一個(gè)新的理論正動(dòng)搖現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，它迅速地用美麗優(yōu)雅且具有突破性的新數(shù)學(xué)顛覆我們珍視的和過時(shí)的宇宙觀。盡管關(guān)于這個(gè)理論尚存在一些未解決的問題，但我們?nèi)阅芨惺艿轿锢韺W(xué)家們的興奮；世界各地的頂尖物理學(xué)家都宣稱——我們正在見證一種新物理學(xué)的起源。

這個(gè)理論被稱為“超弦”理論。過去10年，物理學(xué)的一系列的驚人突破促使它發(fā)展至高潮，它表明我們也許無限接近了統(tǒng)一場(chǎng)論：一個(gè)全面的聯(lián)合宇宙中所有已知力的數(shù)學(xué)框架。

超弦理論的支持者甚至聲稱，“這個(gè)理論或許是終極‘宇宙理論’”。

盡管物理學(xué)家在對(duì)待新思想時(shí)通常很小心，但普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家愛德華·威滕（Edward Witten）卻聲稱，超弦理論將在未來50年主導(dǎo)物理學(xué)世界。他最近說，“超弦理論是一個(gè)奇跡，一個(gè)貫穿始終的理論”。在一次物理會(huì)議上，他震驚了聽眾，他宣稱我們或許正在見證一場(chǎng)像量子理論誕生那樣偉大的物理學(xué)革命。他繼續(xù)補(bǔ)充，“超弦理論可能引起我們對(duì)空間和時(shí)間的新理解，是自廣義相對(duì)論以來物理學(xué)最戲劇性的理解?！?/p>

甚至，那些總是小心避免科學(xué)家斷言被夸大的科學(xué)雜志也將超弦理論的誕生與圣杯的發(fā)現(xiàn)相比?？茖W(xué)雜志聲稱，“這場(chǎng)革命可能不亞于數(shù)學(xué)革命中實(shí)數(shù)到復(fù)數(shù)的過渡?！?/p>

該理論的兩位創(chuàng)造者，加州理工學(xué)院的約翰·施瓦茨（John Schwarz）和倫敦瑪麗女王學(xué)院的邁克爾·格林（Michael Green）有點(diǎn)武斷地將其稱為一種萬物理論（TOE）。

這種興奮的核心是，他們認(rèn)識(shí)到超弦理論可以提供一個(gè)全面的理論以解釋所有已知的物理現(xiàn)象——從星系的運(yùn)動(dòng)到原子核內(nèi)的動(dòng)力學(xué)。該理論甚至對(duì)宇宙的起源、時(shí)間的開始，多維宇宙的存在做出了驚人的預(yù)測(cè)。

對(duì)物理學(xué)家來說，這是個(gè)令人陶醉的概念——幾千年來仔細(xì)研究且痛苦地積累起來的我們物質(zhì)世界的海量信息終于能被總結(jié)在一個(gè)理論中。

例如，德國(guó)物理學(xué)家編纂了一本百科全書《物理手冊(cè)》，這是一份詳盡的工作，總結(jié)了世界物理知識(shí)。這個(gè)手冊(cè)，實(shí)際占據(jù)了圖書館的整個(gè)書架，代表了科學(xué)學(xué)習(xí)的頂峰。如果超弦理論為真，原則上，這本百科全書包含的全部信息均可由一個(gè)單一方程衍生而出。

物理學(xué)家對(duì)超弦理論特別興奮，因?yàn)樗仁刮覀兏淖儗?duì)物質(zhì)性質(zhì)的理解。自希臘化時(shí)代以來，科學(xué)家們一直認(rèn)為宇宙是微小的點(diǎn)粒子組成的。德謨克利特創(chuàng)造了原子這個(gè)詞來描述這些終極的、不可摧毀的物質(zhì)單位。

