几分钟之内形成元素氢与氦。当膨涨持续了100多万年后，温度降至4000K而形成了我们今天看到的星云。1948年盖莫夫的学生阿尔发（R. A. Alpher）等根据盖莫夫的模型算出，在150亿年前热大爆炸之后的余烬应表现在今天温度为5K的背景辐射。也许是这些想法太具革命性，没有被广泛的接受。在这之后，一些著名的天文学家不断醉心于静态的宇宙模型构建，如著名的霍尔静态宇宙模型。

1964年，一个偶然的发现促使人们回到了热大爆炸的宇宙模型。这一年五月，贝尔实验室的彭奇亚斯（A. A. Penzias）和威尔逊（R. W. Wilson）为了改进地面与通讯卫星的联系，调试新建立的一套灵敏的天线接收系统。他们发现在波长为7.35厘米处存在一些消除不去的噪声，经过将近一年的研究也不得要领。在1965年初他们访问离他们实验室不远的普林斯顿大学后终于意识到这些噪声就是近20年前预言的宇宙背景辐射（7。35厘米的微波波长相当于约 3K^0宇宙背景辐射），因为普林斯顿的迪克（R.Dicke）此时正在重新考察盖莫夫的宇宙模型。为了确证这一想法，他们又精密测量了太空间75厘米到0。3毫米之间的电磁辐射分布，发现宇宙背景辐射的分布完全符合温度为 黑体辐射的分布。从此热大爆炸的宇宙模型被公认为是最精确和令人满意的宇宙图象理论。上述二人获得了1978年的诺贝尔物理学奖。1989年美国发射的宇宙背景探测器以更高的精度证实了以上测量。另外COBE的探测结果还显示了宇宙背景辐射的微量的不均匀性，为暴涨宇宙模型提供了证据。暴涨宇宙模型是为了解释现今我们看到的平直宇宙结构而提出的一种极早期宇宙行为的模型。该模型认为极早期的宇宙在各种相互作用从统一中分化时产生的过热真空负压力在极短的时间内极大地扩展了宇宙的尺度。

6-3. 黑洞

按照大众一般的理解，黑洞是爱因斯坦广义相对论中的明星。其实，早在1796年，法国科学家拉普拉斯（P．S．Laplace）根据牛顿力学就曾预言：若一个密度与地球一样，直径比太阳直径大250倍的发光星体，它的光线在它引力的作用下传不到我们这里；这样一来宇宙中最大的发光星球可能由于质量太大而成为看不见的星体。然而这一预言却没有引起人们的注意。

到了1916年， 爱因斯坦在黎曼几何学的基础上构造出了广义相对论的引力场方程，同年被德国天文学家史瓦西（Schwarzschild）找出了一个解。这个解说明当一个质量足够大的天体在引力的作用下会不可阻挡地塌缩成一个奇点。在该奇点为中心的一定半径内的任何物质，包括光信号只可以传入，而不能传出。显然满足拉普拉斯预言的“黑洞”。这样的黑洞称为史瓦西黑洞。1963年，澳大利亚的克尔(Kerr) 对确定质量，角动量、电荷的天体也得到了黑洞解。此解只依赖上述三个参数：质量、角动量和电荷，被称为黑洞的无毛定理。到此为止是广义相对论的话语。

　　　使量子论在黑洞里开始有了话语权的机会是来自惠勒（Wheeler）的妖怪：如果黑洞外面的物质进入黑洞，而黑洞中连光也不能发出，则我们无法得知进入黑洞物质的熵是增加还是减少；但是黑洞外的世界由于失去了这些物质，其熵的确是减少的。那末热力学第二定律还成立否? 惠勒的学生贝肯斯坦（Bekenstein）为此断言黑洞一定有熵存在。只不过该熵很特别，它正比于黑洞的面积。根据是1971年霍金（Hawking）证明的任何黑洞视界的表面积不减少，而且在动力学过程中增加。

　　而霍金在1974年更进一步，运用量子论于黑洞表面让黑洞长出了毛：黑洞会有量子辐射，其能量谱是黑体谱。

　因为根据量子场论，真空中不断自发地产生虚的正反粒子对，若其中的一个不幸在黑洞视界里面一侧，则它就会被拉向深渊，另一个在黑洞视界外面一侧的则又可能投奔自由。整体上看就象黑洞在蒸发。黑洞蒸发现象到目前还没有被观测到，另外最近一位名叫Adam D. Helfer的人收集了大量的材料来质疑黑洞蒸发现象的合法性。

　　6-4.宇宙的命运与暗能量

宇宙膨涨是说宇宙的星系间在不断地相互远去。就象正在吹起的气球上任何两点间的距离不断增大一样。既然我们的宇宙在不断的膨涨，最终我们要落入寒冷的宇宙孤岛之上。有什么力量能阻止这种灾难呢？爱因斯坦的广义相对论告诉我们，只要有足够多的物质或能量就成。不幸的是人们想尽各种方法所观测到的物质和能量还不到所需要量的三分之一。焦急的物理学家们不顾一切地发明各种各样有质量的奇异粒子来当此重任，但都还没有实验的证据。最近用哈勃望远镜的观测结果则可能会使不希望宇宙过分膨胀的科学家们接近绝望：宇宙不但在继续膨胀，而且还是在加速地膨胀。现在唯一可被接受的解释是宇宙绝大部分的能量竟然都是以暗能量的形式存在！这就是爱因斯坦场方程中的常数项，即爱因斯坦的宇宙常数。该常数是说，宇宙间无所不在的真空中的能量不为零，单位体积中能量的大小不会随宇宙的不断扩大而变化，这种能量现在不但不帮我们阻止宇宙膨胀，相反地它致力于把我们抛向漫无边际的宇宙空间。后面我们还会提及宇宙常数，读者现在可以放心的是不管宇宙最终会怎样，我等网民，当然也包括所有最高贵的帝王将相们，在最近几十亿年的将来不用发愁：我们有足够的时间相互亲热，缠斗，厮杀和毁灭。

5-1. 玻尔的原子模型

1913年以后带头高举量子革命大旗的是丹麦物理学家玻尔（N. Bohr）。在1897年英国物理学家汤姆逊发现电子后人们开始认识到原子是可分的了，但是原子的结构是什么呢？1901年法国的佩兰提出原子的中心是带正电的粒子，外面围绕着电子，电子运行的周期对应于原子发射光谱线的频率。1903年日本的长冈半次郎在麦克斯韦1859年土星模型的基础上提出了原子的土星型模型。1904年英国的汤姆逊（J. J. Thomson）提出了“电子浸浮于正电球中”的原子模型。但最有影响的还是1911年在英国工作的新西兰人卢瑟福在a (alpha)粒子散射实验的基础上提出的“电子围绕点状的带正电的质量很大的核旋转”的原子模型。

1913年玻尔把卢瑟福的原子模型和普朗克的量子假说结合起来提出了原子结构的量子理论。该理论认为：电子只能在一些特定的使其角动量为h/2pi整数倍的圆形轨道上运行，在这些特定的轨道上运行的电子不产生经典麦克斯韦方程所要求的电磁辐射，电子从能量为E1 的轨道上跳到能量为E2 的轨道上时发射或吸收的能量为hv = E1 - E2 。玻尔的原子模型成功地解释了多年来积累的光谱分析中许多经验公式。同时卢瑟福的学生，英国物理学家莫塞莱（H.G.J. Moseley）应用1912年德国物理学家劳厄（Max von Laue）发现的X射线的晶体衍射技术，系统研究了各种元素的X射线谱。1914年莫塞莱发现元素的X射线的频率与元素的原子序数有简单的数学关系，即著名的莫塞莱定律。莫塞莱定律不但为元素周期表提供了内在的联系，同时也有力地支持了玻尔的原子模型。不幸的是次年莫塞莱在第一次世界大战的土尔其战场上阵亡。1915年德国的物理学家索莫菲（A. Sommerfeld）把玻尔的圆形轨道扩展到椭圆轨道，结合相对论解释了光谱的“精细结构”。

玻尔的原子模型不是对所有的原子现象都有清晰的解释，其中对只有两个电子的氦原子的行为就不容易安排。另外玻尔的原子模型也不能计算光谱的强度。其中玻尔的原子模型所依据的假设、定理和计算方法等没有内在的联系，看起来简直是一个大杂烩。人们把到此为止的量子论称为旧量子论。

5-2. 量子力学的诞生

首先对旧量子论产生突破的是出身于贵族的法国物理学家德布罗意（Louis V. de Broglie）。在爱因斯坦光量子概念的启发下，德布罗意认为一切物质粒子，特别是电子也会象光一样具有波动性，物质粒子的波长l (lumuda)＝h/p，其中h为普朗克常数，p为物质粒子的动量。德布罗意预言电子穿过小孔时也会象光一样产生衍射。借助电子的波动性质，德布罗意为玻尔的原子模型中电子只能在特定的轨道上运行的假设提供了理论依据。德布罗意预言的电子衍射在1927年几个不同国家的实验中得到了证实。1925年德国的海森堡（W. K. Heisenberg）从另外一个角度对旧量子论进行了突破。海森堡在爱因斯坦狭义相对论对时空革命的启发下，认为玻尔原子模型中电子的轨道和周期等概念原则上是不可观察的，可观察的量如光的频率和强度等之间应有不同于经典力学的不可对易关系。这种不可对易关系的数学理论就是70多年前数学家们建立的矩阵论。在海森堡的老师玻恩（Max Born），英国的狄拉克（P.Dirac）等的帮助下，海森堡的这一概念发展成了量子力学的矩阵形式。

