一位量子物理学家的深夜冥想
1780年，亚当斯（John Adams）在波士顿创办了美国艺术与科学研究院。（据说亚当斯是响应在费城美国哲学学会的成立，为了提高波士顿的名气而兴此举的。）从1967年我成为该研究院的成员开始，一直到1982年我离开大剑桥地区去奥斯汀的这段时间，该院给我提供了接触非物理学家中的一些有趣的人物的绝好机会。研究院的成员及配偶在学年中每个月聚会一次，开酒会、办晚宴，聊一些学术问题。我入院之初，这些聚会常在布兰德吉大厦举行，这是19世纪波士顿的一个巨商模仿文艺复兴时期宫殿建筑风格的豪华建筑物。1979年我荣幸地在爱因斯坦百年诞辰庆典上做了演讲。后来，聚会的地点搬到研究院的现在的场馆，它相当大却比较朴素，这是承蒙兰德（Edwin Land）的慷慨而在剑桥建成的。1995年2月我应邀回剑桥在研究院现址演讲，下面这篇文章就是在那次演讲的基础上写成的，曾发表在该院的《快报》（Bulletin）上。
在这种场合我要说，20年来在量子场论的旧模式中，我们并没有在对自然的基本理解方面取得任何进步。所谓的弦理论似乎是更基本的理论的最大希望，我们已经跟踪它几十年。可是还没有一种弦理论能明确到有被实验检验的东西。哎，我今天还要说同样的话，只是年数20要改为25。不过，现在有了一些新的理由支持原来的希望。如今有了中微子质量的实验证据，一旦得到证实，这将为超越我们现有的标准模型发出第一个信号。而且，现在我们有理论根据表明，20世纪80年代和90年代初期所探索的各种不同的弦理论只是同一种理论的不同近似。关于在本次演讲中所提到的欧洲的加速器，即CERN的大型强子对撞机（LHC）的工作正在继续，而且，现在可以相当肯定地说，LHC将于2005年投入运行。
我的这次讲话发表后，一个科学社会学中的所谓强纲领的参与者很有说服力地指出了我讲话中的一个错误。强纲领始于爱丁堡大学，旨在强调（而且我可以说是过分强调了）文化对科学工作的影响。在讲话中我不应该说，这个纲领的拥护者们争辩说科学理论“不过是”社会建构，因为这些社会建构论者承认，我们的理论只是部分地受客观实在的制约。在本文集后面的“物理学与历史”一文中，我把对强纲领的反对之处以及对科学史和科学社会学中的类似倾向已尽量描述得更加准确。
我想你们中的许多人已经识出了这次讲话的题目的出处：麦考马奇（Russell McCormmach）写的名为《一位经典物理学家的深夜冥想》（Night Thoughts of a Classical Physicist），这是一本好看的小说。这本书写的是一位虚构的物理学家雅各布（Victor Jakob），他在1918年回顾了他跨越20世纪最初20年的生涯，描写了他对物理学中发生的事情感到失望和不安。所谓深夜冥想，当然就是当你在凌晨3点醒来，想不出接着该如何安排你下面的时间的那种无所适从的感觉。
在20世纪的头几年，各种事情都在发生变化，变化的方式让雅各布这样的老式物理学家感到不安。许多东西已经从实验方面有所了解，可是并没有真正搞明白，比如，原子光谱就出现在各种资料书中。玻尔和索末菲（Arnold Sommerfeld）以及其他人发明了一些神秘的法则，用这些法则你可以计算出那些列在光谱表中的一些波长，可是没人知道这些法则为什么会有效，再者它们也并不是总能有效，因此也就没有多大意义。而且更糟糕的是，在引力和空间、时间这些牛顿已经描述得极其好、经典物理学家们也自认为理解得最深的领域中，许多东西反而变得悬而未决了。现在，空间和时间与引力不知怎地扭结在一起。引力不是一种力，而是在空间和时间上的弯曲。雅各布对此深感不悦，并因此深夜无眠，生发一些更糟糕的冥想。