然而，超弦理論假設(shè)，自然界的最終的建筑塊皆由微小的振動(dòng)弦組成。如果它是正確的，意味著所有物質(zhì)中的質(zhì)子和中子，從我們的身體到最遠(yuǎn)的恒星，皆由弦組成。沒人見過這些弦，因?yàn)樗鼈兲∫灾劣谖覀儫o法觀察（它們大約是質(zhì)子的千億分之一）。事實(shí)上，我們的測(cè)量設(shè)備太粗糙，看不到這些細(xì)小的弦，我們的世界似乎只能由點(diǎn)狀粒子構(gòu)成。

起初，用弦代替點(diǎn)粒子這個(gè)概念能簡(jiǎn)單地解釋粒子的多樣性和自然界中由粒子交換所產(chǎn)生的力。后來人們發(fā)現(xiàn)，超弦理論既全面又優(yōu)雅，它能簡(jiǎn)單解釋宇宙中為何會(huì)有數(shù)十億種不同類型的粒子和物質(zhì)且具有驚人的不同特征。

超弦理論可以產(chǎn)生一個(gè)連貫的、包羅萬象的大自然的圖片，類似于用一根小提琴弦可“聯(lián)合”所有的音樂音調(diào)和和聲規(guī)則。歷史上，音樂定律是經(jīng)過數(shù)千年的不同樂音的反復(fù)研究制定而出。今天，這些多樣性的規(guī)則能很容易地從一張圖片中推導(dǎo)出來，即一根弦可與不同頻率共振，每一個(gè)不同頻率的共振都能產(chǎn)生音階中獨(dú)立的音調(diào)。振動(dòng)弦可產(chǎn)生不同的音調(diào)，更重要的是，單一振動(dòng)弦的概念能解釋和諧定律。

因此，小提琴弦的物理知識(shí)給了我們一個(gè)音樂音調(diào)的綜合理論，并允許我們預(yù)測(cè)新的和聲和和弦。同樣，在超弦理論中，人們?cè)谧匀唤缰邪l(fā)現(xiàn)的基本力和各種粒子其實(shí)只是振動(dòng)弦的不同模式。例如，重力交互作用是由環(huán)形弦的最低振動(dòng)模式引起的，此弦的較高激發(fā)可產(chǎn)生不同形式的物質(zhì)。從超弦理論的角度看，沒有任何力或粒子比其他任何力或粒子更重要。全部粒子都只是振動(dòng)弦的不同的振動(dòng)響應(yīng)。因此，超弦理論作為一個(gè)單一的框架，可以在原則上解釋為何宇宙中有如此豐富的粒子和原子且具有多樣性。

對(duì)古代的問題“物質(zhì)是什么？”的答案變得簡(jiǎn)單——物質(zhì)是由粒子組成，粒子是弦的不同的振動(dòng)模式，如G調(diào)或F調(diào)。由弦產(chǎn)生的音樂就是物質(zhì)本身。

世界物理學(xué)家對(duì)這一新理論如此興奮的根本原因是，它似乎解決了本世紀(jì)最重要的科學(xué)問題——如何將自然的四種力結(jié)合為一個(gè)綜合理論。這場(chǎng)巨變的中心是，認(rèn)識(shí)統(tǒng)治我們宇宙的四種基本力實(shí)際上是由超弦控制的一個(gè)單一的統(tǒng)一力的不同表現(xiàn)形式。

-11英寸（大致相當(dāng)于原子核的大?。┓秶鷥?nèi)支配其他的力。

（也許，人們比較熟悉的電磁力的一種形式是光。當(dāng)原子受到干擾，原子核周圍電子的運(yùn)動(dòng)變得不規(guī)則，電子發(fā)射光和其他形式的輻射。以X射線、雷達(dá)、微波或光的形式發(fā)射的電磁輻射是最純粹的電磁輻射形式。無線電和電視只是電磁力的不同形式。）

