发展趋势

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现在让我们回过来谈谈物理学的现状吧！首先我们必须把物理学及其应用区分开来。应用在经济上和社会上可能比纯物理学更重要，但我在这里关心的仅是探索自然现象的物理学，这包括不同现象的描述、分类和它们的相互关系，以及把它们归结为或多或少带综合性的理论。

在我看来，粒子物理学领域中未解决的问题最多，其中有些问题几乎有一个世纪的历史了。物理学家倾向于忘记这些问题，因为丝毫也没有找到解决办法的迹象。例如，没有人知道为什么电荷总是电子电荷的整数倍的理由，这里，“为什么”这个词应理解为一个事实与另一个事实之间的联系，“理由”很可能是个逻辑或数学变量，它指出，若a为真，b也为真。电荷的量子化尚未和任何其它实验事实联系起来，从此意义上说，它是个基本经验数据。

对基本粒子物理学来说，其它一些表示成公式很简单，但尚未求出解的基本问题是核子的守恒和轻子的守恒问题。核子守恒简单地意味着，在一个封闭系统或宇宙中，质子数和中子数的总和为常数，当然，在计算时，反中子和反质子必须计以负号。核子守恒已得到了很好的证明，因为我们已经知道质子的平均寿命长于1022年，即为宇宙年龄的1012倍。质子这样异常的稳定，是核子守恒的基础，其原因却仍然不清楚。类似的守恒原理对轻子也成立，但其起因也不清楚。此外，电子和μ子都有相应的中微子，这两种中微子是不同的，因为μ子的中微子与中子碰撞时，产生一个μ子和一个质子，而不是一个电子和一个质子，而电子中微子与中子碰撞时，却能产生一个电子和一个质子，而不是一个μ子和一个质子。什么原因使电子中微子和μ子中微子不同呢？狄拉克方程，除了作为参数的质量外，对电子和μ子二者都能很好地加以描述。为什么自然界使两个粒子除质量不同外，其它都一样呢？上面都是些未能解释清楚的或是互不联系的事实。最近已发现了第三个轻子τ，这是不是仅是一系列有限（或无限）的轻子的开端呢？

与此相反，有联系的或“已解释清楚”的例子是动量或角动量的守恒。可以指出，它们是空间各向同性和均匀性的数学推论，从这种意义上说，一件事情解释了另一件事。当我们发现了十分满意的内部联系、并减少了独立“假设”的数目时，我们实际上已经取得了巨大的进展。这里，我把假设这个词放在引号里，是因为这个词在物理学中的意义，是和数学中通常代表的意义不同的，在数学中，假设是一系列推理的基本前提，具有很大的任意性。在物理学中，假设在本质上意味着已经多次毫无例外地观察到的一个实验事实。数学假设具有更多的任意性，基本上是按人的理智建立的。物理假设是以观察和推断为基础的，并从属于美学准则。人们可以创建非欧几何，事实上也有好几种非欧几何了，但与实验不一致的物理学，却不是物理学。

然而，实验总是不精确的，而且要受误差的影响，因此在解释实验时，总有一个抽象和理想化的过程。物理学家已经从历史上学会如何前进了，并且已习惯于使用逐步近似的方法和习惯于限制他们的理论的应用领域。最著名的是牛顿力学及其改进——相对论和量子力学。不管物理学的“假设”是什么，它们也不会在大多数进行实践的物理学家中产生可怕的怀疑。这并不是说一个实事求是的实验工作者可以不管他的科学的认识论上的问题，也不是说，甚至一个最吹毛求疵的理论家在计算时会由于认识论上的怀疑而把计算完全停顿下来。人们已经学会要和它们共处了，玻尔也曾开玩笑地说过，浅薄的真理的反面是谬误，但深奥的真理的反面却仍然是真理。

但是，还是让我们回到前面提到过的粒子物理学的简单的秘密上来吧。有些已开始有点答案了，另外还有些设想，要把各种理论进行较大范围的综合，其中最有说服力的，是史蒂文·温伯格和艾布路斯·萨拉姆于1967～1968年分别各自独立地开始进行的综合（第300页）。他们打算把弱相互作用和电磁学统一起来。一百年以前，宏伟的麦克斯韦综合，最后成功地把电和磁统一起来了。现在所进行的工作，可以认为和那时所做的是一样的工作。到目前为止，看来实验和理论能互相符合，可以认为，中性弱流和粲夸克的发现，证明了这种设想是成功的，能量再高时，可能会发现比这个还要重要的证据。应当有些叫作中间玻色子的粒子，因为它们应该是弱相互作用的量子，所以它们应类似于光量子，估计它们很重，因此仅在能量很高时才能得到。若发现了这些粒子，就能确证现在的想法是正确的了。

在物理学的其它分支中，还有些比基本粒子提出的问题具有更实际意义而又非常有趣的问题。我们深信，这些问题的答案隐含在薛定谔方程中，当然，我们在这里这样说，指的是大理石块中有各种雕像，关键在于要把多余的材料拿走才行。米开朗琪罗用十四行诗表达的这种思想，不是作为笑话，而是作为哲学真理看待的。