在1926年德布罗意物质波的概念被奥地利的薛定谔（E. Schrodinger）发展成为更为直观和容易应用的量子力学的波动形式。1926年薛定谔、泡利等独立地证明，尽管海森堡的矩阵形式是强调了物质粒子的粒子性，薛定谔方程的基本概念是物质粒子的波动性，这两种量子力学的形式在数学上是等价的。从这一历史巧合，人们更坚信物质粒子同时具有粒子性和波动性。在对量子力学的解释上这两个学派却很不相同。1926年6月，玻恩提出了波函数的统计解释。薛定谔自己则认为只有波是实在的东西，而粒子只是一种波包。爱因斯坦却一直认为上帝不会玩鹘子。1927年2月海森堡与泡利经过深入的通信讨论后，在3月底提出了“测不准原理”，最终使玻恩的“哥本哈根”学派解释得到了广泛的认同。

量子力学的成功建立为人们深入了解原子结构提供了统一的图象，特别是1927年在量子力学基础上建立的化学键理论，为众多的化学规律提供了坚实的理论基础。薛定谔在1944年发表的《生命是什么》对分子生物学的建立有着重要的启迪作用。二十世纪初发现的超导、超流和最近发现的“超光速”和“零光速”等宏观量子现象都可以在量子力学的框架下得到满意的解释。

5-3.丰富的亚原子粒子

原子结构的发现和对应量子力学的建立大大增强了人们认识微观宇宙的能力和信心。从当时已知的理论推断尚未发现的亚原子粒子的存在，而实验中又不断证实这些推断，最为戏剧化地构成了二十世纪物理学的发展。第一个案例便是中子的发现，它标志着人们进入了研究亚原子的世界。

早在1815年，英国医生兼化学家普劳特（W. Prout）根据多数元素的原子量是氢原子的整数倍，提出所有元素都是氢原子组成的假说。不过没有人认为这是可以接受的，因为根据定义元素是不可再分的。100年后，1914年人们在原子的有核模型的基础上讨论原子核的组成时才又想起了这位老兄。为了纪念普劳特，氢原子的核被命名为Proton（中文翻译为“质子”）,源于希腊文意思是“基础”的Protos，发音与Prout相似。由于原子为电中性的，人们自然想到一个质量数为A，原子序数为Z的原子核应是由A－Z个电子和A个质子组成的。但是这种结构不能解释核的自旋与核的稳定性。为此卢瑟福1920年提出，原子核内应该存在一种质量与质子相近，由电子与质子紧密结合起来的中性粒子。卢瑟福一直苦苦寻求这种中性粒子，但是一直到了1932年才被他的学生查德威克（J. Chadwick）戏剧性地确认。查德威克把这种新粒子命名为Neutron，中文翻译为“中子”。

由于中子不带电荷，它在进入原子核时不受质子或a粒子所遭受的静电斥力，所以立即被用来轰击原子核。1938年12月22日德国放射化学家奥托.哈恩（Otto Hahn）发现中子对铀原子核的轰击可以造成放出巨大能量的铀原子核的裂变（比一般化学炸药的威力大5千万倍）。1939年1月27日玻尔在美国华盛顿理论物理学会上透露了哈恩的发现，一些好事之徒立即想到如果在铀原子核裂变的同时顺便再产生一个中子岂不妙哉？这个中子又会劈开另外一个铀原子核。不到两个月，法国的约里奥－居里夫妇，流亡美国的匈牙利物理学家西拉德（L. Szilard）和意大利那位有名的费米（E. Fermi）都看到了上述猜测，并证明这种过程发生得极快（只需50万亿分之一秒）。于是乎，人们就造出了臭名昭著的原子弹。严格地说应该叫原子核弹，但是当时只有极少数的物理学家知道原子核是什么东西，而原子已经被人们谈论了两千多年，所以简称为原子弹。原子弹的产生过程虽然有很多激动人心的科学发现在里边，但它的出现让我等网民至今还生活在恐怖的环境之中，固特在此略去。

三十年代初亚原子世界的粒子动物园中只存在常见的电子、质子、光子和短寿命的中子。这是人们达到的最简洁的小宇宙。在放射性发现不久，人们系统研究射线引起空气电离的现象时，注意到没有放射源存在的情况下，空气中有时也会有电离发生。1912年美国的郝斯（J. F. Hess）发现引起这种电离的是来自太空的射线，因而他名之为宇宙线。最初人们对宇宙线的研究中发现它的成分不外乎是质子、a粒子或少数已知的原子核等。然而在1932年8月美国物理学家安德逊（C. D. Anderson）用威尔逊发明的云室从宇宙线中发现了狄拉克预言的正电子，这是天上掉给粒子物理学家的第一块馅饼。

中子发现不久，海森堡认为b衰变就是原子核内的一个中子放出一个电子变为质子的过程。泡利为了让b衰变中能量守恒预言应存在一种质量很小且不带电荷的中性粒子，后来费米称其为neutrino, 中文翻译为“中微子”。在此基础上费米1933年提出了以他命名的b衰变理论。为了解释核力，1932年海森堡提出中子与质子之间是通过交换一个电子来紧紧结合在一起的。就象两个原子间交换电子形成化学键一样。1934年日本物理学家汤川秀树（H. Yukawa）进一步提出介子场理论，认为核力的力程只有10^-15 米，中子与质子之间交换的粒子（称为介子）应是电子质量的200多倍（该质量介于电子和质子之间，所以被称为介子）。本来人们并不把这些理论当成一回事，但是在1936年上述美国物理学家安德逊在测量宇宙射线的穿透能力时发现果真有质量与汤川秀树预言的介子一样的粒子。日本汤川秀树的介子理论开始引起了重视。

有趣的是安德逊看到的介子在寿命上（2x10^-6 秒）并不是汤川秀树预言的介子（2x10^-8 秒）。为了解决这一困难，大和民族的另外一个物理学家坂田昌一在1942年提出了两种介子的理论，他认为安德逊看到的介子是汤川秀树预言介子衰变的产物。果然1947年英国物理学家鲍威尔（C. F. Powell）从宇宙线中发现了秀树预言的介子。为了区别，汤川秀树预言的介子称为p (pi)介子，安德逊看到的介子称为m (miu)介子。后来发现m (miu)介子与核力无关，而改称为m (miu)子。

虽然量子电动力学可以很好地描述m (miu)子的行为，使人们认识到m (miu)子只是更重一点的电子，但是m子在物质结构中根本不具有存在的必要。另外，1947年英国物理学家罗彻斯特（G. D. Rochester）等在宇宙线的云雾室照片中发现了两种成V字型的径迹。根据能动量守恒推断其中一种是质量约为电子的1000倍的中性粒子衰变成两个带电的p介子所产生，另一个为质量也约为电子的1000倍的带正电粒子衰变成一个中性粒子（pi^0 ）和一个带正电粒子（pi^+）而产生的。这些粒子最初被称为V粒子，后来被称为q (theta)粒子，最后被称为K介子。1949年英国物理学家鲍威尔又发现了另一个质量也约为电子1000倍的带电粒子，它可以衰变成为三个p (pi)介子。开始被称为t粒子，最后也被称为K介子。这其中的奥妙引发了粒子物理学中的一场小革命。美国的华裔物理学家扬振宁、李政道据此于1956年4月提出了弱相互作用中宇称不守恒。宇称守恒定律是1927年匈牙利物理学家魏格纳提出的，其大概意思就是说物理规律在镜子中看也是一样的。而宇称不守恒，则有可能使镜子里的猪八诫象美女一般。扬李的猜想很快就被袁世凯的孙媳妇，美国华裔物理学家吴健雄女士用钴60的b衰变实验所证实，扬李因此得到了1957年的诺贝尔物理学奖。不幸的是扬李之间的友谊也象弱作用中的宇称一样没有守恒。

5-4.加速器的功勋

宇宙线，为人们研究亚原子世界提供了最初的研究对象来源，直到1955年人们对亚原子粒子的发现与研究主要都是靠天吃饭。加速器的使用，使人们进入了制造新粒子的时代。卢瑟福在1902年提出了元素嬗变理论后，人们觉得千百年来点石成金的梦想终于可以实现了。他们用带电的天然a(alpha)粒子去轰击各种元素希望引起变革，但结果实在是有限：原因是天然a(alpha)粒子的能量和强度都太低。卢瑟福情急之下动员人们用人工加速带电粒子，原理就是带电粒子在电场中受力会产生加速运动。最初的加速器就是1932年在卢瑟福的实验室中建成的，通过让带电粒子穿过一级级的高压电场它可以把质子加速到100MeV(MeV：百万电子伏特，即电子通过一百万伏特电压后所获得的能量)。但是高压电场特别容易造成加速管被击穿，使这种加速器性能进展缓慢。

另外一种加速器于1932年在美国物理学家劳伦斯（E. O. Lawrence）的实验室中建成，这种加速器利用了运动的带电粒子在磁场中会转圈的原理。带电粒子通过高压电场后进入加有磁场的金属盒，磁场会把它送回电极（这时电场及时改变方向）进行再一次的加速，所以称为回旋加速器。直径只有0.33米的这种加速器就可以把质子加速到1.25MeV。1939年劳伦斯在美国伯克利建成的1.5米直径的回旋加速器可以把质子加速到40MeV，在此基础上发现了许多新的原子核反应，为美国第一颗原子弹的建造立下了汗马功劳。劳伦斯得到了1939年的诺贝尔物理学奖。

在40年代初，回旋加速器增加粒子的能量也遇到了困难。原因是被加速粒子的速度在这时候已经接近了光速，爱因斯坦的狭义相对论要求被加速粒子的质量有显著的增加，使其不能按固定的时间回到再一次的加速电场之间。为了改变这种状况，人们可以调节变换加速电场的频率，也可以改变弯转磁场的强度，这种加速器称为同步回旋加速器。在1957年这种加速器已经可以把质子加速到720MeV，这种能量下的质子1958年第一次在实验室人工产生了我们前面提到的p(pi)介子。

加速器产生的p介子果然不负汤川秀树的期望，它愿意参与任何有强相互作用力的过程，与各种各样的核子状态粘粘糊糊形成了大量的共振态粒子，使得附属在原子核物理下的亚原子粒子研究从“高能核物理”名正言顺地成为“高能物理”。