在原子核內(nèi)，弱（核）力和強(qiáng)（核）力超過了電磁力。例如，強(qiáng)力負(fù)責(zé)將原子核中的質(zhì)子和中子結(jié)合在一起。在任何原子核中，所有質(zhì)子都帶正電。只是質(zhì)子在一起，它們間的排斥（電）力會(huì)將原子核分裂。因此，強(qiáng)力克服了質(zhì)子間的排斥力。粗略地說，只有一些元素能在強(qiáng)力（它傾向于將原子核固定在一起）和排斥（電）力（它傾向于撕裂原子核）間保持微妙的平衡，這有助于解釋為何自然界只有大約100種已知元素。原子核的質(zhì)子數(shù)超過100個(gè)，甚至，強(qiáng)力也難以遏制它們之間的排斥（電）力。

當(dāng)強(qiáng)大的核力被釋放出來，效果可能是災(zāi)難性的。例如，當(dāng)原子彈中的鈾核被故意分開，鎖在原子核里的巨大能量將以核爆的形式被釋放。一枚核彈每磅釋放的能量超過炸藥中含有能量的100萬倍。事實(shí)上，強(qiáng)力產(chǎn)生的能量比電磁力控制的化學(xué)爆炸的能量大太多。

強(qiáng)力還對(duì)恒星發(fā)光的原因作了解釋。星星是一個(gè)巨大的釋放核原子的核熔爐。例如，太陽的能量是通過燃燒煤而非核燃料被創(chuàng)造，那么，只會(huì)有很小部分的太陽光被產(chǎn)生。太陽會(huì)迅速發(fā)出微弱的嘶嘶爆裂聲，變成煤渣。沒有陽光，地球會(huì)變冷，地球上的生命終將死亡。因此，沒有強(qiáng)力，星星不會(huì)發(fā)光，不會(huì)有太陽，地球上也不會(huì)有生命。

如果強(qiáng)力是原子核內(nèi)部唯一起作用的力，那么，大多數(shù)原子核將非常穩(wěn)定。然而，我們從經(jīng)驗(yàn)中知道，某些原子核（如鈾，有92個(gè)質(zhì)子）的質(zhì)量巨大，以至于它們會(huì)自動(dòng)分裂，釋放出更小的碎塊和碎片，我們將這個(gè)物理過程稱為放射。在這些元素中，原子核是不穩(wěn)定的和可解體的。因此，必然存在一個(gè)更弱的力在起作用，一個(gè)控制放射性的力，負(fù)責(zé)分解非常重的原子核——弱力。

弱力是短暫的且轉(zhuǎn)瞬即逝，我們?cè)谏钪胁⑽粗苯芋w驗(yàn)過它。然而，我們感受到了它的間接影響。當(dāng)蓋革計(jì)數(shù)器放在一塊鈾的旁邊，我們聽到的測(cè)量原子核放射性的咔嗒聲是由弱力造成的。弱力釋放的能量也可用于產(chǎn)生熱量。例如，地球內(nèi)部的巨大的熱量，部分是由地心深處的放射性元素蛻變產(chǎn)生的。反過來，如果這個(gè)巨大的熱量到達(dá)地球表面，可能會(huì)引起火山爆發(fā)。類似地，核電站核心釋放的熱量能產(chǎn)生足夠照亮一座城市的電力，這也是由弱力（以及強(qiáng)力）產(chǎn)生的。

沒有這四種力，生命將不可想象：我們身體里的原子會(huì)解體，太陽會(huì)爆裂，點(diǎn)燃恒星和星系的原子之火將被撲滅。因此，力的概念是一個(gè)古老而熟悉的概念，至少可追溯到艾薩克·牛頓時(shí)代。新的想法是，這些力或許只是一種力的不同表現(xiàn)。

日常經(jīng)驗(yàn)表明，一個(gè)物體可以表現(xiàn)為各種形式。將一杯水加熱，直到沸騰變?yōu)檎羝Ｋ?，通常是液體，可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ㄒ环N氣體），其性質(zhì)已不同于液體，但它仍然是水。將一杯水冷凍成冰，通過撤出熱，我們可以將這種液體變成固體，但它仍然是水。同樣的物質(zhì)，僅是在某些情況下變成了一種新的形式。