从那时起，物理学取得了惊人的进步（当然，在科学中也普遍如此，可是我所知道的大多数是关于物理学的）。在20世纪20年代，曾相当困扰雅各布那一代物理学家的原子得到了解释。那些充满了光谱学表格的书籍中的所有波长得到了解释。不是用有时有效而有时又无效的那种特别而又神秘的法则的形式，而是用量子力学的形式。对于物理学，这是一种清清楚楚、有条有理、又可以理解的体系。量子力学——推翻了经典的决定论，提供了对自然的一种全新的描述——如果雅各布活到1925年，可能他也能学会它。根据量子力学原理和电子的一些性质以及占有原子大部分质量的原子核的一些性质，原子变得完全可以理解。
自从20世纪20年代中期以来，从更基本的粒子的形式我们弄懂了原子核是什么。到了20世纪70年代，物质的所有性质原则上都可以用一种相对简单并更有条理的理论来解释，这种数学上自洽的理论被称为标准模型。
然而，在接近20世纪末的此时站在这里，我必须告诉大家，即使受益于所有那些值得炫耀的进步，此时我们物理学家也有我们的深夜冥想。可是，这些冥想和雅各布那些人的大不相同，实际上，在某些方面甚至是对立的。
你们可能都熟悉这个故事，亚历山大大帝（Alexander the Great）曾因发现没有更多的世界让他去征服而落泪。专家告诉我这个故事不确凿；在早期的对亚历山大生涯的描写中没有这个情节。即使没有这些专家的提醒，我也一直认为这个故事有些不可靠：亚历山大不可能认为他已经征服了整个世界。比如，他知道印度的恒河，而且他也知道他未曾到过那里。就像每个希腊人都知道的，他当然知道西西里岛的更大的希腊，而且他也还没有征服西西里岛。那么，那个故事又意味着什么呢？在讲这个故事时，如果能用恰当的词语来加以强调，那才会有意义；亚历山大之所以落泪，是因为没有更多的世界让他去征服。
现在我们粒子物理学家正处在亚历山大的位置上。我们已经征服了许许多多世界。我们已经了解了原子、原子核、组成原子核的粒子以及组成这些粒子的那些粒子。物质、力以及能量的所有神秘的本性都已融入到标准模型的体系之中。可是，标准模型显然不是最终答案，而我们似乎无法再更进一步。现在我可以就标准模型做个演讲，可是这与在20年前做这个课题的演讲不会有重大差别。在过去的15年或20年中，从一些能与实验数据对照并得到证实的更基本的理论发现的意义上讲，物理学没有真正的本质上的进步。
简而言之，标准模型是一种场论。我想你们对场论是什么都已经有所了解。比如，你们都看到过铁屑在磁铁周围形成的图案，也知道磁铁会在周围产生一种空间状况，那就被称为磁场。如果你手握一块铁并伸向一块磁铁，你就会感受到磁场。类似地，地球也会在周围产生一种称为重力场的空间状况。将量子力学应用到这些场中时我们了解到，能量和动量以及场的其他性质并不是均匀传播的；它们是以小包或者说量子的形式出现。那些量子就是我们认作粒子的东西。
在量子场论中，自然的基本成分是场，作为原子的组分或者原子的组分的组分的组分的所有粒子，像电子和夸克这样的粒子，就是一个个场的能量包。在标准模型中，有几十种类型的场，而且所有粒子都只是附带现象，是那些场的间接表现形式。
20年前，如果你们问我下一种基本理论的具体形式是什么样子，我可能会说，想必是一种更好的场论。在某种程度上，它把事物用更漂亮的数学紧密联系起来，使我们能更好地理解事物为什么会是这种样子。那样一种理论还没有具体化。同时，我们知道标准模型并不是最终的答案，因为它有明显的缺陷，而且我不得不说，那些是美学上的缺陷。标准模型成功地描述了在所设计的加速器实验室里我们知道的用于检验它的所有东西，可是它显然是不完美的。正如我前面所说的，它包括许多类型的场，有几十种之多，可我们并不知道为什么要有这些场而不是其他场。另外，还有表示确定的自然常量（例如电子的质量）的大约18个数出现在标准模型的方程中，可是在这种理论中却不能对它们做出解释，只能从实验上来了解它们。在自然的基本理论中有18个自由参数不能解释，可以说这有点太多了。
