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| 編輯推薦： |
★ 国内最有影响力的引进版科普图书《第一推动丛书》物理系列的最新最全合集！
★ 汇集全球一流科学家的一流科普作品
★ 第一推动，让我们站在巨人的肩膀，发现宇宙的和谐与美丽
★ 拨动《宇宙的琴弦》，续写《爱因斯坦未完成交响曲》，圆满《终极理论之梦》
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| 內容簡介： |
第一推动是2300多年前亚里士多德首次提出的哲学用语。指一切事物最后的目的与运动的终极原因。科学最重要的目标之一就是追寻其固有的原动力，同时科学的这种追求精神本身又是人类发展和社会进步最基本的推动。人类是有希望的，正是因为被誉为自身主宰的科学精神，即“第一推动”。
第一推动——国内最早、影响最大的引进版科普丛书，一套由当代世界一流科学家撰写的、倡导科学精神和科学思想的科普佳作，被称为“科学爱好者的精神家园”，已经走过了辉煌20年，成为了经得起时间检验的经典！
湖南科学技术出版社首次集中推出《第一推动丛书》物理系列的最新最全合集（共计11册），统一封面成套推出，便于广大读者购买，更值得收藏。
11册分别为：
《宇宙的琴弦》
B?格林是当今世界领先的弦理论家之一，他十分精妙地把科学思想与写作融合起来。本书撩开了弦理论的神秘面纱，揭示了一个十一维的宇宙。那里，空间的纤维撕裂了又自己缝合起来，一切物质——从最小的夸克到最巨大的超新星——都在微观的小能量环的振动中产生。
本书荣获2000年安万特科学图书奖。从愉快的园中漫步到浇花龙头上的蚂蚁，为了说明现代物理学正在揭示的美妙而困惑的实在，格林用了很多例子。本书的才情令人眩晕，也没有哪本书像它那样启迪思想，愉悦读者。它真是一部科学的杰作——一次愉快清心的现代物理学旅行，让我们比以前离宇宙更近了……
《上帝与新物理学》
本书不是谈宗教的书。本书谈的是新物理学对以前的属于宗教的问题产生的影响。本书也不是一纯科学的书。本书是关于科学及其广泛含义的书。
本书的主题是所谓四大存在问题：为什么大自然的规律是现在这样？为什么宇宙是由现在组成的各种东西所组成的？这些东西是如何起始的？宇宙如何获得了组织？在本书将近结尾时，对这些问题的试探性答案开始显现。
《时间之箭》
本书论证了现代科学理论关于时间的最普遍观点。时间就像一只箭，射向未知的前方，把过去永远留在后面。作者回顾了3个世纪的科学史，大胆地对牛顿力学、爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论、量子力学以及最近的混沌理论进行了重新解释。
《终极理论之梦》
找寻大自然的终极理论是一场伟大的理性的历险。终极理论的梦想激发了今天的许多高能物理学的研舞。虽然我们还不知道那终极理论会是什么样子，也不知道还要过多少年才能找到它；但我们相信，我们已经模模糊糊地看到了它的身影。
诺贝尔物理学奖获得者温伯格为我们讲述了对自然的统一理论的伟大追求，引导读者从相对论和量子为学走到今天的超弦以及可能与我们同在的别的宇宙。
《时间、空间和万物》
物理学有好多奇妙而令人疑惑的思想，可异它们都被锁在小盒子里，只有极少数的人拿着钥匙。作者用简单、没有数学的语言告诉我们，关于宇宙的基本结构、物理学会说些什么。他讲了现代物理学的所有基本概念，如基本粒子、黑洞、引力、量子论、时间、质量、相对论和能量还包括了一些近年涌现的概念，如弦、虚时间和混沌。他清晰而睿智的描述，将一般读者引向激动人心的世界，也为科学家们展望了科学的未来。
《亚原子粒子的发现》
原子物理中，原子各组成部分的发现过程一直是人们关注的焦点。本书突出这些粒子在经典物理学中所遵循的基本原理，并且新的概念都是建立在以前物理知识基础之上。在作者“带领”下，我们不但领略众多物理学家例如托马斯（Thomson）、卢瑟福（Rutherford）、密里根（Millikan）、波尔（Bohr）、查德威克（Chadwick）的风采，还可以感受物理圣地英国剑桥大学卡文迪什（Cavendish）实验室所流露出的浓厚的文化底蕴。本书适合物理专业的在校本科生，也可以作为相关科技人员的参考书。
本书共分五章：第一章粒子世界，主要总结已发现的众多粒子种类、大小等；第二章介绍电子的发现，包括电子的本质、放电和阴极射线等。读者会发现其中穿插了精彩回顾部分，这是此书的亮点之一；第三章介绍原子尺度，例如如何测量放电、如何测量原子重量等；第四章介绍核子的发现，详细叙述原子数目、中子等问题；第五章介绍更多的粒子，包括声子、正电子、反离子等。附录中还讲述了一些经典的物理学知识。
