5.伽利略的遗风
帕多瓦大学创建于1222年，在文艺复兴时期这所大学成了欧洲最有名的大学。1592年这所大学给伽利略提供了一个教授职位。正如我们现在所说的，伽利略当时是位平步青云的年轻教授；他离开家乡的比萨大学去了帕多瓦。400年后的1992年，帕多瓦大学决定举办伽利略就职演说400周年纪念。12月6日是关于伽利略和他的遗风的讨论会，7日是荣誉学位典礼。下面这篇文章基本上是我在讨论会上的发言，其中最后4段是我在第二天的典礼上的讲话。我对罗马教廷与伽利略的和解缺乏热情，这似乎使听众中的意大利物理学家感到高兴。我很遗憾没能从坐在前排的主教们那里得到任何反应；我猜想他们以前全都听说了。
本周初我在得克萨斯的奥斯汀参加了一个关于基本粒子物理学的讨论会，我发现我的思想已跑到我今天在帕多瓦这里所做的这个演讲上了。忽然我发现自己在想，假如伽利略复活，来到我所参加的物理学讨论会上，他会做何感想呢。也许他会因会议室的简陋而沮丧；像在帕多瓦一样，他还在佛罗伦萨和比萨生活过，甚至被软禁在家中时，他所处的环境恐怕也要比任何一所现代大学的典型的会议室更让人惬意。
另一方面，伽利略可能会对头顶上的幻灯机留下很深刻的印象。毫无疑问，他会把它当作他自己在研究太阳黑子时所用仪器的遥远的后代，到会议结束时，他可能已想出了改进这台幻灯机的方法。他可能不懂报告人所讲的东西；我不信伽利略能懂英语（在伽利略的时代，英语在国际上还没有这么重要），当然他也不会知道有关基本粒子的任何事情。我还幻想，如果一个来自意大利的研究生能把会议记录给伽利略翻译出来，并向他讲解基本粒子物理学的思想，他并不会认为那是完全陌生的。毕竟，伽利略曾创造了理论与实验的这种独特的融合，这形成了我们现代科学的研究风格。
伽利略第一个认识到，像落体的运动规律这种力学事物是种未解决的问题，必须通过定量测量而不是靠纯思辨来解决。虽然他意识到这些测量可能从来就不精确，可同时他也认识到，这些测量的结果可以综合成精确的数学定律。伽利略的发现的伟大之处在于，他所独树的这种科学风格，形成了当今科学最伟大的伽利略遗风，比他所做出的任何具体发现都更加伟大。在科学史上，只有牛顿能与他相提并论。伽利略虽没有牛顿那种包容万物的综合理论，但牛顿却收获了伽利略所种植的硕果。
在伽利略的具体发现中，他的落体定律对物理学家来说有种特殊的意义。伽利略并不是定量地研究落体运动的第一个人。在亚里士多德的《物理学》（Physics）和《论天》（On the Heavens）中纯粹以定性的语言处理了这个问题，古希腊亚历山大的前三位国王也资助了有关抛射体飞行的定量研究。尽管如此，但这些都是出于军用目的，只对抛射体的轨道的形状和射程感兴趣。伽利略第一次把抛射体的位置和时间的函数关系引入到定量研究中来。实际上，伽利略所发现的抛射体下落距离正比于时间的平方，这与更伟大的发现，即在距离和时间之间存在一种能定量研究的普遍的关系相比，如今看来只不过是个细节问题。伽利略还给出了将单摆用作表示均匀的时间间隔的一种方法，而且他在木星卫星的环绕中还发现了一种能用于确定经度的天空时钟。从时间上看，物理学家对定量研究的关注始于伽利略，因此我此次演讲的中心就是时间。
3个世纪以来，人们认为时间的本质与伽利略所设想的几乎一样，即认为是时刻的不可抗拒的继承次序使得过去和未来被截然分开。在20世纪的物理学史中，在很大程度上至少已慢慢习惯了时间观念上的必要的改变。众所周知，在20世纪的前20年中，爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论表明，时间之流会受到观察者的运动或者引力场的影响。与之相反，出现在20世纪20年代的量子力学中的时间却跟伽利略所认识的几乎一样；像旋转球那样的波函数是作为客观的绝对时间的函数来展开的。