在大量的共振态粒子产生后，人们觉得以前认为象质子，中子，p(pi)介子等这样的粒子为基本粒子就不是太合适了。实际上，早在1949年费米－扬振宁就提出有关p(pi)介子是质子p与中子n组成的想法。但这就象说把两个900多斤的大胖子绑在一起变成一个200多斤的苗条小姐那样令人不可置信。1956年日本的坂田昌一（S. Sakata）在p, n, 这两个900多斤的大胖子上又加上了另一个逾千斤的超级胖子L为基础来组成所有的强子（强子，是指参加强相互作用的亚原子粒子，如质子p，中子n，介子p(pi)等）。我们不得不叹服有这样勇气的科学家也只能在盛行相扑的日本帝国产生。有趣的是该模型确实可以解释与介子（自旋为整数的强子）有关的多种共振态（最初有关介子的概念就是前面提到的另一日本鬼子汤川秀树提出的），但是在解释与重子（自旋为半整数的强子）有关的共振态性质方面却遇到了很大的困难。

5-5. 夸克鸟的出世

为了帮助同胞解脱困境，1959年日本的小川修三把类似于中国古代八卦的幺正对称性引入强子的分类。美国的尼曼（Y. Neeman）和盖尔曼（M. Gell-mann）分别于1961年和1962年独立地进一步在幺正对称性的基础上提出了强子的八重态模型。该模型认为一组（8个）内部量子数满足幺正对称（SU（3））的粒子或共振态实际上是同一种粒子的不同状态。盖尔曼在此基础上的重子共振态的十重态模型所预言的 [Omega]^- 粒子，在1963年果然被发现。

在胜利的鼓舞下，1964年盖尔曼等进一步分析了自旋为1/2的重子八卦图，意识到如果引入三种比质子p与中子n更小一层次的他后来称为夸克（quark）的亚强子u,d,s（up, down, strange），那么引导他胜利的八卦图就有了坚实的数学基础了。夸克（quark）这一怪怪的名称来自于小说，盖尔曼提出上面新模型时正好读到小说中名为夸克（quark）的怪鸟叫了三声，盖尔曼便以夸克（quark）来命名他新发明的亚强子。大约在相同的时间，美国另一物理学家兹威格（Zweig）也提出了类似的模型，该模型中与夸克相对应的是兹威格称之为Ace的东西。1965－66年间一批以朱洪元为首的中国物理学家在伟大领袖毛主席关于事物都是一分为二的光辉思想指引下，也独立地提出了内容相近的层子模型。在这里层子对应于盖尔曼的夸克，意思为物质的下一个层次。

促使中国物理学家作出这种杰出成就的导火线，却是上述胆识过人的坂田昌一。在1964年8月坂田昌一率领的日本代表团参加在北京举行的国际科学讨论会，因前述有关他的强子结构模型非常符合毛主席的哲学思想，该日本鬼子的大作《关于新基本粒子的对话》特别被刊载到了1965年第6期的《红旗》杂志上。受到此事件的刺激，中国学术界立即从中国原子能研究所、北京大学、中国科学院数学所和中国科学技术大学调集了39位顶尖高手联手强攻强子的结构模型。其主要成果就是上述层子模型，其主要忽略掉的成果则是有可能使中国物理学家名垂世界物理学史的中国科学技术大学刘耀阳的论文。

在夸克模型面世不久，因为夸克被预言带有1/3的电子电荷，大多数物理学家都想亲眼目睹一下它们的庐山真面目。他们费了九牛二虎之力也没有找到自由的夸克。其原因就在于夸克还带有现在被称为“颜色”的量子数。刘耀阳作为上面的39位顶尖高手之一，早于夸克模型的创始人盖尔曼6年提出了夸克的“颜色”量子数。这种量子数对于夸克参加强相互作用就象电荷对于电子参加电磁相互作用那样，有同样的功能。在此基础上，物理学家们构造了描述强相互作用的精确理论：量子色动力学。它是当代微观世界理论--标准模型的两大支柱之一，我们下面一节会专门论述。根据该理论，带有“颜色”的夸克鸟们被物理学家当作好色之徒永远地囚禁在色空的“笼子”（如质子p，中子n，介子p(pi)等）里面。

夸克鸟们不仅带电参加电磁相互作用，带色参加强相互作用，它们还带有弱荷参加弱相互作用。为了解决我们下面要专门论述的标准模型的两大支柱之二的弱电统一理论中的一些问题，1971年美国的物理学家格拉肖（S. Glashow）等提出第四种夸克c（charm）的存在。格拉肖等的理论并没有被太多的人认真对待。 1974年美国华裔物理学家丁肇中在美国东部的实验中看到了由正反c夸克组成的超长寿命共振态时，却因不知这是什么东西而不敢马上发表实验结果。该结果据说是被组里的内奸捅到美国西部的瑞克特（B. Richter）实验组里，瑞克特马上把他们组里性能远远优于丁肇中使用的固定靶加速器的正负电子对撞机开足马力，找到了格拉肖预言的c夸克超长寿命共振态。丁肇中不得不把原该独吞的几十万诺贝尔物理学奖金现大洋分一半给瑞克特。最不幸的还应该是后世的物理学网民们，他们在提及上述正反c夸克组成的超长寿命共振态时不得不用J/Y (THI)这种双重名字，因为丁坚持用J，而瑞坚持用Y (THI)。

正负电子对撞机是另外一种粒子高能加速器，它可以使两束能量都为E的粒子迎头相撞，把它们全部2E的能量都用来产生新粒子。而单束能量为E的粒子打固定靶，其有效能量只有SQRT(2E) 的大小。所以我们不难理解后面的能量更高的正反c夸克共振态都是以Y (THI)命名。

接下来的1975年美国西部的佩尔（M. Perl）发现了t轻子--电子e家族中的老大。1977年莱德曼（L. M. Lederman）在费米实验室发现了漂亮的b（beauty）夸克。1983年意大利的卢比亚（K. Lubia）在瑞士的日内瓦欧洲核子研究中心找到了弱电统一理论中期待已久的中间矢量玻色子 W，Z^0 。经过几十个国家的几百名物理学家十多年的努力后，最终在1994年从费米实验室的正负质子对撞机上找到了标准模型所要求的级别为上的最后一个夸克t(top)夸克。

然而好奇的粒子物理学家并不就此罢手，他们一定要看一看在标准模型里悄悄使几乎所有粒子凭空得到质量的黑格斯粒子长得是什么样。这也是标准模型里预言的最后一个没有被发现的粒子。为此他们必须有巨型的超级超导对撞机（SSC）这样的大型加速器。聪明的粒子物理学家们科学地论证了该巨型超级超导对撞机建在美国总统老布什做过参议员的德克萨斯州最合适。不幸的是，美国前任总统克林顿上台后，慑于前面提到的强大反科学阵线，同时大概也是怕这一代粒子物理学家过早地找到了所有的东西而使以后的粒子物理学家没有饭吃，终于在1993年花费了纳税人的三十多亿美元后封杀了这一工程。

5-6. 量子场论

我们前面多次提到描述微观粒子世界的标准模型，在介绍标准模型之前我们有必要介绍一下更基础的物理理论--量子场论。

前面提到的量子力学方程是对粒子波粒二相性的描述。我们已知电磁场是波动的，那么电磁场的粒子性怎样体现呢？在泡利1906年和德拜1910年有关电磁场的理论研究启发下，狄拉克在他1927年2月《辐射的发射和吸收的量子理论》的论文中提出了按照谐振子量子化的方法处理后，电磁场也满足薛定谔方程。因为通过傅立叶变换，电磁场可以被看作是无穷多频率不同的简谐振动的谐振子的线性叠加。

1928年1月狄拉克又提出了满足量子化条件的电子的相对论运动方程，该方程不但自然地引出了电子的自旋、磁矩和索莫菲有关光谱的“精细结构”，同时还存在一个完全对称的负能量解。狄拉克舍不得丢掉这个负能量解，便提出了正电子的概念，我们前面已经提到，正电子于1932年被发现。在狄拉克提出的电磁场量子化的方法上，1928年约旦、维格纳、海森堡与泡利等进一步把粒子的波函数作为经典场再一次量子化，结合狄拉克的上述电子的相对论运动方程，建立了最初的量子场论，其主要目的是为了解释光子的发射与吸收。因当时涉及的相互作用只有电磁力，所以又被称为量子电动力学（QED），它是量子力学与电磁理论的统一。

量子场论描述粒子间相互作用的基本物理图象是：在空间中充满了各种各样的物质场，它们之间不断相互叠加和相互作用着。实物粒子是对应于该种粒子物质场的激发态。不同状态的粒子会通过相互作用吸收或发射与它本身性能有关的场量子来改变自己的动量，能量甚至湮灭。比如中微子只带有弱荷，它只能与带有弱荷的粒子之间交换中间矢量玻色子来改变自己的状态；电子同时带有电荷和弱荷，它可以与任何带电粒子之间交换光子或与带有弱荷的粒子之间交换中间矢量玻色子来改变自己的状态；夸克带有色荷，它可以与任何带色的粒子之间交换胶子来改变自己的状态。另外，夸克同时也带有电荷和弱荷，所以它也可以同电子和中微子之间交换光子或中间矢量玻色子来改变自己的状态。

真空是物质场的能量最低状态，量子化的真空可以看作是充满各种各样虚粒子的海洋。当正负电子湮灭时，产生的纯能量可以激发任何物质场。这为人们用正负电子对撞机研究各种其它粒子提供了理论基础。当然粒子越重的物质场越难激发，同时它们的产生要满足相关量子数的守恒。比如正负电子 e对撞湮灭后产生正负 m(miu)子对所需e 的能量不到250MeV；而要产生正负中间玻色子对W 则要上述能量的300多倍。