《存在之轻——质量、以太和力的统一性》
几乎在不知不觉中，我们对自然界最深层次实在的理解在过去的四分之一世纪里已经有了重大改变、现在我们己非常接近于长期寻求的突破：自然界基本力的大统一。作为一位深受欢迎的物理学家，诺贝尔奖得主弗兰克维尔切克一直在这片新天地的舞台上扮演主角。通过超越旧的物质和空间观念，他诠释了一个全新的发现：物质是由几乎无重量的单元构造的。纯能量是质量的最终之源，维尔切克把这个发现称为“存在之轻”但他向我们展示的远不止这些、空间绝不是单纯的容器，不是空无一物和被动的它是一种动态的网格——一种现代意义上的以太，网格要比任何“基本”粒子更基本；其自发活动产生并消灭着粒子这种对物质和“虚空”的新认识解释了引力为什么那么微弱，并使自然界所有力的大统一图像变得格外清晰。
本书是探索这些革命性概念的意义的第一本著作维尔切克向我们展示了迷人宇宙的全新图像，并憧憬了基础物理学新的黃金时代。
《不同的宇宙》
在这个超弦理论和大爆炸宇宙学时代，我们习惯于认为未知世界离我们日常生活极其遥远。但在《不同的宇宙》一书中，诺贝尔奖获得者罗伯特?劳克林却认为科学前沿就在我们脚下。他没去寻找终极理论。而是在思考世界的突现性质——就是晶体保持其形状和硬度的那种性质，它起源于大量原子的自组织——并且向我们展示了为什么说物理学的基本规律事实上也是突现性的。《不同的宇宙》是一本真正具有启智意义的书，它向我们证明，为什么我们对基础物理学的一切认识都有待改变。
这绝对是一本令人振奋的书。它以富有魅力的写作风格，向我们描述了一系列明朗开心、诙谐而又玩世不恭、充满妙趣的故事。它讲述了量子行为的神奇世界是如何渗透在我们极为熟悉的日常生活中……《不同的宇宙》是一本真正具有启智意义的书，它向我们证明，为什么我们对基础物理学的一切认识都有待改变。
《量子夸克》
你能感觉和触摸到的世界是由原子构成的，原子是能够分辨的最小物质块。但是原子中心本身又是一个全新的世界，其中的居民是夸克：夸克看不到，不可思议地小，但却是构成我们这个宇宙的最小砖块。在夸克统治的这个世界中，规则与我们的世界大不相同。这些规则是量子规则。巨大的粒子加速器可以将这个世界展现在物理学家们眼前，使他们能够形成一套关于量子规则的理论，用来解释夸克何感觉彼此的存在。《量子夸克》讲的就是这套理论：量子色动力学。
《物理学的困惑》
这是一本破天荒的书，著名物理学家斯莫林在书中指出作为所有其他科学的基础的物理学迷失了方向。为什么物理学突然陷入了困境？我们能为它做些什么？
在斯莫林看来，一个主要问题出在弦理论：一个野心勃勃的“万物之理”的蓝图。想要解释自然的所有粒子和力，解释宇宙的起源和演化。弦理论凭它新奇的新粒子和平行宇宙抓住了公众的想象力，也赢得了很多物理学家的心。但这是理论的陷阱：弦理论没有一点曾被证实，也没人知道如何去证实它。实际上，理论出现了无限多个形式，意味着没有实验能否定它。作为一个科学理论，它失败了。但是因为它吸引了大量的资源，招揽了最优秀的头脑，严重伤害了在其他路线上追求的年轻物理学家，所以它也拖累了其他物理学的前进步伐。
《宇宙的结构——空间、时间以及真实性的意义》
本书是畅销书《宇宙的琴弦》姊妹篇，具有更高的立足点。如果说《宇宙的琴弦》是在相对论和量子论的框架下具体地介绍弦理论及其物理学结果，那么本书则是从更高的角度来讨论时空和宇宙的物理学。本书：
第一部分从“实在性”讨论时空，特别是量子时空；
第二部分讲时间的方向性，从经典与量子的角度讨论时间箭头；
第三部分讲时空和宇宙学，涉及了一些新内容，比如暴胀宇宙和相关的宇宙学问题；
第四部分讲大统一的起源，即从弦和膜的观点来讨论宇宙学问题；
第五部分讲实在与幻想，谈一些新实验（比如引力波和基本粒子的新实验），也谈时空旅行和时间机器，还展望了弦理论的未来。
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| 關於作者： |
《宇宙的琴弦》作者：B·格林，毕业于哈佛大学，在牛津大学获博士学位，曾是那的Rhodes学者。1990年，他来到康奈尔大学物理系，1995年被聘为教授，1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座，公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他现在住纽约绮色佳。