此外，标准模型遗漏了一个相当重要的组分：引力。引力恰恰不适合标准模型。我们认为我们在标准模型中所描述的结构不会是物理学下一种基本理论的结构，这是其中的一个原因。
在过去的20年中，我们物理学家感到，在某种程度上，仿佛地球在我们脚下移动了。我们最初以为量子场论具有一个物理学的未来发展的坚实基础，可后来我们开始认识到我们并不具有。我们渐渐领悟到这样的事实：满足某种像相对性原理、量子力学原理以及其他一些看起来必然出现的基本原理的理论，在足够大的距离尺度上看起来才好像是量子场论。换句话说，我们的量子场论的成功并不能证明它真的是一种基本的理论，因为任何理论，当在足够大的距离尺度上——比如在原子核里面所发现的那些尺度在如今的粒子物理学家看来都相当大——研究之时，看起来都好像是一种量子场论。
我当时的工作是研究力图去理解核力的经典问题。在做这项工作时，我使用了一种场论，其中的一种场称为π介子场。π介子是1947年在宇宙线中发现的一种粒子。人们相信在产生核力的过程中，它扮演着一个重要的角色。经过一些年之后，我们已经知道π介子并不是一种基本粒子，它是由夸克和反夸克组成的。可是在处理核力过程中，以一种π介子的场论作为我们工作的出发点很有意义，因为任何理论，不论是关于夸克和反夸克或是其他什么粒子的，在从原子核内所能发现的相对大的距离尺度的形式来看时，都像是一种场论，并给出某种不变性原理，它看起来必定像一种π介子的场论。因此我们并不会把这种场论的成功解释为是告诉我们在真正的基本理论中有必要把π介子场作为一种组分。由此推而广之，我们也不能把标准模型的成功解释为是表明电子场和夸克场等场是基本的实体。
在物理学史上，这种我们当做基本的变革的事情以前就发生过。在爱因斯坦的广义相对论取代牛顿的引力理论之时，它并不是通过对平方反比定律做小的修正来达到的。广义相对论是通过淘汰牛顿理论的基本概念，即引力是一个物体对另一个物体施加的力的这一概念来取代它的。在广义相对论中，你不谈力；你谈的是空间和时间的弯曲。在预言太阳系方面，广义相对论对牛顿力学的替代效果是引入极微小的修正，而爱因斯坦的理论使我们描述自然的方式发生了变革。
现在，在描述自然的方式上我们需要另一次变革。在20年中，我们并没有在量子场论的旧模式中取得任何进步。特别是，在量子场论中我们没有找到一种描述引力的方式。如果你刚刚开始，试图用与描述其他力相同的那种量子场论来描述引力，那么一旦你用这种理论去回答有关引力过程的非常敏感的问题时，答案往往是无穷大，这并不是个有意义的答案。由于这个原因，我们已经基本上放弃了这种尝试。很清楚，如果要把引力引入到我们的理论中来，我们需要不同于量子场论的一些概念体系。到哪里去找这种理论的更深的结构呢？是原子中的粒子的粒子的粒子中的东西吗？我们对自然的探索还要多精细呢？
众所周知，德谟克利特和他的老师留基伯对原子进行了推测。两千多年后，发现原子确实存在。虽然德谟克利特并不知道，在他所熟悉的尺度与发现原子的尺度之间相差了大约100亿倍。弥合那个差距用了两千多年的时间。接着，从原子到原子核，又相差10万倍（原子核大约为原子本身大小的10万分之一）。当今在基本粒子物理学实验室中所探索的尺度大约只有原子核尺度的1%。在这个尺度上，每件事情都由量子场论、由标准模型进行了很好的描述。
