3.牛顿之梦

3.牛顿之梦

这是1987年为牛顿的《原理》出版300周年纪念作的另一个演讲，这次纪念活动是由女王大学、加拿大皇家军事学院和加拿大皇家学会共同主办的。我再次将牛顿誉为现代科学中还原论这一传统思想的创立者，不过在此次演讲中，我强调了他对原子论的贡献。当然，现代物理学已超出了牛顿关于粒子在超距作用力的作用下运动的自然观。从19世纪起就把电磁力和引力归因于场；我们不再讲太阳和地球彼此施加引力，而是讲太阳、地球和其他物体的质量产生一种引力场，这种场对所有这些物体施加引力。用场来解释电磁力与引力是20世纪初期狭义相对论和广义相对论发展中的一个至关重要的因素。从那时起，我们就开始把强核力和弱核力归因于场，并且用力对诸如电子场、夸克场等这些场的作用取代了力对这些粒子的作用。

在另一方面，我们现在的见解也与牛顿的有所不同。他信奉《圣经》是预言的本源，而现在很少有科学家会这样。往往是在指责当今科学家普遍对宗教持怀疑态度的时候，会提到牛顿对宗教的信奉。从牛顿的虔诚中，我得到了一个完全不同的结论。牛顿、法拉第（Michael Faraday）和过去的其他科学家深信宗教的事实表明，对宗教的怀疑态度并不是从一开始就左右科学的一种偏见，而是在对自然的几个世纪的研究中所学到的经验。

这次报告会是为庆祝300年前出版的一本了不起的书而举办的，这本书就是牛顿所著的《原理》。在这本书中，牛顿简要地描述了一种运动的新理论和一种引力的新理论，它们不仅成功地解释了显而易见的太阳系中物体的运动，而且还解释了地球上的诸如潮汐和果实落地这些现象。在其他的著作中，牛顿还发展了数学中的微积分[1]。他还做了光学理论中的基础性的实验，并著述了有关《圣经》年表的一些书籍。且不论他取得的所有这些成就，他对人类还有一项最伟大的贡献超越于他所有具体的科学成就。我此次演讲的题目“牛顿之梦”正反映了这一点。

在我看来，牛顿的梦想就是，通过能用数学形式表达出来的物理学原理，以一种像他能够理解太阳系一样的方式，来理解自然界的一切。那样一来，通过数学运算就会得出预言，从原则上讲，就能够说出每一件事情的缘由。我不知道在牛顿文集中的哪个适当位置能找到关于这种纲领的叙述。牛顿学派使我确信牛顿确实有这样的目标，可是我所找到的最接近这种意思的明确叙述，是在他301年前的1686年写成的《原理》第一版的序言中发现的：“我希望我们能用与力学原理相同的推理方法导出自然界的其他现象［即《原理》所没有涵盖的现象］。这是因为，有许多理由使我猜测，它们可能都依赖于某些确定的力。”他想要继续超越《原理》去解释所有的事情。

距牛顿很多年之后，这种追求是以原子论的形式表现出来的。显然，要解释普通物质的行为方式，这是个重大的挑战。这不是在太阳系中，那里的力是单一的，只有长程的引力起作用。然而，在地球上东西是凌乱的，轮轴陷入泥中，汤水在火炉上沸腾，苹果落在窗台上烂掉。他想用类似于引力这样的力作用于组成这些物质的基本粒子之上的方法，来解释所有这些现象。

1704年，他的第二部伟大的著作《光学》（The Optics）出版了，在这本书的结尾，他对此进行了一段美妙的阐述[2]。具体地说，牛顿开始从哲学的角度阐述科学的未来：“在我看来似乎有这样的可能，上帝最初塑造了像这种尺度和特点的固体的、有质量的、坚硬的、穿不透的、可运动的，以及具有诸如此类性质并占有这种空间比例的粒子的物质，最终他又用这样的物质中的大部分塑造了现在所考虑的所有这些东西。”后来牛顿接着又说：“在我看来更进一步似乎是，这些粒子不仅具有惯性力（我统称其为动能）并伴随由那种力自然产生的这种被动的运动规律，而且它们还按照像引力所遵循的某种能动的原则来运动，从而导致物体的外张和内聚。我认为这些原则并不是超自然的性质，而是自然的普遍规律。”