《终极理论之梦》《亚原子粒子的发现》作者：S?温伯格1933年出生，1954年毕业于康奈尔大学。1979年因弱电统一理论与格拉肖和萨拉姆分享当年诺贝尔物理学奖。他是美国科学院院士、文学和科学院士，英国皇家学会外籍会员，他的《终极理论之梦》、《最初三分钟》、《亚原子粒子的发现》等书曾风行世界。。
《时间、空间和万物》作者：B?K?里德雷（B.K.Ridley），英国Essex大学物理学教授，皇家学会会员。
《上帝与新物理学》作者：保罗?戴维斯，英国物理学家，主要研究现代宇宙学。纽卡斯尔大学的理论物理学教授。
《存在之轻》作者：弗兰克?维尔切克目前是麻省理工学院物理学赫尔曼?费施巴赫讲座教授。2004年荣获诺贝尔物理学奖他的书《渴望和谐》曾荣登当年度《纽约时报》畅销书榜。
《物理学的困惑》作者：斯莫林，在哈佛大学获物理学博士学位，然后在耶鲁大学和宾夕法尼亚州教书，后来去加拿大帮助建立了圆周理论物理研究所。他的作品有《宇宙的生命》和《通向量子引力的三条路》。
《量子夸克》作者：安德鲁?华生是一位自由职业的科学记者和作家。他在曼彻斯特大学拿到理论物理博士学位之后，继续研究和讲授物理。他现在是食物研究所（InstituteofFoodResearch）的兼职科学家，同时也写作。他经常为《科学》杂志写文章。
《不同的宇宙》作者：罗伯特?劳克林是斯坦福大学RobertM.andAnneBass物理学讲席教授。1998年，他困在分数量子霍尔效应方面的工作而分获诺贝尔物理学奖。
《宇宙的结构》作者：B?格林（BrainGreene）毕业于哈佛大学，在牛津大学获博士学位。1990年，他来到康奈尔大学物理系，1995年被聘为教授，1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家和地区开过普及讲座和专业讲座，被公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他现住在纽约绮色佳。
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| 內容試閱：
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《第一推动丛书珍藏本?物理系列》套装分册之
《终极理论之梦》
S?温伯格
第1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
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前沿在向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几率。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英里长的椭圆形隧道，数千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80亿美圆。
超级对撞机遭到了强烈反对，节俭的国会议院反对，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找到发泄了。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，超级对撞机的资助还悬着呢。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今年在国会批准了，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，大概多年以后才会重新开始。
这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什么困难，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来时玩弄着五角星。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，还有另外的动力，即使对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，我们在它们背后总会隐约看到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——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。