在标准模型的基础上我们还要多么深入才能找到更深层的结构呢？我们没有把握。它们也许就近在咫尺。可我们有很好的理由相信，这些结构比到目前为止我们所研究的最小的结构还要小很多，不是差10万或100亿这样的因子，而是差1015这样的因子。换句话说，无论是什么，这些结构较之原子核都要比原子核的尺寸与人相比小得多。这个问题告诉我们，我们不能通过实验直接研究这些结构。因此，在取得进展的努力中，我们寻求另外两种方法。
一种方法是由较为年轻的一代理论物理学家所寻求的所谓的弦理论。到目前为止，寻求弦理论主要是出于数学上的美感和对和谐的探索。它具有美妙的特点，包含引力这种自然角色，实际上，它需要引力的存在。可是，它并未做出已被实验证实了的新预言。它是我们探索终极理论的第一个候选者，可是现在，我们对弦理论已经注视了几十年，它们并未形成一种能被实验检验的具体的理论。弦理论在数学上非常困难。我认为这是物理学本身状况良好的一种标志，即使大多数老一代物理学家不学弦理论，也读不懂有关论文，但年轻的弦理论家们在美国最重要的大学中仍继续获得终身职位。我们的场并不是（像有些人想像的那样）由年迈的守旧的人来支配和统治的。它充满新的勃勃生机。
另一种方法是实验的。我们希望得到能使我们步入基本弦理论正轨的新实验结果的鼓舞，或者，如果不是向一种弦理论，是向其他什么理论迈进也行。这些实验不能探索比我们现在所研究的尺度小1015倍的结构；标准模型中还有与粒子如何获得质量有关的一些不确定的方面。更切实可行的是通过实验探索使标准模型完善。理解标准模型的这些方面，可能使我们在渴望中得到我们所需要的刺激，从而开始再次向下一个更深刻的理论前进。
我们曾希望本应建于得克萨斯的埃利斯郡的超导超级对撞机能在我们渴望之际有助于提供一些刺激，可是它的建造却被取消了。我们希望欧洲人会继续（现在看来他们已明确决定他们将会继续）建造另一台加速器，它的能量将是超级对撞机所应有能量的1/3，会比超级对撞机所计划的迟5年建成——大约在2004年前后。
我所讲的这些，科学社会学家会称之为内科医生之见。我对所发生的事情的描述完全是按照我们在理论和实验能力上的逻辑规则进行的。当然，日益增加的昂贵实验对资金的需求使我们受外界因素的影响非常大。
看一看外部世界，我猜想就像在亨利八世（Henry Ⅷ）时期的僧侣一样，今天的科学家们开始怀疑他们并不是被人们普遍爱戴的。当然，这是个古老的故事。你可以追溯到斯威夫特（Jonathan Swift）、布莱克（William Blake）和惠特曼，在他们那可以发现强烈的反科学情感（antiscientific sentiments）的表述。可是，我们现在所看到的是，在我们的大学里就有一群活跃的人物，他们对科学要求和目标，或是特别针对粒子物理学，普遍地怀有敌意。虽然这并不是我所擅长的领域，我还是想说一点与此有关的话，霍尔顿也已就此撰文通过权威得多的方式表达他的见解。
关于粒子物理学本身价值的辩论已经在科学界广泛展开。我们粒子物理学家并不是宣称我们的工作是唯一值得资助的。我猜测，如果我们认为能侥幸做成，那我们有可能会这么做，可实际上我们并不相信这种声明会是真的。我们确实相信我们的工作有种独特的价值，因为我们是在所有科学中最基本的层次上工作的。（顺便说一句，粒子物理学家是个令人敬畏的词，因为我们并非真的对粒子感兴趣；我们感兴趣的是原理。我们用粒子作工具来获得基本的科学原理。可是由于想要个好点的标签，于是就称我们为粒子物理学家。）