牛顿的绘景是，宇宙由粒子构成，这些粒子是基本的，它们不能再分割而且是永远不变的，但它们彼此间通过力发生作用，这些力既包括引力也包括其他的力。牛顿并未愚蠢到认为生命的过程，或是流体的流动以及日常物质的普通性质都能用引力的形式来解释。他知道必定还存在其他一些力。不过，他希望这些力能够被发现，于是物质的行为就能够通过这些力对物质的基本粒子发生作用这样的方式来理解。

当然，这种原子论的传统思想非常古老，它的存在比牛顿早几千年。这可以追溯到古希腊的阿夫季拉城，住在那里的德谟克利特（Democritus）和留基伯（Leucippus）就有同样的观念。虽然在牛顿之前，从德谟克利特和留基伯到笛卡尔，曾经有许多人有了用简单的术语解释一切事物的思想，但牛顿是第一个指出了如何做到这一点的人。他以太阳系为例指出了如何用数学的形式解释物体的行为，以及如何做出能与实验相符的预言。如我前面所述，其他人也有这种伟大的愿望。笛卡尔比牛顿略早一些，牛顿从他那里学到很多东西，和牛顿一样，他也有广泛、普遍的自然观。可是在某种程度上，笛卡尔没达到目标。他从未解决用他的原则定量地预言现象这一难题。牛顿学说的方法，也正是牛顿学说的成功之处，它史无前例，留给物理学家们的是如何使它进一步发展这样的挑战。

对许多科学家来讲，原子论继续处在这一纲领的中心位置。19世纪初期，将原子论思想应用到化学上取得了伟大的进步。一般地说，19世纪的化学家们对原子颇为得心应手，他们测量原子量，他们还知道存在着分子，比如1个水分子由3个原子组成，其中2个是氢原子、1个是氧原子。但要想直接观察到原子，当时看来还是遥不可及的，我能想像得出，不仅是德谟克利特和留基伯，即便是道尔顿（John Dalton）和阿伏伽德罗（Amadeo Avogadro），也会感到在实验中直接观察原子还过于遥远，就像我们现在感到直接研究超弦还遥不可及一样。实际上，到了19世纪末期，在某种程度上还存在反原子论和反对牛顿之梦的倾向。以马赫（Ernst Mach）为首的少数德国和奥地利物理学家追随实证论者的行列。实证论者们认为，物理学家就应该只是做些测量而已。他们认为便于组织测量的理论才是可以接受的，而并不认为物理学家应该对事物进行更深入的探索；特别是他们不应过问原子，因为它们是不能直接测量的。

对原子的另一种挑战来自于一个替代物（即场）的发展。也是始于英国，先是法拉第的工作，接着是麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的伟大综合。这使得人们有可能认为，也许自然的基本组分根本就不是原子而是场，即具有能量和动量的延伸区域，也许场会形成致密的结点，也就是我们所观察到的原子。麦克斯韦电磁场理论的方程与牛顿的物体在引力作用下运动的数学理论所取得的成就是同样的，只不过麦克斯韦当然是步牛顿的后尘。

1897年电子被发现的时候，在英国和德国都进行着相同的实验。由于受牛顿、普劳特（William Prout）和道尔顿传统思想的影响，在英国有种易于相信基本粒子的倾向，所以1897年汤姆孙在卡文迪什实验室做完这些实验后，他们立刻就宣布电子的发现。考夫曼（Walter Kaufmann）在德国也做出了相同的实验，可是他只简单地报道说，他观察到了在电磁场的作用下阴极射线向确定的方向弯曲。