量子电动力学产生以后，成功地被用于如康普顿效应，光电效应，韧致辐射，电子对的产生和湮灭等过程。但是人们不久就发现量子电动力学中有不可避免的发散现象（计算结果出现无穷大）。发散现象并不是量子电动力学所特有的，从1897年汤姆逊发现电子后，人们就对电子的大小有过不少猜测。根据经典电动力学，电子在其半径为r的周围空间中所产生的电磁能量为e^2/2r 。其e为电子的电荷为有限值。如果电子没有大小，则该值会线性地趋于无穷大。如果电子有大小，那么由于电荷间的库仑作用，电子将是不稳定的。1906年，彭加勒曾假设电子中还存在另外的力来抵消库仑力。但大多数人宁愿相信电子是点粒子，因为实验上测不出电子的任何大小，而量子电动力学的发散也是因为电子为点粒子所造成的。下面的问题是怎样对付发散，它总要比引入一种全新的物理学力要经济些。果然功夫不负有心人，经过近半个世纪多位理论物理学家的不懈努力，在1947到1948年间量子电动力学的发散问题在通过被称为重整化的方法下得到了解决。

建立重整化方法大致经过了三个里程碑：首先韦斯克夫（Weisskopf）等发现量子电动力学的发散要比经典电动力学中的发散慢一些，即不是呈线性而是呈对数趋于无穷大；其次丹克夫（S. Dancoff）等发现量子电动力学中所有的发散都可归结为粒子的自能和真空极化这两种发散；最后是日本的朝永正一嘞（S. Tomonaga）、美国的费曼（R. Feynman）和施温格各自独立地发明了一套确定的数学步骤，把不可观测的参数重新定义为实验上可测量的量。朝永正一嘞做过海森堡学生，他在轰轰烈烈的第二次世界大战中能静下心思与无穷大缠斗当属不凡。其次是费曼，他在美国原子弹计划中经常过早地完成工作，不得不用溜门撬锁来打发时间，玩玩无穷大或可对他提供无穷大的乐趣。另外费曼在此过程中发明的路径积分和费曼图方法现今已被广泛地应用在量子场论中。最后一个是被称为神童的施温格，能在29岁成为哈佛大学正教授自当有两下子。

重整化方法虽然一直到现在还都没有找到坚实的物理基础，但它在量子电动力学的计算过程中确实管用。在1947年，因领导科学家制造出原子弹而名声大燥的奥本海默发起召开了在美国谢尔特岛上的理论物理科学家会议。会上着重讨论了当时两项最新的精密实验测量结果：氢原子光谱的兰姆移动和电子的反常磁矩。在使用了重整化方法后得出的计算结果与实验完全一致，使电动力学成为现今物理学中最精密的一门学问。朝永正一嘞，费曼和施温格也因此瓜分了1965年诺贝尔物理学奖金。

5-7. 标准模型

在放射性发现后，人们就开始意识到这是自然界存在另外一种相互作用的一种表现。首先为这种相互作用建立定量理论的是我们前面提到的费米。以量子电动力学为样板，费米在1933年比葫芦画瓢造地出了以他命名的b衰变理论。因为这种相互作用远远小于电磁相互作用的强度，所以后来被称为弱相互作用。不要小看这种弱相互作用，它可以通过各种衰变过程不断地把原子核中储存的巨大能量释放出来。这种能量使我们的地球内部一直保持高温，托着我们居住的大陆漂来漂去。不同大陆板块相互撞击过程中产生的火山喷发带动了对生命演化过程中不可缺少的碳循环，所以才有了我们人类的今天。

费米理论的物理图象是弱作用中涉及到的四个粒子在同一点上发生作用，这不符合量子场论的精神，同时也不满足于相对论。但由于弱相互作用非常弱，费米描述弱相互作用的b衰变理论则不必挖空心思地进行重整化也会与实验很好的符合。1934年汤川秀树提出弱相互作用中交换有质量的粒子。1939年克莱因提出这种弱相互作用中交换的有质量粒子的自旋为1，所以它们又被称为中间矢量玻色子。1957年施温格指出如果中间玻色子足够重，弱电相互作用只需一个耦合常数，首次显示了弱电统一的可行性。1958年布鲁德曼（Sidney Bludman）等为了让费米理论满足相对论，在实验的基础上又建立了弱电相互作用的V－A理论。1960年格拉肖提出需要中性的中间玻色子，1961年他在规范场理论的基础上提出弱电统一理论，但是没有得出有质量的中间玻色子。

借助1964年卡比波提出的弱作用中夸克的混合为弱本征态的概念和黑格斯（Peter Higgs）机制的提出：存在一种标量场，该场与粒子作用使它们获得质量。1967－68年间温伯格－萨拉姆各自独立提出有质量的中间玻色子弱电统一理论。黑格斯机制保证了用对称的数学形式描述不对称的物理世界。1971年温伯格－萨拉姆理论被年仅21岁的研究生特霍夫特证明是可以重整的。在欧洲核子研究中心证实了中性流的存在后，1979年温伯格，萨拉姆和格拉肖获得了诺贝尔物理学奖。他们的弱电统一理论成为我们现在所称的标准模型的两大支柱之一，它可以描述距离小到10^-17 厘米的微观宇宙中粒子间的行为。

标准模型的两大支柱之二为量子色动力学。它是描述微观粒子间的强相互作用的量子场理论。我们前面提到的1934年日本物理学家汤川秀树的介子场理论是用量子场论描述强相互作用的最初成功的尝试。在夸克模型和夸克带有颜色的理论被认可后，日本的Nambu 在60年代中提出满足SU（3）规范对称的颜色理论。70年代初建立了以非阿贝尔的规范场理论的强相互作用理论：量子色动力学。其中“色”是传递强相互作用的类似于电荷的东西，它与电荷不同的是当夸克间的距离近时相互作用减弱，而远离时相互作用增强。这种特性产生的原因是传递强相互作用的胶子本身不干净，它们都带有色荷，自相互作用产生的大幅度的真空涨落造成了夸克禁闭：使我们看不到自由的夸克。

上述描述弱相互作用、电磁相互作用的弱电统一理论和描述强相互作用的量子色动力学合在一起称为（微观粒子世界的）标准模型。在目前所能达到的 厘米尺度下标准模型可以很好地描述所有观察到的现象。标准模型认为：组成物质世界的基本单元为以下表中的各种夸克，轻子以及他们的反粒子；在它们之间传递相互作用的是规范粒子；黑格斯粒子负责在所有以上粒子间制造质量上的贫富差别。

4-1. 普朗克与爱因斯坦的光量子

为了解释英国佬瑞利算出的黑体辐射的紫外灾难，以稳健著称的德国物理学家普朗克（M. Plank）一咬牙提出了能量的不连续性，打响了革命的第一枪。普朗克1894年开始研究黑体辐射问题，1899年导出维恩定律。1899年底德国物理学家鲁本斯（H. Rubens）测得黑体辐射的分布在长波范围内与维恩定律不符。1900年10月7日下午鲁本斯夫妇访问普朗克时提到，1900年6月英国瑞利推出的公式在长波范围内与他的实验一致。普朗克当天晚上就着手在自己1899年导出的黑体辐射分布基础上作了改进，使之在短波时渐进满足维恩定律在长波时渐进满足瑞利公式。他在1900年10月19日德国物理学会上以《维恩辐射定律的改进》为题目报告了这一结果，当天晚上鲁本斯就以实验证明了普朗克公式的正确。

普朗克的公式是根据实验数据拼凑出来的结果。为了对该公式提出理论上的解释，他紧张地工作两个月后发现，唯一的可能是假设黑体辐射的能量是不连续的。1900年12月14日，普朗克以《关于正常光谱的能量分布的理论》报告了他有关能量的不连续性的假设。该假设认为物体在发射和吸收辐射时，有一个最小的能量单元。普朗克称之为“能量子”，或简称为“量子”，该能量子的大小为hn(niu)（h=6.625x10^-34 焦耳秒，n(niu)为辐射的频率）。由此诞生了二十世纪物理学的两大支柱之一：量子论。

量子论的概念完全不为经典物理学所容纳，它所招致的反对也是显而易见的。在荷兰它得不到最有名望的洛仑兹的赞同，英法有关的物理学家都只认普朗克的公式而拒不接受能量不连续性的假设。连普朗克本人也认为自己做的太过分，多次尝试回到用连续的经典物理概念解释他的公式。在一咬牙喊出革命口号的普朗克战战兢兢多次准备与反革命妥协的关键时刻，一位在瑞士伯尔尼专利局工作名为爱因斯坦的年青忧太人则接过了量子论的革命大旗。

爱因斯坦于1905年3月发表的《关于光的产生和转化的一个推测性观点》论文中提出了光量子的概念。爱因斯坦的光量子与普朗克的能量子倒也没有太大的区别，所不同的是爱因斯坦认为光量子不仅仅是物体在发射和吸收辐射时才有，而是光在空间传播过程中的基本行为。爱因斯坦的这一概念为牛顿大师有关光的粒子学说找回了半壁江山，同时爱因斯坦认为光的波动学说应占据另一半的地盘，所以光本身兼有波与粒子两重性。

证实了麦克斯韦电磁波存在的德国物理学家赫兹1887年曾经注意到，他的接收电磁波的装置在受到紫外线照射时会出现电火花。在1897年电子发现后，人们知道这是一种光打出电子的现象并称之为“光电效应”。1902年曾在赫兹手下作助理的德国实验物理学家后来成为希特勒忠实信徒的勒纳德（P.E.A. von Lenard）在仔细研究该现象后得知，被光打出的电子的速度只同光的频率有关，同光的强度无关。而且只有频率大于一定下限的光才能打出电子。经典物理理论不能解释的这一现象，在爱因斯坦的光量子假设下得到了完满解释。爱因斯坦的光量子对“光电效应”的成功应用鼓励他在1906年用光量子概念解决了低温下固体的比热问题；1912建立了光化学的理论基础。