如果你问到有关为什么事情是如此这般的任何问题，若谈论的是生物学或天文学问题，那答案的一部分可能是以历史的偶然性为基础的，比如说太阳系如何形成的详细过程。可是，一旦把历史的偶然性放在一边，答案就会涉及普遍原理。可是，并不存在生物学、化学或者经济学的独立的原理。如果你发现一个化学定律或者是经济学定律，接着你必定会问它为什么是正确的。其解释总是会还原到一种更深层理论的形式。更深层并不是指在数学上更意义深远或更有用，往往都不是这样，而是指更接近我们解释的起点。
同样，许多矿物学和生理学是根据化学来解释的，化学是根据物理学来解释的，普通物质的物理学又是根据标准模型来解释的。可是，这并不一定表示真正解释清楚了。常常是，根据标准模型所做的解释过于复杂，以至于我们不能全都行得通。可是这会是你的最后寻求之处。你不会找到不依赖其他东西的独立的超导定律或者经济学行为定律。你会用还原论的方法力图去解释那些东西。
我陷入了关于这种观点的麻烦的辩论，我希望在这里我是用足以引起辩论兴致的方式来表达的。粒子物理学家的这种主张已惹怒了其他科学家，特别是其他物理学家。在《今日物理》（Physics Today）的书信往来专栏里，你会发现没完没了的令人不愉快的往来信件。
然而，还有一些攻击不仅是针对粒子物理学的主张，还针对普遍的科学的主旨。如果你们不介意重复述说分歧之处的话，此处我要说存在两种主要的思潮。一种是社会建构论。社会建构论者，也包括一些科学史学家和许多科学社会学家，他们认为我们是通过一种社会过程对科学发现达成共识。加利森（Peter Galison）和施韦伯（Sam Schweber）探究粒子物理学和场论发展史的工作表明，关于理论或实验竞争的这种社会处理过程是正确的。这是有价值的工作，没人会提反对意见。关于社会建构论，我指的是更有争议的观点，即认为科学家所做的事情，大部分要受科学家之间以及科学家与他们所赖以生存的更大的社会之间的社会相互作用的制约。换句话说，虽然从某种意义上讲科学发现是有关某些客观事物的，可是如果不是因为时代精神，它们就不会是现在这个状况。福曼写的一篇著名的文章，描述了第一次世界大战后德国人理想破灭之事如何成为量子力学发展的必要契机。我没发现这种观点的不合逻辑或者显然荒谬之处，可我确实认为它过于夸张了。我本人对科学的经验是，科学大部分是由内在因素指导的；现实的推动使得我们能够我行我素。当然，社会必须为取得进步提供机遇，没有机遇我们必定会一事无成。可是一旦有了机遇，我们选取的方向就会由外部现实来决定。
还有一种实际上是激进社会建构论者的观点，比如，与最初起源于爱丁堡大学的强纲领有关的一种观点。按照这种观点，科学理论除了是社会建构之外什么也不是，这在我看来是荒唐可笑的。按照那种方式，要把社会建构论的各种不同版本分类是非常困难的，因为从事社会学或科学史的每个人似乎都力图使自己远离他人。他们每个人都描述无限分级的信条，从而看起来才不会与别人所取的态度相同。我想起在一次关于军备控制会议上乌拉姆（Stan Ulam）的如下高见：“愚蠢就是能在不同种类的毫无意义的东西之间找到细微差别的这种能力。”
还有后现代派。由于社会建构论者是一些严肃认真的人，我认为他们的想法是错误的，可是他们在研究各门科学发展史时做了许多很好的工作，实际上他们的一些文章确实是相当有启发性的；而现有的一些后现代主义者，他们不仅怀疑科学的客观性，而且还厌恶客观性，他们欢迎某些比现代科学更热烈也更模糊的东西。这些后现代主义者是阿奎那（Thomas Aquinas）最厌恶的信奉左道邪说的人，即布拉班特的西格尔（Siger）的聪明的后裔。西格尔曾论述，虽然个体灵魂的不朽并不是哲学上所容许的，因而从哲学观点来看是不真实的，可从神学上讲却是正确的。因此，它既真实又不真实，这只取决于你的思维模式。这看来是后现代派会欢迎的那种推理。