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，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，脑海里会涌出千百个问题和条件。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德米利都，门德河从那儿流入爱琴海；在苏格拉底诞生前的一百多年，那里曾活跃着一个极享盛誉的学派。关于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，那时的米利都人已经在寻找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。
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）告诉我们，所有物质都由他们称做原子的永恒的小粒子组成。（原子论的根在印度的形而上学，比德谟克里特和留基波还早。）这些早期原子论者的成熟令人惊奇，不过在我看来，不论米利都人“错了”，还是原子论者在某种意义“对了”，都无关紧要。这些前苏格拉底哲学，不论米利都的还是阿布德拉的，没有一点东西像我们今天对一个成功的科学解释的理解：它对现象必须有定量的认识。就算我们听从泰勒斯或德谟克里特讲的，石头由水或原子组成，我们还是不知道如何计算它的密度、硬度和导电率，这对我们认识自然来说，进步了多少呢？当然，如果没有定量预言的能力，我们也不可能说泰勒斯和德谟克里特谁对谁错。
在德克萨斯和哈佛时，我曾给文科学生讲过物理，我觉得最重要（当然也最困难）的是让学生们学会计算不同物理系统在不同条件下发生的事情。我让他们计算阴极射线的偏转和油滴的下落，不是说任何人都需要计算这类事情，而是因为他们能在计算的过程中体会物理学原理的真实意义。我们关于那些决定事物运动的原理的知识，是物理科学的核心，也是人类文明的珍宝。
从这点说，亚里士多德的“物理学”并不比更早也更质朴的泰勒斯和德谟克里特的思想好多少。在《物理学》和《论天》（OntheHeavens）里，亚里士多德把抛物体的运动描述为部分自然的和部分非自然的。[1]自然的运动，跟所有重物一样，是向下的，趋向万物的中心；非自然的运动则是空气传递的，而空气的运动可以追溯到使抛体运动的物体。然而，抛体在路径上运动多快，在落地时运动了多远，亚里士多德一点儿也没说。他没说计算或测量太难，也没说对运动定律的知识还不够多，不能得到抛体运动的细节。实际上，他没有提出什么答案（对的或错的），因为他不知道那是该问的问题。
为什么该问些问题呢？读者也许跟亚里士多德一样，不太关心物体下落多快——我自己也不太关心，重要的是我们今天已经知道了那原理——牛顿的运动和引力定律以及空气动力学的方程，它们精确决定着物体任何时刻在飞行中的位置。这并不是说我们确实能够精确计算抛体的运动。绕过不规则石头或箭矢羽毛的气流是很复杂的，我们的计算只能是近似的，特别当气流成为湍流的时候。另外还有如何确定初始条件的问题。不管怎么说，我们可以用已知的物理原理解决简单一些的问题，如行星在没有空气的空间运动，稳恒的气流绕过球体或平板，这些问题的解决使我们相信，我们确实把握了决定抛体运动的原理。同样，我们不能计算生命演化的历程，但我们现在很清楚是什么原理在起着作用。
这是很重要的一点，在关于自然终极理论的意义或终极理论是否存在的争论中，它往往混乱不清。我们说一个真理解释另一个，如决定电场中的电子的物理学原理（量子力学法则）解释化学定律，并不是说我们一定能导出我们认为解释了的那些真理。有时问题很简单，如氢原子的化学，我们确实能推导出来；但有时问题对我们来说则是太复杂了。在这种意义上谈科学解释，我们在思想上并没有科学家确实导出的东西，而是认为那是自然一定存在的东西。例如，即使在19世纪，物理学家和天文学家还不知道如何在精确计算中考虑行星的相互吸引力时，他们也理直气壮地相信行星那样运动完全是因为牛顿运动和引力定律，或者别的什么更精确的定律（牛顿定律不过是它的近似）在发生作用。今天，尽管我们还不能预言化学家可能观测到的一切事情，但我们相信，原子之所以在化学反应中表现出那样的行为，是因为决定原子内电子和电力的物理定律没有为原子的其他活动方式留下自由的空间。
这一点很难说清楚。部分原因是，如果没人确实导出什么原理，我们凭什么说一个事实解释了另一个呢？这令人困惑。但是我想我们不得不这样说，因为那正是我们科学所关心的：发现建立在自然的逻辑结构里的解释。当然，如果我们真能进行某些计算，并能把结果与观测对比，那么我们会更加自信。至少，在氢原子化学是这样的，虽然蛋白质的化学还做不到。