4-2．狭义相对论和广义相对论

为了解释迈克尔逊、莫雷的“以太”漂移试验结果，1889年爱尔兰物理学家斐兹杰诺（Georg Fitzgerard）和1892年荷兰物理学家洛仑兹分别独立提出了物质在运动中会有“收缩效应”。其收缩的大小满足正好使迈克尔逊－莫雷看不到他们期待的地球相对于“以太”的漂移。

洛仑兹开始认为物体是由分子或原子组成的，物体的大小取决于他们之间的相互作用强度。当这些分子或原子间的作用也象电磁作用那样是通过“以太”传播时，沿运动方向上分子或原子间的作用强度改变而引起收缩效应就不是不可思议的了。不幸的是经过多年的精密测量，人们并没有发现洛仑兹“收缩效应”所应有的透明物体的双折射现象和扭秤中额外的力偶矩现象。到了1904年，洛仑兹不得不接受法国彭加勒的观点：假定电磁相互作用与系统相对于“以太”的运动无关。在他关于《速度小于光速系统中的电磁现象》的论文中，给出了后来以他命名的时空相对论变换公式－洛仑兹变换，并证明麦克斯韦方程在洛仑兹变换下不变。同时，也产生了两个他不愿意看到的结论：粒子的质量随速度的变化而变化，粒子在“以太”中的速度不可能大于光速。为此洛仑兹在不愿舍弃萦绕在众多学者思想中两千多年的“以太”的前提下，不得不为“以太”断臂：取消“以太”的所有力学性质，“以太”只担当牛顿绝对空间的角色。

洛仑兹为经典物理进行的艰苦保卫战，令法国的彭加勒都感觉到真累，于是站出来摇旗呐喊鼓动革命。彭加勒在1895年研究拉莫尔有关电磁理论的论文时首次提出了相对性原理：要证明可称量物质相对“以太”的运动是不可能的。1899年彭加勒又明确提出了光速在真空中不变的原理，并指出不存在绝对时间和绝对空间。1904年彭加勒在美国圣路易学术讨论会上认为要建立一种满足洛仑兹变换的新动力学，原有的牛顿力学应该是新动力学在一定条件下的近似。

德国出生的，在瑞士伯尔尼专利局工作的爱因斯坦在不详知洛仑兹和彭加勒造反的情况下，1905年6月发表了《论运动物体的电动力学》，从另外一个角度对经典物理理论进行了更上纲上线的批判：

a. 在洛仑兹前三百年，近代科学的奠基人伽利略就对运动的相对性有过明确的论述：力学运动定律在任何静止的或匀速运动的坐标系看来其形式都是一样的。而描叙电磁相互作用的麦克斯韦方程组则只适合于静止的坐标系。而我们早已知道：法拉第电磁感应定律强调只要磁铁和导线有相对运动，导线中就会有电流产生，而与磁铁和导线所在的坐标系是否运动无关。所以爱因斯坦要求麦克斯韦方程组要在运动中的坐标系中有同样的形式。

b. 迈克尔逊－莫雷的“以太”漂移试验结果可以认为是光速在任何匀速运动的惯性系中不变（不仅仅是彭加勒提出的光速在真空中不变），那么“以太”这一为了传播光而引入的神秘介质就没有存在的必要，必须送上断头台。

在以上这两个前提同时成立的情况下，爱因斯坦认为牛顿的绝对时间和绝对空间是不存在的，不同速度的惯性系间物理规律保持不变的变换关系应该不同于以牛顿的绝对时间和绝对空间为基础的伽利洛变换。而爱因斯坦并不知道，他要寻找的这种关系在一年前已经被洛仑兹给出，即洛仑兹变换。没有什么难处，爱因斯坦在更自然的逻辑下给出了与洛仑兹一样的变换关系，正所谓英雄所见略同。所不同的是，洛仑兹在彭加勒等的唆使下一步一步地向经典物理理论割肉，而爱因斯坦在瑞士伯尔尼专利局待的不耐烦，抄起刀来就向牛顿大师的要害之处连捅几刀。在以后的几十年中，人们在多种场合下都听到过爱因斯坦向牛顿的忏悔。

爱因斯坦在用新的时空观改造牛顿的经典物理公式时，于1905年9月发现，物体的质量m与能量E有如下简单的关系：E=mc^2 ，为前面我们提到的放射性元素，特别是镭嬗变时所释放出的巨大能量提供了理论上的说明。爱因斯坦的上述理论，他自己称之为相对性理论，简称相对论。虽然所有的人都觉得他革命过了头，但爱因斯坦总觉得还不够，干脆把上述理论命名为狭义相对论。

爱因斯坦提出狭义相对论后，只有在德国的普朗克给予了积极的支持。洛伦兹却始终不愿放弃以太，绝对时空的信念。迈克尔逊直以他的实验引出相对论这个怪胎而后悔。英国对相对论的抵制达5－6年。美国鬼子则认为相对论没有什么实用价值而不予理睬。所有这些对爱因斯坦的继续革命都没有太大的影响。1907年爱因斯坦进一步要求力学运动定律在任何加速运动的坐标系中都应有一样的形式，该要求被称为协变原理。在这里爱因斯坦根据的是匈牙利物理学家厄岳（Eotvos Lorand）多年测得的牛顿定义的惯性质量和引力质量相等这一事实，认为坐标系的加速度等价于引力场。该假设被后人称为等效原理，爱因斯坦称这是他一生中最愉快的思想。根据等效原理，他在1911年推断出在引力场中时钟变慢和光线弯曲等效应。

促使爱因斯坦作出以上结论的早期启发来自于马赫原理：所有的运动，包括加速运动都是相对的；物体的惯性并非自身的属性，而是宇宙中所有其它物质对其作用的结果。为了具体给出替代牛顿万有引力方程的满足协变原理和等效原理的新的引力理论，爱因斯坦不得不再次求助他的同班同学格罗斯曼。经过三年多的努力，终于在1915年11月给出对任何坐标变换都是协变的引力方程。爱因斯坦这一新的理论，被称之为广义相对论。广义相对论的三大实验验证：水星近日点的近动、引力场中的时钟变慢和引力场中的光线弯曲已经广为人知，故略去。

我们上文讲到了美国鬼子迈克尔逊（A. A. Michelson）、莫雷（E. W. Morley）失败的“以太”漂移试验 (1887年) 和英国佬瑞利勋爵（Rayleigh, 原名J. M. Strutt）算出的黑体辐射的紫外灾难（1900年）。前者是从实验上否定了“以太”（aether）的存在。“以太”这个概念来自古希腊，意思为高空。法国出生的笛卡尔（R. Descartes）于1664年首先把它引入科学，表示一种充满宇宙，作旋涡运动的球形无重物质，它不能被人的五官察觉，但能传递力并能对物体产生作用。后者则对牛顿以来的物理理论提出了不信任案，其中包括人们赖以自豪的麦克司韦电磁理论、分子运动论和统计热力学理论等。如果要细究十九世纪末的科学大师们为什么落入了如此难堪的境地，在下有必要交待一些背景材料，特别是人们对光的认识。

3-1．光的波动与粒子之争

最早有记载的对光的研究大概当属我国战国时期（约公元前400年）的《墨经》。其中有300多字的内容论述了8条与几何光学有关的知识。古希腊的欧几理德，托勒密和阿基米德（约公元前287年）等也对光有过研究。据说阿基米德还组织人马用多块反射镜烧掉了古罗马海军的战舰。而信奉基督教的西方人则主要是从《圣经》中得到一些光的知识，因为在第一章创世记中，上帝说要有光，于是就有了光。在十五世纪文艺复兴的巨匠达－芬奇（L. da Vinci）横空出世前，西方人一直认为他们之所以能看见东西是他们的眼中会发出光线。

对光本性的研究，始于1665年英国物理学家胡克（R. Hooke）提出的光的波动学说。现在的大多数人知道胡克是因为他发现了以他命名的物体弹性定律。同时这位因染上天花而留下一脸麻子的科学怪才还用显微镜做了大量的生物学研究。他对牛顿大师早期光学研究的刁难(牛顿不信服他的光的波动学说)在一定程度上迫使牛顿转向天空而发现了万有引力定律。

荷兰物理学家惠更斯（C. Huygens）1678年对光的波动学说进行了严格的数学论证，使光的波动学说兴盛一时。因发现了万有引力定律而功成名就后的牛顿大师，终于不必理会胡克的胡搅蛮缠再度转回了光学的研究（他甚至还有闲情逸致做了大量的炼金术研究），在他1704年发表的《论光》的著作中明确提出了光的微粒学说。惠更斯光的波动学说和牛顿光的微粒学说都可以解释多种光学现象，同时也都有各自的不完善之处：例如惠更斯把光波理解成为声音一样的纵波，而牛顿则不能圆满解释两束光相撞后，它们的强度为什么都不会减弱等。

这两种理论对光在水与空气中的传播速度有着相反的预言，但终因当时的测量手段太粗糙而不能判别谁是谁非。鉴于牛顿大师的崇高威望，光的微粒学说便统治了西方学术界一百多年之久。直到1800年，一位叫托玛斯－扬（Thomas Young）的英国医生以著名的光的双缝干涉实验向光的微粒学说提出了挑战，借助法国土木工程师菲涅耳（A. J. Fresnel）1815年以来更为严密的数学论证，为光的波动学说平了反。以发明傅科摆而证明地球自转的法国实验物理学家傅科（J. B. Foucault）在1850年对光在水与空气中传播速度的判决性实验，使十九世纪下半叶的物理学家们完全放弃了对牛顿光微粒学说的顶礼膜拜。