另一個(gè)更引人注目的例子是，巖石可以轉(zhuǎn)變成光。在特定條件下，一塊巖石可以變成巨大的能量（如果這塊巖石是鈾，能量可表現(xiàn)為原子彈）。因此，物質(zhì)本身可以表現(xiàn)為兩種形式——作為物質(zhì)物體（鈾）或作為能量（輻射）。

科學(xué)家們?cè)谶^去的100年意識(shí)到，電和磁是同一個(gè)力的不同表現(xiàn)。在過去的25年，科學(xué)家才明白，弱力也能被視為同一個(gè)力的不同表現(xiàn)。1979年的諾貝爾獎(jiǎng)授予了三位物理學(xué)家，史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）、謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam），他們展示了如何將弱力和電磁力聯(lián)合成一種力，稱“電-弱”力。同樣，物理學(xué)家現(xiàn)在相信另一種理論，GUT（大統(tǒng)一理論）可以將電弱力與強(qiáng)相互作用聯(lián)合起來。

不過，物理學(xué)家們從未對(duì)重力有任何辦法。事實(shí)上，重力與其他力具有太多的不同，以至于在過去的60年里，科學(xué)家們幾乎絕望——無法將它和其他力聯(lián)合起來。盡管量子力學(xué)驚人地結(jié)合了另外三種力，但它應(yīng)用于重力時(shí)失敗了。

歷史上，科學(xué)的發(fā)展是不連貫的。例如，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的偉大貢獻(xiàn)是用他的引力理論計(jì)算行星的運(yùn)動(dòng)。與沃納·海森堡（Werner Heisenberg）和歐文·薛定諤（Erwin Schrodinger）的工作有很大不同，他們用量子力學(xué)揭示原子的工作原理。此外，量子力學(xué)所需的數(shù)學(xué)和原理似乎完全不同于描述空間扭曲、黑洞和大爆炸的愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

然而，隨著統(tǒng)一場(chǎng)論的發(fā)展，是時(shí)候組裝這些分離的零件并整體查看了，而不僅是追求部分的總和。雖然尋求統(tǒng)一是最近得出的，但大多數(shù)開創(chuàng)性工作都始于過去20年里的工作。事后看來，用連貫的統(tǒng)一的概念重新分析科學(xué)上的偉大發(fā)現(xiàn)將成為可能。

由于統(tǒng)一場(chǎng)論產(chǎn)生的動(dòng)力科學(xué)史正在慢慢重寫——包括艾薩克·牛頓實(shí)際上發(fā)明物理學(xué)和他發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，幾千年人類歷史發(fā)展中的最重要的科學(xué)發(fā)展將變得更易解釋。

根據(jù)麥克斯韋的理論，光是由一致振蕩的電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（B）組成的。電場(chǎng)垂直振動(dòng)，磁場(chǎng)水平振動(dòng)。

然而，麥克斯韋并不氣餒。他用自己的方程計(jì)算，他推導(dǎo)出了這個(gè)波的速度。令他吃驚的是，他發(fā)現(xiàn)這就是光速。不可避免的結(jié)論是，光被揭示出，只有一連串的電場(chǎng)變成了磁場(chǎng)。偶然地，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，他的方程解開了光作為電磁波的性質(zhì)。因此，他是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正統(tǒng)一場(chǎng)論的人。

這是個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)，在重要性上可與牛頓對(duì)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)并列。1889年，麥克斯韋死后10年，海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的理論。在一次戲劇性的演示中，赫茲制造了一個(gè)電火花，并能產(chǎn)生一個(gè)在很遠(yuǎn)距離上可被探測(cè)的電磁波。正如麥克斯韋的預(yù)言，赫茲證明了這些自己傳播的波，不需要“以太”。最終，赫茲的粗略實(shí)驗(yàn)發(fā)展為了我們今天稱之為“無線電”的龐大產(chǎn)業(yè)。