顺便说一句，在这方面我的朋友库恩对许多东西要负责任。他把自己放在与后现代主义者和社会建构论者相隔一定的距离之处，可是他的东西总被他们没完没了地引用。他自己并不说在科学过程中存在需要证明和推理的事，这听起来倒没什么，可是他却攻击我们正向客观真理迈进的这种想法。从他最近的一篇文章我可以说出他反对科学在向客观真理迈进这种观点的理由是，他和其他哲学家还没能成功地给真理下定义，而且他也不能说出真理应该是什么。这看起来似乎有点像是说，由于农民不能给奶牛下定义或者比如说不能说出奶牛与水牛之间的差别，人们就应该怀疑奶牛的客观存在。我会争辩说，给奶牛下定义，那不是农民的工作，而是动物学家的工作。同样，给真理下定义，也不是物理学家或其他科学家的工作，而是哲学家的工作。如果哲学家不能做这项工作，那对他们来说就太糟糕了。可是，就像看到奶牛时农民一般都能认识它们一样，我们科学家遇到真理时通常都能认识真理。
反科学情绪的另一种思潮是女性主义者对科学的批评。妇女常常被科学工作或是科学组织拒之门外，这是毫无疑问的，即使在这个研究院也是这样。可是按照女性主义者的批判科学的一种版本，现代科学本性上是男性化的，特别是因为它对客观真理的坚持，以及它对一些科学理论的坚持，这些都完全是错误的。这种女性主义者观点的支持者坚持认为，这种代表男性利益的、源于西方的、还原论的科学应该被某种男女平等的、源于东方的、整体论的东西所取代。严格持那种态度的人可能认为这是将妇女拒之门外的一种不错的理由，可是我并不看得那么认真，我非常高兴地发现，男性和女性物理学家研究物理学的方法都没有明显的差别。
为合理地看待所有这样的事，我不得不说，这些关于科学客观性的论证实际上并没有扩散到研究院之外。比如，在国会中它们并不重要。在为超导超级对撞机争取选票的过程中，我被深深地卷入到游说国会议员的活动中，向他们提供证明，打扰他们，可我从没听他们中的任何人谈起过后现代主义或是社会建构论。你必定会从中吸取教训。
最近，我在一个被称为全国学者协会的组织的一次会议上讲话，这个组织是为反对这些和其他反科学思潮（antiscience trends）而成立的。我声称我并不认为反科学情绪在国会中真是个对科学的资助有影响的大问题，由于我看起来似乎不够惊恐，听众们被我惹恼了，直到我为了平息众怒只好说我也同样惊恐时才平静下来。
有种进展真的会使我惊恐。一旦大学里的有发言权而又有影响的反科学的知识分子与大学之外强大的宗教信仰力量结合起来，我们就将真的要为一些事情而惊恐了。
不过，我并不真的那么惊恐和失望。一位英国新闻记者阿普尔亚德（Bryan Appleyard）最近写了一本名为《理解当今：科学和现代人的灵魂》（Understanding the Present：Science and the Soul of Modem Man）的书，这是一本相当理智和雄辩的书，却对科学怀有敌意。他对科学不满意的一部分是，科学降低了对宗教的热诚，并且培养了自由主义的民主政体。作为一个科学家，这是让我高兴地承认有此过失的一类事。粒子物理学家、其他物理学家和其他科学家一段时间以来一直在讲，我们工作的产物不仅是我们理解而别人不懂的深奥的理论，也不仅仅是新设备、新药品和新武器。我们工作的产物是一种世界观，是一种引向彻底的异端邪说的终点的世界观，而且，如果阿普尔亚德正确的话，会导致培养了自由主义的民主政体，或者至少能获得一种认识，认识到我们并不是生活在一个每条河流都有一位仙女、每棵树上都有一个精灵的世界中。最重要的是，我感到这正是我们科学家最可以为之自豪的事。