但是光以什么为媒介来传播却令学者们煞费苦心。尽管胡克、惠更斯等用古希腊先哲们发明的“以太”来当此重任，但“以太”必须具备多种奇异的禀性来满足当时已知的各种物理学上的清规戒律。比如：实验表明光波是横波，而横波只能在对切变产生阻力的介质中传播，所以“以太”应该为一种固态弹性介质；从光的巨大速度看，“以太”应该具有极大的刚性；从天体不受阻碍地按牛顿定律运转，“以太”应该极其稀薄和没有质量；其中最为令人不安的是“以太”漂移问题。哥白尼的科学革命，牛顿大师的严格计算都要求我们居住的地球绕太阳运转。经过多位天文学家近两百年前仆后继的艰苦奋斗，证明地球绕太阳公转所应观察到的恒星位置变化，即所谓的“光行差”现象，终于在1727年被英国的天文学家布雷德利（J. Bradly）捕捉到。要用光的波动学说来解释“光行差”现象，则只能假设“以太”相对于太阳是静止的，因此地球绕太阳公转时相对于“以太”是漂移的。

前述美国鬼子迈克尔逊、莫雷的“以太”漂移试验是根据十九世纪的牛顿¾麦克斯韦（J. C. Maxwell）1879年寄往美国的一封信得到启示的。它的原理是：如果地球相对于“以太”运动，那么沿地球运动方向发出一个光信号，到一定距离后返回所需的时间，要稍大于同样信号沿垂直于地球运动方向在相等的距离上往返的时间。令迈克尔逊、莫雷沮丧不已的是，他们的实验精度已经达到0.0000000025还是测不出地球相对于“以太”的运动。

3-2．麦克斯韦的电磁理论

要了解英国佬瑞利算出的黑体辐射的紫外灾难，我们则需要回到电和磁。从古希腊时起，人们对电和磁的现象就有不断的兴趣。但是一直到了1800年意大利物理学家伏达发明了能提供恒稳电流的伏达电池，人们对电磁现象的研究才有了迅速的突破。在1820年，丹麦物理学家奥斯特（H. C. Oersted）发现电流周围有磁场。1822年法国物理学家安培（A. M. Ampere）给出了电流产生磁力的安培定律，奠定了电动力学的基础。1831年英国的实验物理学大师法拉第（M. Faladay）发现磁铁与导线相对运动时，导线中有电流产生。为了解释他发现的这一被称为电磁感应定律的现象，法拉第提出了“力线”和“场”的概念。认为带电物体和磁铁等是通过布满空间的电力线，磁力线形成的场来相互作用的。由于这一观念太具革命性，当时的物理学家都认为“场”是虚无缥缈的妄想。

一直到了1858年，才有年仅27岁的英国理论物理学家麦克斯韦（J. C. Maxwell）接收了这一革命思想。麦克斯韦认为，既然电磁物体间是分别通过电场和磁场来传递相互作用的，而运动的电荷（电流）会产生磁力，运动的磁铁会产生电力，那么运动的电场应会产生磁场，运动的磁场也会产生电场。在充分利用十九世纪二、三十年代发展起来的理论力学成果的基础上，麦克斯韦把法拉第场的思想用数学语言精确化，别出心裁地引入“位移电流”等新概念，该方程组预言了电磁波的存在，电磁波的传播速度为光速。1888年德国的物理学家赫兹（H. R. Hertz）通过电路的振荡放电在附近不相连的另一电路产生电火花验证了电磁波的存在。进一步对电磁波的反射，折射干涉和衍射等全面证实了麦克斯韦的电磁理论。

对黑体辐射的研究来源于人们对物体加热时获得的经验。当物体受热温度不太高时，它只能发出人眼看不见的热射线（红外线），随着温度升高，物体陆续会发出红光、白光、蓝光、紫光及能杀死细菌的人眼看不见的射线（紫外光）。黑体是指一种能完全吸收电磁辐射而完全没有反射和透射的理想物体。1893年德国物理学家维恩（W. Wein）从以上麦克斯韦的电磁理论推出，黑体的绝对温度同所发出的最大能量的波长成反比。为了验证黑体辐射的理论，1895年维恩和陆末（O. Lummer）提出：被严密器壁围起来而开一小孔的空腔加热后所发出的辐射接近黑体辐射。1896年维恩通过半理论半经验的方法得出一个描述黑体辐射本领最大值与黑体绝对温度间关系的公式。1897年陆末等从实验上实现了接近黑体辐射的辐射空腔，1899年陆末的测量发现维恩的公式在长波地区与实验不符。1900年六月瑞利根据严格的经典统计力学和电磁理论推出的黑体辐射能量分布曲线的公式。在长波地区与实验符合很好，但在短波区则严重偏离实验数据。该结果被荷兰物理学家埃伦菲斯特（P. Ehrenfest）称为“紫外灾难”

在面临的巨大挑战中，物理学家们的反映真是五花八门，但是绝大多数都是想尽办法抱残守缺。所幸的是最终他们的一部分走向了革命。

2-1. 科学的诞生

自从地处两河流域的苏美尔人被迫走向文明之后，世界各地大大小小地有几十处都先后走向文明，然后灭绝。其中最辉煌的古代四大文明，到如今也只剩下了泱泱中华硕果仅存。每当有关中国的重大场合，我们都会听到那悲壮的呼号:中华民族到了最危险的时候。作为这十三亿之众中的一员，作者也常常有不寒而栗的感觉。说到底，都是科技这玩艺没有被中华民族认同造成的。

所谓科技，就是科学和技术的简称。就一般的定义来说，科学是认识世界的一种方法论。其目的是寻求一个简洁、精确和统一的世界图象。而技术则是人们用于改造世界，使之更适合人类生存的各种手段。自从距今二百多万年前人类拿起石头制作工具起，技术就产生了。而科学则滥觞于距今二千多年前的古希腊。以英国工业革命为标志的技术与科学联姻孕育出科技距今也只有二百多年。如果单说技术，这老家伙待我中华民族也不是太薄：历史上还施舍过一些指南针，造纸术，活字印刷和火药什么的。而科学这贱人则只会崇洋媚外，至今还没有给我们什么象样的东西。

现代科学为什么没有在中国产生---这是以李约瑟老先生命名的难题。他老人家从大英帝国不远万里来到中国，换姓埋名苦苦琢磨了一辈子也没有给出个明确答案。本作者虽然也是不远万里从中国来到美国，购书万卷苦读至今对此也不敢妄下断言。为了一些没有科学史背景的读者，只好在此说上几句。

这首先要从西亚的两河流域说起。这里生活在距今五千多年前的苏美尔人因首先进入文明而生活美满。其周围的部落在文明的照耀下也逐步走向文明并繁衍出越来越多的人口。到了史称为巴比仑的时期，虽然有限的土地已经不能承受，但这些人好象知道他们脚下有石油似的就是不愿离开。为了争取生存空间他们经常打得头破血流。尽管他们那位名叫汉穆拉比的头儿为此颁发了现在还能看到的人类第一部法典来保证秩序，但他们还是不时提心吊胆地盯住天空，生怕天有不测的风云影响了他们的收成。久而久之倒也看出了一些名堂：他们在距今三千五百年左右发现了日食和月食的规律。

在距今二千五百年左右时，一位名叫泰勒斯的古希腊人跑到巴比仑把上述规律学了去。泰勒斯回到落后的希腊城邦，因用该规律预言在希腊人与波斯人开战时会出现日食应验而名声大燥。后来官拜希腊名城米利都（在今土尔其境内）执政并被尊为古希腊七贤之一。泰勒斯在得意洋洋之余断言万物都源于水而又被尊为西方的哲学和科学之父。要知道，在我中华文明发展的初期，一位杞国的人士也曾经有类似巴比仑人的情怀关心过上天。无奈竞被一些聪明的人讥为杞人忧天后放弃了努力。真令我辈痛惜！

说起这古希腊人，大家可能还记得在距今约三万五千年前的那批把欧洲土著尼安德特人斩尽杀绝的现代人种。辽阔的欧洲平原为他们提供了丰富的食物和纵横驰骋的空间。直到距今一万年左右他们才开始逐步地搭窝做棚住了下来。优越的自然环境使他们以女性血缘为主的母系社会绵延长达悠悠几千年。现代西方社会中至今还不敢把他们的父姓放到前面并有许多事情必须是 Lady First 大概与此有很大关系。这批 欧洲人中比较强悍的一支曾经占据了现今俄国黑海、里海北部和第聂伯河、伏尔加河之间的土地。在距今五千五百年左右，他们预见到了今天俄国的经济危机，惊恐之下便四处逃散。其中向南逃跑的在距今四千五百年左右看到了印度河与恒河流域之间古印度文明的曙光。在该光明的指引下他们又跑了五百年，大概是惧怕这些出了名的凶悍之人，古印度文明竞在此时熄灭了。又过了五百年，这批人才到古印度文明的废墟上住了下来繁衍子孙。所谓语言学上的印欧语系中的印这一支就起源于这批家伙。另一部向西南逃窜的，就是我们前面提到的古希腊人。

在距今大约五千年前，这批向西南逃窜的人看到了遥远的地中海上一个名为克里特的岛屿上发出了一些光亮。这是克里特岛在经受东南方向不远的古埃及和古巴比仑文明的长期照耀后而逐渐产生的文明曙光。他们之中一伙被后来历史学者称为阿卡亚人的部落在距今三千六百年前率先到达了克里特岛附近的迈锡尼。仿照克里特岛人的A-型线性文字，他们制做了表征印欧语系中他们的欧这一支的B-型线性文字。接着繁衍后代也象模象样地过起了文明生活。

到了距今三千四百年前，这批阿卡亚人趁着地震在克里特岛上造成的混乱灭掉了不属于印欧语系的克里特文明。在距今大约三千一百年前，另一伙向西南逃窜的被后来历史学者称为多利亚人的印欧语系部落也来到了迈锡尼。多利亚人看到了他们的先头部队阿卡亚人竟然堕落到了文明的程度，一怒之下又灭掉了阿卡亚人所创造的史称迈锡尼的文明。

从此在古希腊这块土地上，到腓尼基人在距今大约二千七百年前为他们发明表音字母的四百年间，多利亚人坚持不使用文字而是以口头传颂来保持他们的文化。以本作者之愚见，这也许是为什麽民主和科学产生在古希腊的原因。能通过口头传颂的神就是他们共同的神。能通过口头传颂的各种行为规则就是他们愿意共同遵守的法律。对于在他们逃窜的艰辛路途中曾经帮助过他们渡过各种难关而有资格上升为神??的众多英雄，也只有通过不断增强的逻辑联系来划分出清晰的谱系才容易口头传颂下来。最重要的是口头传颂大大加强了他们意识到的通过抽象思维可以认识周围世界的信心。所以在距今大约二千五百年前，他们听到那位名叫泰勒斯的人把千变万化的世界居然简化到了只有水这一样东西又怎能不万分钦佩呢?