由于麥克斯韋的開創(chuàng)性工作，從那時(shí)起，光被稱為電磁力，是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)迅速相互轉(zhuǎn)換的振動(dòng)產(chǎn)生。雷達(dá)、紫外線、紅外線、無線電、微波、電視和X射線無非是電磁波采取的不同形式。（例如，當(dāng)你收聽自己喜歡的電臺(tái)時(shí)，表盤上的指針指示99.5，表示無線電波包含的電場(chǎng)和磁場(chǎng)正以每秒9950萬次的速度相互轉(zhuǎn)化。）

不幸的是，麥克斯韋在提出這個(gè)理論后不久就去世了，他沒能活到足夠長(zhǎng)的時(shí)間去深度探究自己創(chuàng)作的獨(dú)特處。然而，敏銳的物理學(xué)家在19世紀(jì)60年代就注意到了麥克斯韋方程必然需要奇異的距離和時(shí)間的扭曲。他的方程式與牛頓的理論因描述空間和時(shí)間的方式不同而完全不同。對(duì)牛頓來說，時(shí)間脈沖在整個(gè)宇宙中均勻跳動(dòng)，地球上的時(shí)鐘和月亮上的時(shí)鐘以同樣的速度跳動(dòng)。麥克斯韋方程預(yù)測(cè)，在某些情況下，時(shí)鐘可能會(huì)變慢。

科學(xué)家們沒有意識(shí)到，麥克斯韋的理論預(yù)測(cè)了放置在移動(dòng)火箭船上的時(shí)鐘應(yīng)該比放置在地球上的時(shí)鐘慢。起初，這聽起來非?；闹?。畢竟，時(shí)間流逝的一致性是牛頓系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一。但是，麥克斯韋方程需要這種奇怪的時(shí)間扭曲。

半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們忽略了麥克斯韋方程的這個(gè)奇怪的預(yù)測(cè)。直至1905年，一個(gè)物理學(xué)家終于明白且接受了麥克斯韋理論的這種深刻的時(shí)空扭曲。這個(gè)物理學(xué)家就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein），他創(chuàng)造的狹義相對(duì)論改變了人類歷史的進(jìn)程。

根據(jù)愛因斯坦的說法，重力使星光彎曲是因?yàn)樘枌?shí)際上扭曲了它附近的時(shí)空。圖中，黑星代表恒星的實(shí)際位置，白星代表從地球上觀看恒星的表觀位置。

今天，重力導(dǎo)致的光線偏移可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，而無需將光束越過太陽。在1959年和1965年，哈佛大學(xué)教授羅伯特·龐德和他的同事們表明，當(dāng)伽馬射線（一種形式的電磁輻射）從一個(gè)大樓頂部到底部傳送74英尺的距離，重力會(huì)使它們的波長(zhǎng)改變一個(gè)極小的但仍能測(cè)到的量——一百萬億分之一。這也是愛因斯坦預(yù)測(cè)的數(shù)量。

盡管多年來人們將愛因斯坦的理論成就歸因于他的“天才”，事后看來，我們可以在一致性的背景下考慮廣義相對(duì)論。愛因斯坦的策略類似于牛頓和麥克斯韋，即發(fā)現(xiàn)潛在物理原理能將兩個(gè)不同概念結(jié)合在一個(gè)宇宙統(tǒng)一體中。

20世紀(jì)初，一系列挑戰(zhàn)牛頓物理學(xué)的新實(shí)驗(yàn)引起了科學(xué)界的混亂。世界見證了從舊秩序的灰燼中浮現(xiàn)出新物理的陣痛。然而，在混亂中出現(xiàn)了兩種理論，而不是一種。

愛因斯坦開創(chuàng)了第一個(gè)理論——相對(duì)論——并集中他的全部努力理解重力和光這些力的性質(zhì)。然而，理解物質(zhì)本質(zhì)的基礎(chǔ)是被第二個(gè)理論——量子力學(xué)——奠定的，它控制亞原子世界的一切現(xiàn)象，由沃納·海森堡（Werner Heisenberg）以及他的合作者創(chuàng)建。