原子论的思想以电子的发现取得了第一个胜利，可是场的思想仍然非常强大，而且研究场的理论家马上就开始了试图建立电子模型的工作。20世纪初期，出现了由庞加莱（Jules-Henri Poincaré）、亚伯拉罕（Max Abraham）和其他人构建的许多非常详细的模型，在这些模型中，电子被设想为只是一小束场能。1905年，是爱因斯坦这个杰出的天才，认识到那时还不是构建电子模型的时候，实际上人们应该尽力从对称性原理特别是他著名的相对性原理的角度去理解电子的运动和光的行为，而把电子本质的问题留待以后再去解决。

我只就物理学内容讨论了牛顿的继承者们，可是在19世纪，在物理学领域之外去实现牛顿的梦想也取得了伟大的进步。也许对西方文明的智力进化更为重要的是在生物学上取得的发展。最重要的是达尔文和华莱士认识到，对生命而言，随着它的明显的目的性和适应性，它或多或少地能通过一系列随机的繁殖和进食过程来发展。这一事实，再加上有机物可以由无机物来合成的这个发现，使人们认识到，生命并不是和普通的现象世界分离的，按照牛顿的梦想，普通的现象世界总有一天是可以被解释的。正如牛顿所说的：“它们可能都依赖于某些确定的力。”

这些思想同时出现，并且随着20世纪20年代量子力学的问世而开始具有意义。这使得我们第一次懂得了原子是什么以及原子里的力如何起作用。具体来讲，在原子里起作用的力就是电磁力，这种力产生了如此丰富多样的化学行为，并在几十亿年的历程中产生了生命现象。尽管这一梦想始于牛顿，人们在几个世纪的追求中也对此有过许多伟大的贡献，可是开始领悟牛顿之梦却是在量子力学问世并对普通物质的本质做出解释之时。

到了20世纪20年代中期，人们可以说，在某种意义上自然界中的所有现象都能够用构成这些普通物质的粒子来解释，至少从原则上讲是可以的。在当时，认为这些粒子分别是：电子，即在原子外部的粒子，是由汤姆孙（如果他曾想要为此认领荣誉的话，还有考夫曼）发现的；光子，很多光子才能形成一束光线；还有原子核，那时还是神秘的，它位于原子的中心，带正电荷而且具有质量，通过电吸引力使电子保持在它们的轨道上，在普通原子中它占有绝大部分的质量。而宇宙中另一种根本就尚未理解的组分看起来却与原子尺度的现象毫无关系，这就是引力。

20世纪20年代的物理学家面对的是一个相当简单的世界。他们还不了解与原子核有关的任何事情。他们知道质子，质子是氢原子这种最简单的原子的原子核，只带有一个单位的正电荷。他们知道其他的原子核并不会只由质子构成，因为它们的荷质比比质子的小一些。而且他们知道，原子核偶尔会分裂而发射电子。在他们看来，原子核显然是由质子和电子构成的。要建立原子核是由质子和电子结合在一起而构成的这样一种绘景存在严重的理论问题，可在某种程度上还是希望将来都能理解。我猜想20世纪20年代的物理学家们可能会说，宇宙是由电子、质子、电磁力还有引力构成的。

1928年，就在狄拉克刚刚把他的相对论性的电子理论公式化之后，有一段著名的评论。我记不清评论者的名字了，他说：“再有两年，我们就会有质子（意思是，我们就会有相对论性的质子的量子理论），到那时我们就会无所不知。”可是，此话并未实现。