还存在着为解释多体系统的基本的理论技巧问题，它们会大大促进我们对液体、核物质和其它凝聚态的了解，也许，甚至会意外地使我们对粒子物理学有进一步的认识。这些问题很重要，但我并不指望从多体理论中得到我们在粒子物理学中已经得到的那些惊人的发现——一种新的力或是宇称不守恒等。不过，我的观点也许是错误的。以我的看法，能够作出天才发现的可能性在于粒子物理学，这是个现实的观点，但是因为这种观点可能对科学政策产生严重后果，因此我想强调指出，对这种观点并非是没有异议的。

因为粒子物理学领域必然需要高能，因此它的成本和复杂性增长得非常惊人，结果，能进行的实验越来越少，周期越来越长。在实验成本还很便宜时，富于想象力的物理学家们能够发挥他们的思想，做很多的实验，伟大的法拉第在他的实验室笔记本上开列了10000多个实验。在高能物理学中，实验成本达到上百万美元，需持续五年之久，又要几十个实验人员，那么人们就只能做很少几个实验了，实验人员面对出现问题时的精神状态也必然不一样。常常是由某个委员会来决定干什么的，但很难相信委员会的想象力，委员会不太有冒险精神，理所当然地希望实验会取得一些确切的成果。这样，物理学家就只得做一些十分明显的、比较安全的试验，并从进行实验的不同寻常的能量范围内，得到他们感兴趣的东西，否则就太愚蠢了。我曾把这些实验与海军舰艇之间的现代战争作过比较，在海军舰艇的现代战争中，起决定作用的是战舰枪炮的射程，相反，在纳尔逊勋爵（Lord Nelson）时代，海军上将必须有不可思议的战术直觉。但是，“战舰实验”已引起人们很大的惊奇，而且已证明对进步来说是至关重要的了。(https://www.daowen.com)

若所需要的实验信息的类型十分明显时，则得到这种信息的困难主要是技术性的，因此物理学家必须把他们的大部分精力，用于开发仪表和技术，包括用计算机分析结果的程序。一旦开发了一种仪表，就要用它来进行它所适合的所有实验。所有这些都有它本身的逻辑，一般都会得到重要的结果，但它要求物理学家与传统的物理学家有所不同。

用一个含糊的双关语，我可以说，单单成为一个卢瑟福已经不行了，人们必须成为卢瑟福——福特[1]，就是说，物理学家至少要有些企业家和商业家的本领才行。在过去，许多物理学家走上科学的道路，是由于他们对人与人之间关系比较冷淡和腼腆，但对事物却有较大的兴趣（居里一家就是这样的情况）。今天，对人感兴趣是对担任领导职务的人的首要要求（例如E.O.劳伦斯）。所有这些并不是完全新奇的东西，但象法拉第和伦琴那样孤立的研究者的作用，看来是注定要消失的。

在包括物理学在内的所有科学中流行的另一个潮流是专业化。物理学文献和物理学家的数目增加了许多倍，使专业与日俱增。这是不可避免的弊病，但我们必须接受它。目赌过较小的、较简单的、但更统一的物理学的人，可能因此而怀旧，但潮流是不可逆转的。

把图3.5所代表的卢瑟福对核散射和蜕变首次进行的研究，与显示费米实验室的图11.11加以比较，就可以对这种潮流很好地加以解释了。用两种设备做的这些实验，在原理上是相同的。此外，这个问题并不只限于实验本身，就象J.D.杰克逊（J.D.Jacksen）开玩笑时举过的一个例子那样，他把一个现代的公式（图14.1b）与1911年《哲学杂志》上刊登的卢瑟福公式（图14.1a）加以比较，前者显然是现代的工作，但后者却更有名。

这个不断增长的复杂性，甚至能决定物理学的极限。到目前为止，我们已经发现了大小不断减小，能量不断增加的许多接续的层次：原子、原子核以及π介子和夸克等亚核粒子。可以相信，夸克可能产生一种闭合和自洽的理论。但我们也不能禁止人们心中怀疑这个链可能并不到此为止。如果是这样的话，下一步就要花更多的钱和作更大的努力，这个过程可能是发散的，以致留给我们的却总是个追求的目标。那时，极限就是人们能够或愿意用来进行研究的努力之大小了，而却不能保证这个过程最后会有个终了。

在结束这段议论时，我想指出，抽象化和脱离直觉经验的潮流，并不只限于物理学，恰恰相反，这几乎是现代思想和艺术的特点（图14.2）。在居里时代，尽管画家们已把现实加以人格化了，但他们描绘的却是现实。在量子力学发展的时代，现实在艺术家的心目中已经完全变了形。毕加索画了些有两张面孔的女人，不过还不是一张面孔呈微粒状，而另一张面孔呈波状。而现在我们有了纯粹的抽象画，在物理学内，则有很多深奥的、但意义不是一目了然的公式。