-27erg sec確定，現(xiàn)稱“普朗克常數(shù)”）。這個(gè)數(shù)字實(shí)在太小，因此，我們從未在日常生活中看到量子效應(yīng)。

物理界對(duì)普朗克的新想法和它的邏輯結(jié)論，光不是連續(xù)的而是粒狀的持強(qiáng)烈的懷疑態(tài)度。光可以被劈成像粒子一樣的“量子”碎片被認(rèn)為非常荒謬。

5年后，1905年，愛因斯坦（仍是一位默默無聞的物理學(xué)家）寫下光電效應(yīng)理論，將量子理論推向了下一個(gè)關(guān)鍵步驟。普朗克是一個(gè)不情愿的，幾乎是膽小的革命者，這是19世紀(jì)物理學(xué)家典型的氣質(zhì)；愛因斯坦則大膽地提出了自己的理論，在新的方向上大步跨出。

愛因斯坦利用普朗克關(guān)于量子的奇怪理論猜想，當(dāng)光粒子撞擊金屬時(shí)會(huì)發(fā)生什么？如果光是遵循普朗克理論的粒子，那么，它應(yīng)該從金屬中的一些原子中將電子反彈出去，并產(chǎn)生電。然后，愛因斯坦用普朗克常數(shù)計(jì)算出了彈出的電子能量。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家很快就驗(yàn)證了普朗克定律和愛因斯坦方程。普朗克在1918年因其量子理論獲得諾貝爾獎(jiǎng)，隨后，愛因斯坦于1921年因提出光電效應(yīng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

今天，我們受益于量子光電效應(yīng)的應(yīng)用。舉例來說，電視成為可能正是因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)。電視里的攝像機(jī)利用光電效應(yīng)記錄金屬表面上的圖像。光線通過相機(jī)的透鏡進(jìn)入相機(jī)撞擊金屬，并產(chǎn)生特定的電模式，然后轉(zhuǎn)換成電視波打到家用電視機(jī)上。不同于普通的照相機(jī)膠片僅暴露一次，這種金屬可以重復(fù)使用，因此可以捕捉運(yùn)動(dòng)圖像。

◆電子顯微鏡。電子顯微鏡利用電子像波一樣的性質(zhì)可以看到病毒大小的物體。數(shù)百萬人已直接受益于這個(gè)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)上的量子力學(xué)發(fā)明。

◆解開DNA分子的密碼。X射線衍射和其他探針用來確定這些復(fù)雜有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。最終，從這些分子的量子力學(xué)研究中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)生命本身的秘密。

◆核聚變機(jī)。這些機(jī)器將利用太陽的核反應(yīng)在地球上創(chuàng)造巨大的能量。盡管核聚變機(jī)還有許多實(shí)際未解決的問題，但最終它們或許能提供一種幾乎無限的能源。

毫無疑問，量子力學(xué)的成功已改變了醫(yī)學(xué)、工業(yè)和商業(yè)的基礎(chǔ)。具有諷刺意味的是，量子力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用如此明確，但它本身卻代表非常大的不確定性。簡(jiǎn)而言之，量子力學(xué)在物理世界投下了一顆炸彈，結(jié)果是令人震驚的。“任何未被量子理論震驚的人，”尼爾斯·玻爾聲稱，“只是對(duì)它缺乏理解。”

保險(xiǎn)箱竊賊和理論物理學(xué)家有什么共同之處？理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）是一個(gè)成功的保險(xiǎn)箱竊賊，他打開了世界上防護(hù)最嚴(yán)密的一些保險(xiǎn)箱，他也是世界著名的物理學(xué)家。根據(jù)費(fèi)曼的說法，保險(xiǎn)箱竊賊和物理學(xué)家都擅長(zhǎng)通過看似隨機(jī)的線索或者拼湊的微妙的模式找到問題的答案。