20世纪30年代有过热烈地研究原子核的时期。结果发现，原子核不是由质子和电子构成的，而是由质子和一种叫做中子的粒子构成的。第二次世界大战之后，当新一代加速器投入使用的时候，制造一些类似于电子或质子或中子的同胞、却比它们重的全新种类的粒子开始成为可能的事情。由于新粒子比较重（因此存在有效的能量），所以它们能轻而易举地衰变成更轻的粒子，实际上也确实如此。它们存在的寿命非常短，因此只能在伯克利和布鲁克黑文的实验室中人工制造。20世纪50年代中期之后，许多人致力于了解为数猛增的粒子种类的膨胀数量，到了70年代中期随着如今所谓的“标准模型”[3]的形成，该问题就迎刃而解。关于弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用的标准模型的系统阐述完成于70年代中期，到那时已经有足够多的实验表明，人们可以真正地信赖它。在标准模型中，宇宙基本成分的名单中仍然列有电子，但也列有与电子同一家族的被称为中微子的粒子。中微子很像电子，在弱力作用下，它能转变成电子。名单中还包括μ子和τ子。质子和中子不再被看作是基本的。它们只被看作是束缚态，有些像原子，或像分子，抑或像黑板擦，是由更基本的粒子构成的。所猜测的构成质子和中子的基本粒子称为夸克。出现的一批不同家族的夸克需要命名。最早的两个被称为上夸克和下夸克，这是因为其中的一个带正电荷，另一个带负电荷。后来的夸克称为奇异夸克，因为它们存在于一种意外发现的粒子之中；接着是粲夸克，这没有什么明确的原因；再后来是顶夸克和底夸克。（在这段时间，我与人合写了一篇思辨性很强的论文，其中碰巧出现了7种类型的夸克，我们打算称之为饕餮、妒忌、懒惰，等等。）

电子和其他与其类似的粒子被统称为轻子。在夸克和轻子之间显然存在一种并行性。夸克和轻子的味的数目恰好完全相同，我们认为我们知道为什么那是正确的。关于传递力的粒子，自从1905年提出光子之时，我们就知道了光子，可是我们现在知道与光子同类的传递弱核力的粒子要比光子重得多。所谓W粒子和Z粒子直到1983年才在日内瓦的基本粒子物理实验室CERN（欧洲核子研究中心）被发现。还存在另一类传递强核力的相似的粒子。它们被称为胶子，这是因为它们在质子和中子内部把夸克粘在一起，作为副业，它们还在原子核里面把质子和中子粘在一起。

光子和W粒子以及Z粒子是同类粒子，但它们的质量却有巨大的差别；即使在它们之间存在家族关系，它们看起来也极为不同。现在我们从一种称为自发对称性破缺的现象了解了这一点。这是指这样的事实，一组数学方程可以有高度的对称性（即不同的变量彼此转换时，方程能保持相同的形式），而方程的一些解可能并不保持这种对称性。在支配粒子的基本方程的水准上，光子、W粒子和Z粒子都呈现对称性。存在着这样一种变换，能将光子-Z粒子混合物转变为W粒子而保持方程的形式不变。方程的解就是粒子本身，但却不表现出这种对称性。它们非常不同。一旦通过对称性破缺来观察，就很容易理解这些粒子。

可是，我们并不知道使对称性发生破缺的作用机制是什么。在超导体中又出现了类似的现象（其实，这种现象最初就是在超导体中发现的）。当今超导体已深入到人们的观念里，而粒子物理学家们早在20世纪50年代末就已经从他们在固体物理学领域的同行那里学到了许多东西。在超导理论中，破缺的对称性就是普通的电磁规范不变性，或者更简单地说就是电荷守恒。这种对称性的破缺是由于在超导体里面的电子之间传递声波（或从量子意义上讲，就是光子）的力而造成的。问题是，在基本粒子物理学中，是什么扮演了声波的角色呢？是何种力引起这种不稳定性，又使对称性被破坏了呢？我们不知道。关于这些力有一些简单的绘景。在最简单的绘景中涉及到人们开始称之为希格斯粒子的某种粒子，这么叫是因为这种粒子出现在由爱丁堡大学的希格斯（Peter Higgs）和其他人创立的解说性的数学模型之中。我们希望在今后的六七年中能建造新的大型加速器超导超级对撞机（或者SSC），从而标准模型中关于希格斯粒子这一部分能在SSC的实验中得以弄清。