尽管希腊人不去追求对自然的综合定量的理解，在古代世界也当然不会不知道精确的定量推理。千百年来，人们懂得了算术法则和平面几何，认识了日月星辰的周期性，还发现了岁差。除了这些，在亚里士多德以后的希腊化时代，即从亚里士多德的学生亚历山大（Alexander）统治到希腊世界向罗马臣服的年代，数学科学开花了。在大学念哲学时，听人们把泰勒斯和德谟克里特等希腊哲学家称作物理学家，我总觉得有点儿痛苦；但当我们走进伟大的希腊化时代，听到叙拉古（Syracuse）的阿基米德（Archimedes）发现浮力定律，亚历山大里亚（Alexandria）的埃拉托色尼（Eratosthenes）测量地球的周长，我才感觉回到了科学家的家园。在17世纪现代科学在欧洲兴起之前，世界上还没有哪个地方出现过希腊化时代那样的科学。
然而，尽管希腊化时代的自然哲学家有过那样的辉煌，但他们从来不曾想过一个能精确规范所有自然物的定律体系。实际上，“定律（law）”一词在古代用得很少（而亚里士多德从来不用），我们只能看到它的原始意义：制约人类行为的人或神的法律。（不错，“天文学（astronomy）”一词源自希腊词astron（星）和nomos（律），但在古代它很少用来说关于天的科学，用得更多的是“星占学（astrology）”。）到了17世纪的伽利略（Galileo）、开普勒（Kepler）和笛卡儿（Descartes），我们才有了自然律的现代概念。
古典学者格林（PeterGreen）将希腊科学的极限主要归因于希腊人固执的理性偏见：他们喜欢静止的，不喜欢动态的；喜欢思辨的，不喜欢技术的（军事技术除外）。希腊化时代亚历山大里亚的前三个国王都支持抛体的飞行研究，因为它能满足军事的需要。但是，把精确推理用于如球在斜面上滚动那样无聊的过程——这是说明伽利略运动定律的例子——在希腊人看来似乎是毫无意义的。现代科学也有自己的偏见——生物学更多地关注基因，而不在乎脚趾头长出的肿瘤；物理学家更愿意研究20万亿伏特能量下的质子-质子碰撞，而不把20伏特放在心里。不过这都是战术的选择，基于一定的判断（正确或错误的），如某些现象比别的更容易产生结果，而不是说他们相信有些现象比其他现象更重要。
现代终极理论的梦想是从牛顿开始的。定量的科学推理从来不曾消失，到了牛顿时代，特别是经过伽利略以后，它又获得了新生。不过，从行星和月球的轨道到潮汐的涨落和苹果的落地，牛顿能用他的运动定律和引力定律解释那么多的事实，因此他应该第一个感觉到可能存在一个真正综合的解释理论。牛顿的希望写在他那巨著《原理》的第一版的前言：“我愿我们能像对力学原理那样，用同类的推理导出其余的自然现象[即《原理》没考虑的那些现象]。许多原因促使我怀疑，它们可能都依赖于一定的力。”20年后，牛顿在《光学》里写了他想如何实现他的计划：
现在，最小的物质粒子被最强的吸引力粘在一起，组成效能较弱的大粒子，其中的很多还可以粘聚形成效能更弱的更大的粒子，如此多方地继续下去，最终形成化学作用和自然物体的颜色所依赖的最大粒子，而这些大粒子则通过粘结形成可以感觉的实体。于是在自然中存在一些原因，能通过强大的吸引力把物体的粒子粘结起来。实验哲学的任务就是去发现它们。
因为牛顿的伟大典范，特别在英国形成了一种典型的科学解释作风：物质被认为由永恒不变的微小粒子构成；粒子通过“一定的力”（引力不过是其中的一种）相互作用；如果知道粒子在某一时刻的位置和速度，知道如何计算其中的力，那么就可以用运动定律来预言它们在下一个时刻会在什么地方。大学新生们现在还常常听到以这种风格讲的物理学。遗憾的是，这样的牛顿风格的物理学尽管还有更多的成功，却已经走到尽头了。
世界终归是复杂的。在18和19世纪，当科学家们对化学、光、电和热有了更多认识以后，还走牛顿路线去解释，那可能性就越来越渺茫了。特别是，在解释化学反应和亲和性时，把原子当作在相互吸引和排斥的力的作用下运动的牛顿粒子，物理学家不得不为原子和力做出许多任意的实际不可能出现的假定。