一旦量子力学与相对论结合在一起，各种物事顿时就变得妙趣横生。在狭义相对论中，不同的观察者对一些事件的时间顺序可能会看法不一样，可是这并不会引起后果早于前因的佯谬。两个事件在空间上或是在时间上足够近，使得一些最高以光速传播的信号能从第一个事件传播到第二个，只有在这种情况下，一个事件才能引起另一个事件。同时，按照狭义相对论原理，所有观察者才会认同第一个事件是发生在第二个事件之前。可是在量子力学中，我们不能既说它有确定的速度又说它有确定的起点或者终点。因此，就有这样的可能性，即使它们在时间上或者空间上离得很近而使观察者们对哪个事件先发生都很难有一致的看法时，一个事件也能引起另一个事件！
这个佯谬在现代相对论性量了力学中以一种巧妙的方法避免了。如果一个观察者看到从放射性核的衰变中发射出的一个电子，后来又看到这个电子被第二个核吸收了，另一个观察者看到的却是电子先被吸收后被发射，她会对她所见情景做出这样的解释，即第二个核发射一个电子，而接下来是第一个核吸收这个电子。由于电子的电荷不受运动影响，两个观察者会一致认为第一个核失去一个电子的电荷而第二个核得到一个电子的电荷；因此，看到第二个核发射了一个粒子的那个观察者会报告说，这个粒子的电荷与电子电荷的数量相等但电性却相反。这个粒子就不会是电子，而是它的反粒子即正电子，它的质量和自旋与电子的相同，却带有正电荷而不是电子的负电荷。只有我们假设每一种类型的粒子都有反粒子，它们与粒子的电性相反而电量相等，其他方面都与粒子相同，这样才能避免后果早于前因的佯谬。被发射的粒子或者反粒子与相应的被吸收的反粒子或者粒子之间所保持的关系的数学形式就是所谓的量子场论。
直到最近，包括我本人在内，大多数物理学家都认为量子场论是狭义相对性中独特的时间观与量子力学原理相符合的唯一方式。而且，量子场论已经取得了极大的成功。我们所了解的所有有关基本粒子的各种性质以及弱相互作用、强相互作用和电磁相互作用都能用量子场论所谓的标准模型的方式来解释（或者我们认为可以解释）。只剩下一个障碍：似乎没有什么办法能在任何量子场论中加上引力而在所有能量标度上都能保持和谐。
这个障碍似乎在一种新型的相对论性量子理论即所谓的超弦理论中能予以克服。对于在实验室所能达到的相对较低的能量，超弦理论看起来像是一种普通的量子场论，如同弱力、强力和电磁力的标准模型，但在能量很高时却大有径庭：我们遭遇的不再是粒子而是弦，即在时空结构中的微小的一维振动不连续点。不同的振动模式就是在低能量时被我们认做不同类型的粒子。
又是这个时间问题再次提供了一些关键的约束，使得超弦理论如此这般。弦在空间运动时会掠过一个二维时空面。通过给出这个面上的每个点在空间和时间中的运动情况来描述弦的振动。描述在空间中的运动不会有问题，可是如果存在在时间里的运动，那么这种运动就表示负概率的振动。避免这种怪事的唯一办法是附加一个称为共形对称性的对称性原理，通过对称性变换使我们可以除掉这些类时振动。各种可能的不同的超弦理论只是代表满足共形对称性所需要的不同方式。
这些思想还未曾导致一种物质的终极理论，但它们提供了统一基本粒子的电弱相互作用、强相互作用，还有引力相互作用这样的我们目前唯一真正的希望。在这些挑战之外，还有个由来已久的宇宙论问题，即了解宇宙的初始条件的问题。
此处，现代科学再次遇上了它的由来已久的老对手，也就是伽利略曾经遭遇的主要对手，即哲学偏见。许多非科学家（也有一些科学家）似乎认为，有些事情我们可以通过纯粹的推理来认识时间的本质。一些人认为，逻辑上应该有个起点，在那一时刻之前并不存在时间。《圣经》的原教旨主义者可能认为那一时刻是在六千年之前；更富于经验的人会认为从开端算起应该有几十亿年；可是在创造本身这一现实上他们的看法是一致的。其余的人无法想像宇宙的起点；他们想当然地认为，在每个时刻之前都肯定会有其他时刻，因此宇宙会是无限的古老。