毋庸置疑，标准模型并不是牛顿之梦的最终实现。即使在我们弄清了这些希格斯粒子的时候，在标准模型中也仍然还有过多的任意性。除了我们所知道的理论上所需要的那些粒子之外，不再存在其他尚待发现的粒子——具体讲就是另一种夸克，即顶夸克[4]，还有希格斯玻色子——即使如此，在标准模型中仍带有18个诸如电子的电荷、电子的质量、夸克的质量这样的数值量。我们虽然知道从实验中所得出的它们的值，可是我们不明白大自然为什么会选择这些值。任何一种有着18个自由参数的理论都太随意了，难以让人满意。

必定还存在某些别的东西。标准模型中没考虑引力。与在20世纪20年代时一样，在太阳系中引力仍发挥着它的作用，可是在原子和分子尺度上，引力并没有可观测到的效应，而且除非是在宏观的尺度上，我们有极大量的粒子来叠加它们的引力场，否则在实验研究中绝对看不到任何效应。我们需要一种超越标准模型的理论，因为我们需要解释那18个参数。不仅如此，我们还要解释标准模型本身。我们要解释为什么夸克和轻子必须要有所有这些味。当然，我们还要把引力也放入这个绘景之中。

许多理论家觉得，下一步将要采用超弦理论的形式。在超弦理论中，宇宙的基本成分不再被看作是粒子，也不是场，取而代之的是一种像橡皮筋那样的东西，忽开忽闭的微小之弦以多种正规模式振动着。这些振动的正规模式就是我们视为是不同种类的粒子，可是它们全都是同一种弦。在能够解释诸如标准模型的18个参数值这样的问题之前，这种理论还有很长的路要走。

在此，我把20世纪20年代电子和质子的量子力学形式的综合，以及70年代标准模型的综合作为里程碑，那么按等差级数来算，至少在2020年之前，我们确实不应该期望能有新的突破。威滕（Edward Witten）曾说过，在搞超弦物理学时我们之所以有这么多困难，是因为那是21世纪的物理学，我们只是意外地提前30年偶然碰见了它。

牛顿之梦最终实现的轮廓还远未清晰。然而我们相信，它将必定包含量子力学。自从20世纪20年代量子力学发展以来，任何物理现象都不曾有最微小的显示，需要对量子力学做任何修正。而且一直就是1925年到1926年间的量子力学，也就是我们最初所学的量子力学。在1925年至1926年间由薛定谔、海森伯（Werner Heisenberg）、玻恩（Max Born）、约尔丹（Pascual Jordan）和泡利（Wolfgang Pauli）建立的量子力学，与我们应用在标准模型的量子场论中的量子力学是完全一样的，与如今应用在超弦中的也是一样的。看来量子力学是我们的物理学理解力中永恒的一部分。

最近，我正在力图弄懂为什么会是这样，我在问，对量子力学进行何种概括在逻辑上才能是协调的。比如，是否有什么方法能采用量子力学的线性方程并引入非线性？我可以告诉你，这相当难。如果不进行逻辑上的飞跃，比如，不引入负概率或是总和不为1的概率，要找出能影响量子力学法则的方法是非常困难的。因此我发现，对于将来包容一切的大综合，很难想像能不借助量子力学的语言。

量子力学是一种基本原则，所有物理学的表述都要遵循它，可是它本身并未告诉我们任何东西。这也就是为什么它这么难被检验的一个原因，因为它本身什么也没说。看来在量子力学中需要增加的另一个成分是对称性，从而才能构成宇宙的一幅完整的绘景。这会让你颇为惊讶，因为在科学的许多领域中，在某种程度上对称性并不是主要的。比如，生物学家们知道，人有种大致的对称性，数学家称之为Z2，即左和右可以交换，可对人来说这当然不是最感兴趣的事情。而另一方面，在粒子物理学中，对基本粒子来说，对称性是最有趣的东西。想一想人们用什么来描述一个基本粒子。人们通过给出粒子的动量、能量、电荷以及其他一些东西来描述基本粒子。这些东西中的每一种都只是一个数，用于描述进行对称性变换时波函数（在量子力学中代表一个物理态的数学对象）的变化情况。如果撇开对称性变换的性质，那所有粒子都是相同的。对自然来说可能什么都不存在，只有量子力学这个物理现象舞台，演员就是对称性原理。