如果我们反观那些率先使用文字的古代文明，他们死活不愿离开那旱涝保收的大河流域。不历什么大的艰险，也就没有多少英雄神??令他们歌颂。文字这种强有力的工具大多被用来传播统治者绝对权力的意愿。可叹的是我中华故国也没能免俗。

泰勒斯的声名远扬吸引了一位名叫毕达哥拉斯的人前来求学。因泰勒斯俗务在身不能言传身教，便请弟子阿那克西曼德初步调教后送毕氏去埃及留学。拜尼罗河周期泛滥所赐，古埃及人民不必象巴比仑人那样望天也能五谷丰登。但他们却必须花费大量精力去丈量不断被尼罗河淤泥盖住的耕地界碑。否则分配不公也会象巴比仑人那样打得头破血流。量来量去倒对算术与几何产生了许多心得。毕达哥拉斯到了这里一待就是十多年，最终不但把这些先进的数学知识都学了去，临回希腊时还顺手牵羊地带走了古埃及盛行的灵魂学说。习惯了古埃及炎热气候的毕达哥拉斯最终在古希腊南端一个叫克罗顿（位于现今意大利的南部）的地方住了下来。接着便开门立户，传授学问。出于对数字与几何的极端偏爱，毕氏宣称世界的本质是数。天上的日月星辰则是按理想数为半径的各个天球环绕球形的大地运转。

到此为止古希腊接收消化了古巴比仑和古埃及文明的精华，开始用他们所擅长的抽象思维来创造辉煌灿烂的古希腊文明。而我们中国在大约相同的时代也出了象老子和孔仲尼这类杰出的人物。他们虽然敬畏上天却不信神灵，对怎么做人和治人颇有心得。不幸的是没有重视用数学把握世界，以至于我中华民族始终生活在混沌如鸡子的世界里。

却说这古希腊的近邻波斯帝国，则是属印欧语系那批向南逃窜的一伙。他们征服了小亚细亚的米底人之后，就不断骚扰他们的远亲古希腊人。害得泰勒斯和毕达哥拉斯的弟子们不得不逃向北部雅典城。在那里他们有的纵横捭阖活跃于权贵之间，有的挂牌办学调教出了大批杰出人物，如象苏格拉底、柏拉图和亚里士多德这样的大学问家。而亚里士多德居然又调教出了亚历山大这样出名的帝王。最终亚历山大征服了他们的仇敌波斯帝国，进而远征古埃及和古印度把他们的科学和文化到处宣扬。和我们下文有关的希腊天文学家阿里斯塔克斯曾在亚里士多德创办的吕昂克学园中学习过，他首先提出了日心说，但因不能解释惯性现象而不被人接受。喜珀恰斯改造了柏拉图学院的欧多克斯在毕达哥拉斯宇宙模型基础上创建的同心球叠加模型，用他自己创立的球面三角建立了宇宙的本轮---均轮体系。该体系被托勒密纳入了他那本鼎鼎大名的《至 大 论》而统治西方天文学达一千多年之久。

2-2. 中世纪与文艺复兴

辉煌的古希腊科学随着古罗马帝国的兴起而衰落。同属印欧语系的罗马人的祖先与古希腊人的先祖大约同时逃到地中海边。然而罗马人却更崇尚武力。他们不但杀死了聪明的古希腊物理学家阿基米德，甚至把上帝的儿子---耶稣基督也钉到了十字架上。悲痛万分的耶稣弟子们便来用宗教毒害罗马帝国。首先门徒保罗宣称耶稣受难不仅是为了犹太人，同时也是为了拯救世界所有的人。然后他们跑到这时已是罗马行省的亚历山大城，利用还在那里流传的希腊哲学来包装基督教的教义使之容易为罗马帝国的上层人物接受。经过长达三百多年的不懈努力，终于使罗马帝国的皇帝君士坦丁一世成为基督徒并规定督徒教为国教。耶稣诞生的年份也成了罗马儒略历的元年。

现在我们再回过头看看上述印欧语系的人群开始逃离的那块俄国黑海、里海北部和第聂伯河、伏尔加河流域之间的土地。这时已经住上了被西方人称为匈（Hunt）的人。到了公元 375 年的时候，他们也感觉到了脚下的土地不是一块好地方并决定逃跑。从他们不敢向东跑的迹象判断，他们大概是被我中华帝国汉武帝赶到了我西北边陲那批匈奴人的后裔，尽管现在还没有确切的考古学证据。这批向西逃跑的匈奴人把大批印欧语系的凶蛮的日尔曼人赶到了罗马帝国的境内。最终导致了西罗马帝国的崩溃。

由此在当今世界如日中天的西方文明才开始走上历史舞台。所谓西方最初是指以希腊罗马为中心的西方。主要是由上述那些一个大字不识的日尔曼人部落组成。所幸的是首先有基督教为他们扫盲。然而这是有代价的，他们组成十字军为教皇与在公元 610 年开始兴起的阿拉伯人等进行了三百年的血腥战争。其中神圣罗马帝国的红胡子皇帝腓特烈一世在小亚细亚阴沟翻船被溺死，法王路易九世在进攻埃及时被俘，花了大批黄金才被赎回。所幸他们在战争中得到了经阿拉伯人发扬光大的古希腊科学和文化，我中华帝国的四大发明也经阿拉伯人之手到了他们手里。

在十字军东征中捞尽好处的意大利弗罗伦萨、威尼斯等地的商人为了制造更多的俗人以扩大他们的市场，在战争结束后不久又闹起了以复兴希腊科学文化为名的群众运动。没想到大批文人墨客，如彼特拉克、达芬奇之流也下海凑热闹而一发不可收拾。在公元 1453 年奥斯曼帝国征服了拜占庭帝国挡住了他们的东方贸易线路，使西方本来已经紧张的硬通货问题更加突出。无奈之下便打发哥仑布等人下真海寻求黄金。在上述托勒密那本《至大论》的一个伟大错误指引下，哥仑布等人不但找到了黄金并且还把“发现了”广阔无比的新大陆。这种运气我中国至今还没有过。现代科学便是看上了这笔横财决定投胎西方。虽然我中华在公元三到十四世纪 这一千多年的时间里科学技术不断进步，一直处于世界领先地位，但辛辛苦苦挣钱又怎能和抢银行的相比呢？

3-1. 科学的革命

公元 1492 年哥仑布发现新大陆，刺激了西方新兴资本主义的海上贸易快速增长。古希腊传下来的托勒密地心宇宙体系提供的天文历表精度越来越满足不了航海事业发展的需要。首先敢于向该体系发难的是波兰一个教堂的神职人员哥白尼。这位在文艺复兴的重地意大利留过十年学的叛逆者的勇气来自我们前面提到的阿里斯塔克斯的日心说和他自己的潜心观测。反对托勒密就等于反对上帝。原因就是我们前面提到的基督教的教义是希腊哲学包装过的。特别是那位赫赫有名的奥古斯丁因引用过托勒密体系论证上帝的存在而被封为圣徒。意大利的那位布鲁诺就因不识时务而被教会活活烧死。哥白尼只有在临死时才敢正式发表他那部引发科学革命的光辉著作《天体运行论》。

哥白尼的日心说也还是不能解释地球绕太阳旋转的时候为什么没有把我们这些因得罪过上帝的亚当夏娃而没有德性的后代给摔出去。这一大难题被几十年后出生在意大利比萨的伽利略解决了。他宣称我们有惯性，这一来他也得罪了上帝。因为亚里士多德没这么说过。而文艺复兴的重大成果之一就是基督教的教义又被更为有名的托马斯－阿奎那用亚里士多德的哲学包装了一回。当然伽利略的罪状还不止这一条。后来在丹麦贵族第谷花了一辈子时间积累的天文观测资料的基础上，德国的穷教师开普勒总结出了太阳系行星运行三定律。英国平民牛顿以前述意大利伽利略教授开创的新物理学原理加上他自己发明的微积分，给出了经典物理学的三大定律完成科学革命而被封为爵士。剩下的故事则人尽皆知，作者在此从略。

科学这小女子把上帝盘剥到只剩下第一推动的权力之后便开始窈佻丰满准备嫁人了。头一个被科学看上的是十八世纪末在大英帝国出现的蒸汽机。在他们眉来眼去的过程中，蒸汽机得到了越来越高的效率。作为回报，科学得到了能量守恒，熵增加和绝对温度不能达到这一组宇宙间最普遍的定律。

在科学小姐与蒸汽机调情的时候，一些行走于欧洲大陆的绅士嫉火日升。先是由以刻薄著称的哲学家康德把牛顿大师骂得狗血淋头，又由丹麦的奥斯特，法国的安培和德国的欧姆等摆弄电和磁来扰乱这位小姐的目光。当英国的法拉第和麦克斯韦等意识到危险而抢先把精美的电磁理论时装送给这位小姐时，已经稍微晚了一点。欧洲大陆，甚至那些没有绅士风度的美国佬也得到了她的秋波。