不过，到了19世纪90年代，在许多科学家中间却流行着莫名其妙的满足感。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（AlbertMichelson）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（RobertAndrewsMillikan）也在场，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（WilliamThomson,LordKelvin）。一个朋友告诉我，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）流行着一种科学的满足感。当年轻的普朗克在1875年走进慕尼黑大学时，物理学教授约里（）劝他不要学自然科学。在约里看来，那儿已经没有什么东西可发现了。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，在百脑汇的西边。同屋还有四个哥伦比亚大学的研究生，一个学医，另外三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、约里和密利根的伙伴们不可能想到物理学家能成功解释化学力的本质——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（WilhelmRoentren）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（HenriBecquerel）在巴黎发现了放射性。1897年，J.J.汤姆逊（J.J.Thomson）在剑桥测量了阴极射线在电磁场的偏转，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，而且存在于所有物质。1905年，爱因斯坦在伯尔尼（那时还没有研究机构要他）提出了狭义相对论的新的关于空间和时间的认识，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，光子。不久以后，在1911年，卢瑟福（ErnstRutherford）根据他在曼切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（NielsBohr）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，他们开始觉得，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。”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年代中间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，用波函数和几率取代了牛顿力学的粒子和力。量子力学一下子使人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，人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（PaulDirac）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，反倒成了一个最好的理由，让乐观地走向终极理论。如果恰当考虑质量、电荷以及其他一些常数，除了在某些特殊类型的理论外，所有的无限结果都会消除。这样，我们发现自己在跟着数学这条唯一能避免无限的道路，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唯一的道路。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，终极理论是一个刚强的理论，不能把它扭曲成哪怕稍微不同的什么理论，否则会产生像无穷大能量那样的逻辑荒唐的东西。
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”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（AbrahamPais）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，必须发现它。”爱因斯坦的最后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（JamesClerkMaxwell）电磁论和爱因斯坦广义相对论（也就是他的引力论）的理论。爱因斯坦的奋斗没能成功，拿现在的观点，我们可以知道他的构想是错误的。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）。终极理论只能在一个意义上说终极——它把某一种科学探索引向终点：那是一种古老的探索，探索那些不可能有更深层原理来解释的原理。
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