可是，那看得太远了。我们不知道存不存在有待发明的全新的思想。1987年超弦理论的进展已不像1984年或是1985年那样令人激动了。人们开始期待，似乎这里需要一些极不相同的新思想才能取得下一步的进展。

既然我已讲述了最近300年的整个科学史，如果可能，我希望能从这些经历中总结出一些教训来。我们的生活由我们自己所演绎的牛顿之梦所主宰着，我们极力要做出些颇为特殊的事情。我们的工作如果能实用，我们会很高兴，但实际上我们的工作并不是特别地冲着实用而做的。我们选择这些问题进行研究，也并不是因为它们好玩或是数学上有趣。有时别人这样指责我们，实际上，只是为了自我保护以避免过于严厉的指责，我们有时才声称做这些工作只是好玩。可那并不全是真的。我们，这里是指基本粒子物理学家的团体以及在与宇宙学和天文学有关的领域内工作的人，在意识中都有种历史目标。这个目标就是，把那些能够解释为什么每件事情理当如此的少数几个简单的原则系统化。这是牛顿的梦想，也是我们的梦想。

这种历史的方向观念使我们的行为在某种程度上与普通科学家不一样。对一件事情而言，在日常生活中现象的重要性，对我们来说，对它们在最终答案中的重要性是种相当糟糕的指导。在普通物质中电子是普遍存在的，这是个简单的事实，由于电子比μ子轻，μ子比电子重200倍，因此，一个μ子衰变为一个电子和一对中微子能获得许多能量，μ子的寿命只有1微秒左右。在日常生活中，我们并不知道μ子。可是就我们所知，在万物的最终蓝图中，μ子扮演着与电子同样基本的角色（也许是，也许不是非常基本的）。电子首先被发现，而且在整个宇宙的物质中普遍得多的这个事实，只是次要的。

虽然宇宙线中存在μ子，但总的来说这些粒子往往还是不得不在实验室中人工制造，这一点还是得提出来。可能有人会说，我们粒子物理学家就像是蝴蝶的收集者，研究那些自己在实验室中制造出来而在现实世界中根本就不存在的蝴蝶。不过，我们对我们的那些蝴蝶并不太感兴趣。我们对我们的电子或者μ子并不特别感兴趣。我们感兴趣的是最终的原理，我们希望通过研究这些粒子从而能了解这些原理。因此，第一个教训是，普通世界对什么是重要的东西这个问题并不是很好的指南。

我真希望能更早些懂得这个教训。曾记否，哥白尼认为行星的轨道应该是完美的圆周，因为像行星这样重要的东西应该在像圆这样完美的曲线上运动。现在我们并不把行星看做是很特殊的东西。行星只不过是在太阳系的历史上偶然形成的物体，它们的轨道有各种不同的偏心率，可它们的轨道却没有什么特殊的原因非得是个圆不可。

还有第二个教训。那就是，如果我们是在谈论非常基本的现象，那么在某种程度上美学思想是重要的，可如果我们谈论的只是偶然事件，那就不是这样了。行星的轨道不一定是像圆这样美丽的曲线，因为在任何基本的层次上行星都不是特别重要的。而另一方面，当我们阐述量子场论或是超弦理论的方程时，我们要求许多数学上的优美，这是因为我们相信，在我们从事研究的尺度上，在自然界事物的本原上所必定存在的数学优美应该被反映出来。如果我们所研究的粒子和场只是偶然的东西，碰巧对人类很重要，而其自身并没有什么特殊之处，那么将美学作为一个应用准则来阐述我们的理论，就不会有如此丰硕的成果。