欧洲大陆之所以得到更多青眯的另一个原因是来自化学。中世纪的炼丹术在文艺复兴时由欧洲大陆的珀拉赛而苏斯、阿哥里克拉、郝而蒙特和波义尔引向了医学和矿物的研究。在德国斯塔尔的燃素说和英国普利斯特列，瑞典舍勒发现的氧气的基础上，法国的拉瓦锡创立氧化学说而完成了化学革命。为这位科学小姐所必须的涂脂沫粉创造了条件。不幸的是拉瓦锡在法国被完成了政治革命的人砍掉了脑袋。被科学小姐撩起了热情的各种技术使西方列强国力大增。他们不但相互之间大打出手，还把我中华帝国搅了个乌烟瘴气。往事不堪回首，不提也罢。

话说到了十九世纪末，以孕育出科技而显示了魅力的科学又被俄国门捷列夫化学元素周期律，德国施莱簦、施旺的细胞学说和英国达尔文的进化论打扮得更加抚媚。 但是详知科学这位女士与蒸汽机调情内幕的英国神童凯尔芬勋爵却看到了她脸上依然有两个令人不舒服的雀斑：美国鬼子迈克尔逊、莫雷失败的以太漂移试验和英国佬瑞利算出的黑体辐射的紫外灾难。这两个问题的解决将为我们认识宇宙提供极为有力的工具：相对论和量子论。

随着毛泽东主席去世的日渐久远，“人民”这个词也日渐失去其神圣性。当今最时髦的相近词语是“网民”：万维网(World Wide Web)上的人民。这是科技发展对当今人类生活影响最大的事物之一，大概为数不多的网民知道该项技术的最初产地是位于瑞士日内瓦市的欧洲核子研究中心（CERN）。现在该中心以物理学家为主的一小撮网民找到了新的刺激：在多维世界里冲浪。这里的“多维”似乎比上述“万维”少了许多，但是它的意义却极不平凡，可能引起科学里的又一次革命。

近代科学革命的起因之一是十六，七世纪意大利的伽利略（1564-1642）对古希腊亚里士多德的某些论断的怀疑。亚里士多德认为重的物体下落得快，轻的物体下落得慢。伽利略说把一个重物体和一个轻物体绑在一起，称之为重轻合体，重轻合体下落得快慢何如？根据亚里士多德上述论断，重轻合体下落得应不快不慢（轻的物体会拖累重的物体）。但从另一方面讲，考虑到重轻合体比上述重的物体更重，它应下落得比上述重的物体还快。为了解决此矛盾，伽利略区分了速度和加速度，通过建立数学模型和实验最后证明了物体下落得快慢和它的轻重没有关系。伽利略去世后一年，诞生在英国的牛顿（1643-1727）用他自己发明的微积分把前人，特别是伽利略的成果，定量化为三个定律而完成了近代科学的革命。

这项革命到今天的成果之一是：上帝被物理学家囚禁在10^-33 (一亿亿亿亿分之一) 毫米的尺度内，出来放风的时间不能超过10^-43 秒。这是一位名叫普郎克的德国物理学家在1900年通过提出量子论而设计的监狱。有人怀疑这是普郎克在为他的德国同胞哲学家尼采打抱不平：尼采曾说过上帝死了，有人听到上帝回嘴说尼采死了，而尼采在1900年真的死了。在此之后，上帝本人可谓是是大丈夫能伸能屈，还没有人出来证实听到上帝再抱怨过什么。但是上帝众多的不懂科学或不愿意懂科学的善男信女，在被逼无奈的情况下终于团结了起来，形成了强大的反革命阵线。在上世纪九十年代初，他们成功地逼迫美国国会封杀了物理学家已经下了三十多亿美金赌注的超级超导对撞机。面对强大的反革命白色恐怖，众多失去武器的实验物理战士纷纷逃离科学前沿，行走于华尔街，大公司等生活环境舒适的场所。

但是战斗在理论物理前沿的科学革命战士有几只秃笔就足够壮胆，特别是他们作为网民也可以拉帮结派迎接反攻。最近听到他们中有些人不断地拿着亚里士多德的某些论断说事，让人感觉到一场新的革命就要到来。顺手在万维网上捞了几把，果然抓到了几只冒烟的枪。从理论物理学的形象大使霍金博士不久前在中国的两场煽风点火，也可以印证本人不是喊狼来了的唯一多事者。这次受到挑战的亚里士多德论断是：我们的物理空间只有三个维度。挑战者认为：不一定。

挑战权威是成名的一条捷径，在各个领域都有胆大包天之徒。在亚里士多德物理空间只有三个维度的论断的两千多年的擂台上，当然也不乏挑战者。远的这里没有时间详加考证，近代比较知名的有德国数学家黎曼(Bernhard Reimann, 1826-1866)，他首先指出了在数学上构造多维空间的可能性与合理性。英国数学家克利弗（William Clifford，1845-1879）虽然英年早逝，但在他的“On the space theory of matter” 中指出物理空间可能大于三个维度。发明了检眼镜的德国物理生理学家赫姆霍兹（Herman von Helmholtz，1821-1894）在挑战麦克斯韦电磁理论的过程中也公开谈论过多于三个维度的物理空间，其学生赫兹（Heinrich Rudolph Hertz，1857-1894）接受挑战而发现了麦克斯韦预言已久的电磁波。

但是最成功地激发大众对多维空间的兴趣和想象力的则非英国数学家韩顿（Charles Howard Hinton，1853-1907）莫属。通过他丰富的想象力和严格的数学方法把四维空间的物体在纸面（二维）上几何图形化，由此导致了几部以几何空间维数为主题的科学幻想小说。这位娶了数学逻辑创始人布尔（George Boole）大女儿的怪杰又同时与名为Maud Wheldon的女士结婚。为了逃避法律惩罚，他不得不逃到远东的日本。这大概也算是西方世界的额外维空间了。受到韩顿激励而面世的一部著名科幻小说为埃博特（Edwin Abbott Abbott， 1838-1926）的“平面帝国”（“Flatland”）。1877年伦敦的斯莱德（Henry Slade， 1835-1905）案件使多名著名科学家卷入多维空间的讨论。其中包括汤姆逊（J. J. Thompson）等。H.G. Wells的“时间机器”（1895）等都对多维空间有过生动的描述。

爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）1905年创立的狭义相对论把三维的空间和一维的时间通过洛仑兹变换联系起来。经爱因斯坦的老师之一闽可夫斯基（Hermann Minkowski）1909年的建议，所有的物理事件都应在三维空间和一维时间组成的平坦四维时空中描述。所以这种平坦四维时空又称为闽可夫斯基空间。芬兰物理学家诺斯托姆（Gunnar Nordstrom， 1881-1923）1914 年首先提出高维时空统一引力与电磁力的尝试，由于第一次世界大战而没能引起人们的注意。

爱因斯坦的广义相对论 （1915），把弯曲的黎曼空间引入物理学。德国物理学家卡鲁查(Theodor Kaluza，1885-1954) 1919年提出了5维时空统一引力与电磁力的尝试。瑞典物理学家克莱茵（Oskar Klein，1894-1977） 1926年建议第5维空间收缩在普郎克尺度10^-35 米内。由于不能包容当时神秘的弱力，巨大的强力，多维空间的讨论以后就被埋在故纸堆中。后面两种力加上电磁力在量子场论下被规范原理统一，谱写了二十世纪物理学的主旋律。同时二十世纪的天体物理学认为宇宙是起源于一次大爆炸。为了对这种爆炸的来龙去脉给出个合理的说法，亚里士多德关于我们的物理空间只有三个维度论断受到挑战。增加的时空维数被用来兼并统一所有的物理理论，展开我们所安身立命的宇宙演化过程。

欲知详情，请读者先随我简短地回顾一下科学史，特别是物理学史以及人们对宇宙的认识历程。接着看一看挑战者们如何闪转腾挪施展本领；最后由读者自己判断挑战者的命运。万一看得走火入魔加入了挑战者的行列，则正中本人下怀。

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些些夏翁转贴

当今物理学理论是在两根柱子的支撑下向前发展的：广义相对论和量子论。广义相对论统辖引力相互作用拿着我们居住的地球，照耀我们的太阳，带着太阳兜圈的银河系，乃至整个宇宙说事。量子论统辖电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用拿着组成我们身体的分子，原子以及我们日常生活周围的一切事物说事。它们说事的时候尽可能地相互忽略对方。客观环境也允许它们这样做，因为在分子，原子的尺度上引力相互作用可以完全忽略不计。而在地球，太阳，银河乃至整个宇宙的尺度上电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用自我相互抵消，饱和，也可以完全忽略不计。最根本的是广义相对论和量子论从原理上就不相容。

不幸的是上个世纪物理学，特别是天体物理学的发展让大多数物理学家认为我们所安身立命的宇宙是起源于一次大爆炸。当然这种爆炸不是我们所能见到的任何炸弹引起的，即使是瞬间夺去日本大和民族数十万臣民性命的原子弹也根本沾不着边（它充其量也只在弹丸之地的日本小岛上炸个小坑而已）。这种爆炸的力量表现在把银河系这样巨大的天体炸得四处分飞。为了对这种爆炸的来龙去脉给出个合理的说法，广义相对论和量子论都使尽了它们所有可以用的语言，直到今天还是语焉不祥，漏洞百出。明眼的物理学家早就看出若广义相对论和量子论能联姻成一体，这种合理的说法也就会水到渠成。无奈的是它们各自都放不下身段，象爱因斯坦这样聪明的科学大师穷其毕生精力也没有促成这桩婚姻。这物理规律可不象我们人类，这辈子没缘分下辈子再说。物理学家所能做的则是引出额外的空间维度来包办它们的婚姻。想象一下，我们所生存的三维物理空间，引入时间作第四维，则时间于我们的世界无处不在。现在物理学家已经把物理时空可能的维数扩充到10维，11维（还曾经到过26维），同时用超弦弹出M理论这样的宇宙之音，把我等网民乃至整个宇宙都压缩在一层薄膜上，且看广义相对论和量子论还能怎样逃脱？本文试图用通俗的语言来介绍上述近代物理学的发展和这种统一工作的努力和进展。