那么哪种观点是正确的呢？都不正确。与落体运动的问题一样，宇宙起点的问题是个需要借助科学方法来处理的问题，即通过理论辅助下的观察和观察指导下的理论这样的方法，而不是靠纯粹的思辨或者宗教权威来处理。
20世纪已过去了大部分，科学证据的砝码已倾向于存在一个起点这种观点，这使那些相信超自然的宇宙的人感到一些安慰。我们可以把宇宙物质的当前膨胀从时间上往回追溯到一个时期，那时宇宙必定是非常致密和炙热的。炙热的早期宇宙的事实已由微波辐射背景的发现所证实，微波辐射背景是大约在一二百亿年前留下来的，当时充满辐射的宇宙温度达到3000K。在轻元素氢、氦和锂的各种同位素的丰度中，我们可以看到时间的进一步的证据，那是在微波辐射背景发射之前几十万年，当时物质和辐射的温度高达10亿度。
不幸的是，当我们力图把现有的理论应用于宇宙的温度为1032（1亿亿亿亿）度的真正的早期时间时，这些理论却失败了。在这个温度下，粒子的能量高到了使它们之间的引力与其他任何力一样强，而且那时的物质必须用超弦理论的语言来描述。现在没有人知道怎样来做这件事。
可是我们有一条证据，宇宙的历史不能简单地外推到在微波背景发射之前的几十万年前时无穷高温度的某个瞬间。向天空中的不同方向看时，我们会看到明显的均匀性，特别是在宇宙微波辐射背景中。可是如果在微波背景发射之前宇宙只存在了几十万年，那么就没有时间能使物理的影响从一个方向的辐射源传到方向与之相反的辐射源上，因此也就没有物理的机制能使宇宙的这些不同部分达到均衡。这个问题使得膨胀的思想被广为接受，即在宇宙进入它的目前相位的炙热开始之前，它已经经历了长时期的膨胀。在一些现代理论之中，根本就不存在开端，只是一个没完没了地涨落的宇宙在这里和那里偶尔地开始一次局部的膨胀。
所有这些都是极具推理性的。我们甚至都不能肯定用这种措辞来讲是否恰当。在超弦理论中，时间概念本身看起来在1032度的温度时都失去了明确的含义。可是至少我们有这样的信心，在这些问题得到解答的时候（如果能有得到解答的那一天），它们将会是用我们从伽利略那里学来的方法解决的，即是借助以观察为基础的数学理论的方法，而不是通过哲学或是宗教辩论的方法。
伽利略是如此伟大的科学家，对他的审讯和他所受的处罚给人留下了深刻的印象，对我们来说，试图从他的命运中吸取些教训似乎是必然的。在这次大会上，我已经几次听到，教会给伽利略判罪是错误的，因为宗教权威不应该干涉纯粹属于科学领域的事情。我当然赞成这种观点，可我认为这在我们得到的教训中只是其中的一部分。
假设伽利略真是一名异教徒，他坚持和所接受的不仅是有关天国是如何运行的，还有如何进入天国的异教徒的观点。更糟糕一些，假设他是个出言不逊的人或是一个公开的无神论者，在任一种情况或是所有这些情况下，教会将会有权抨击他的学说。即便如此，采用痛苦的手段或是通过拘捕来威胁他也是错误的。我们当今对宗教和理性上的自由持有这样的观点，即认为为维护宗教的一致性而使用暴力是不恰当的，无论这种惩罚的实施者是像宗教裁判所这样的宗教权威，还是像托斯卡纳大公这样的亲王，甚至是选举产生的深孚众望的政府。伽利略科学成就的非凡成功使得对他的不公平惩罚更臭名昭著，可是在整个历史上还有许多人也曾因他们的观点或是学说而招致惩罚，对他们来说也同样值得哀悼。
我并不是以任何反天主教的精神来谈论这件事。在伽利略所处的时代，一个异教徒或无神论者或出言不逊者，无论是在欧洲或美洲的某个地方，还是在新教的、天主教的国家里，抑或在世界上其他任何地方都不会安全。
为宗教和理性上的自由而进行的斗争显然还没有结束。在这场斗争中，科学的影响当然是我们最伟大的助手之一。这并不是因为科学知识的精确性，而恰恰是因为它的不确定性。科学家们一次又一次地改变他们对那些能用实验和数学分析接近的东西的看法，看到这些，我们得到告诫：不要把犯罪审判的权力交给那些声称能用确定性的语言讲述超越人类经验的物事的任何宗教权威。