最后一点，我们所寻求的美是一种特殊类型的美。当然，美是一个广义、宽泛而又模糊的词。我们发现许多东西是美的：人的面孔是美的，大歌剧院是美的，钢琴奏鸣曲也是美的。我们所寻求的美更类似于钢琴奏鸣曲的美而不是大歌剧院的美，那是某种特殊的感觉。也就是说，我们所寻求的美的理论，能给我们一种任何东西都不会使之改变的感觉。就像在听一首钢琴奏鸣曲时，我们感到一个音符必定跟着它前面的那个音符，而不会是任何别的音符；在我们试图提出的理论中，我们所寻求的是一种独一无二的感觉，也就是这样一种感觉，即当我们明白了最终答案时，我们将会看到，它绝不会是任何别的形式。我的同事惠勒（John Wheeler）用下面的预言对此进行了阐述：当我们最终认识到自然的终极规律之时，我们将会感到奇怪，为什么它们不是从一开始就那么明显呢！

那很可能会是真的。果真如此，我猜想那会是因为，到那时我们认识了自然的终极规律，我们将会因这一认识过程而有许多改变，以至于将会很难想像，若不是超弦理论或是所得出的某种理论，真理还会是别的什么。

讲了这么多，我始终在用一种有时称作物理帝国主义的口吻说话。也就是说，物理学家提供了一套能解释其他所有事情的自然规律，其他科学看起来只不过是物理学的衍生物。我至少要部分地否认这一点。我确实相信有种感觉，一切事情都能由自然规律来解释，而且自然规律正是物理学家们力图要去发现的东西。可这种解释是一种从原则上进行的解释，它无论如何也不会威胁到其他科学的独立性。即使是在物理学本身的领域内我们也这么认为。统计力学研究的是大量粒子的行为，统计力学以及它在研究诸如凝聚体、晶体和液体这样的普通物质中的应用，这是一门独立的科学，这是因为当你处理巨量的粒子时，新现象就出现了。举个我在其他地方用过的例子，即使你尽量使用还原论方法，用分子物理学方程跟踪一杯水中每个分子如何运动而区分出每个分子的动向，在堆积如山的计算机磁带中，你也无法从中找到与这杯水有关的让你感兴趣的东西，比如湍流、温度或者熵。每门科学都以它自己的方式对付自然，因为每一门科学都能发现自然中其他一些有趣的东西。不过，从某种意义上讲，统计力学的原理之所以如此，是因为组成物体的粒子的性质所决定的。统计力学中没有不能从更深层次推导出来而独立存在的原理。

实际上，更深的层次往往是更为微观的层次。如果我们追问任何一个与自然有关的问题，比如天空为什么是蓝色的，或者草为什么是绿色的，并不断地追问为什么、为什么、为什么，那么我们就会得到一系列递进的答案，这些答案通常会把我们带入非常小的尺度。

从某种意义上讲，基本粒子物理学家所研究的那类东西是特别基本的，可无论如何它并不会威胁到其他科学的独立存在或是其具体的重要性。因为，我们物理学家认为，我们正在向最终答案的方向前进，我们所从事的工作无需比其他科学家的工作更值得支持。英国在辩论是否进一步参与CERN合作时提出了这个问题，最近美国在辩论是否花44亿美元用于SSC加速器时也提出了这个问题。英国CERN的反对者和美国SSC的反对者提出，基本粒子物理学并不比其他领域的科学更为基本；它产生直接有实用意义结果的可能性更小，因此它不应该从这些国家的公共基金中占有这么大的份额。这是些非常棘手的问题，我自己也难以断定哪个科学领域应得到多少份额的研究预算。然而这可能不是实质的问题，因为有证据表明，在像SSC这种大型研究项目上的花销实际上有助于普遍增拨研究费用。但我并不想陷入那种论证之中去，因为在这种事情上我没有任何专门知识。

对基本粒子物理学的资助我只想提一点，但要对此加以特殊的强调。虽然所有学科都有证明来使得对它们的资助公正，证明的形式可以是实用性，或是对邻近学科的影响，或是智力挑战，但基本粒子物理学有种特殊的证明，它无需比其他学科更加重要，可它确实值得重视。这种证明就是，我们正力图抵达解释之链的根部，正力图从人类所能达到的最基本的层次上去把握自然。换句话说，是我们正在力图实现牛顿之梦。