自20世紀(jì)30年代以來，物理學(xué)家們一直被一種令人沮喪的情緒吞噬——無法破解量子場(chǎng)論“保險(xiǎn)箱”的任務(wù)，無法找出成功結(jié)合量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)鍵。然而，在過去的20年，物理學(xué)家終于真正從原子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了誘人線索，形成了系統(tǒng)的模式。

今天，我們意識(shí)到，這種模式可以表達(dá)為一種潛在的數(shù)學(xué)對(duì)稱性將看似完全不同的各種力聯(lián)系起來。我們將看到，這些對(duì)稱性可在抵消量子場(chǎng)論中的分歧中發(fā)揮中心作用。發(fā)現(xiàn)這些對(duì)稱性可以抵消這些差異也許是過去半個(gè)世紀(jì)物理學(xué)中最偉大的一課。

迪克的物理學(xué)對(duì)普通人如此困難的原因在于他未使用方程式。自牛頓時(shí)代始，通常的理論方法為建立方程式，然后努力計(jì)算方程的解。迪克只是寫下了自己腦袋中得出的解，未寫出方程式。他對(duì)事情的判斷只需要一個(gè)物理圖像，他能通過這個(gè)圖像得出解，只需最少的計(jì)算。那些畢生致力于求解方程的人一定會(huì)被他弄糊涂——他們的思想是分析性的；迪克的方法是圖畫。

費(fèi)曼的涂鴉很重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S他充分利用規(guī)范對(duì)稱的力量，這引發(fā)了一場(chǎng)物理學(xué)革命，并一直延續(xù)至今。

根據(jù)費(fèi)曼的說法，當(dāng)兩個(gè)電子（用直線棒表示）碰撞時(shí)它們交換光子（用波浪形棒表示）。在圖A中，這些碰撞的電子交換單個(gè)光子；在圖B，它們交換兩個(gè)光子；在圖C中，它們交換許多光子。

起初，這種處理無窮大的妙招受到了強(qiáng)烈質(zhì)疑。畢竟，費(fèi)曼的方法假設(shè)電子的原始質(zhì)量和電荷（“基本的”質(zhì)量和電荷）一開始就是無限的，但是它們吸收了（“重整化的”）圖中出現(xiàn)的無窮大，然后變成有限的。

無窮大減去無窮大能產(chǎn)生有意義的結(jié)果嗎？（或者，用物理語言，∞-∞=0嗎？）

對(duì)批評(píng)家來說，使用一組無窮大（源于循環(huán)）來取消另一組無窮大（源于電荷和質(zhì)量）看起來像室內(nèi)魔術(shù)。事實(shí)上，狄拉克多年來一直批評(píng)重整化理論太笨拙，不能真正代表我們對(duì)自然的理解的深刻飛躍。對(duì)狄拉克來說，重整化理論就像一個(gè)以賭牌為生的老手快速清洗他那幅費(fèi)曼圖，直到帶有無窮大的牌神秘地消失。

“這只是不明智的數(shù)學(xué)，”狄拉克曾說，“明智的數(shù)學(xué)是當(dāng)一個(gè)量變得很小時(shí)可以忽略這個(gè)量——不忽略它是因?yàn)樗菬o窮大，而你并不需要它！”

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不可否認(rèn)的。20世紀(jì)50年代，費(fèi)曼的重整化新理論（提供一種吸收無窮大的方式）允許物理學(xué)家以不可思議的精度計(jì)算氫原子的能級(jí)。沒有其他理論能接近量子電動(dòng)力學(xué)理論那驚人的計(jì)算精度。盡管該理論只適用于電子和光子（而不是弱力、強(qiáng)力或重力），但它驚人的成功不可否認(rèn)。

在證明費(fèi)曼的理論與施溫格（Schwinger）和加來（Tomonaga）等價(jià)后，這三人在2006年分享了諾貝爾獎(jiǎng)。事后看來，我們認(rèn)識(shí)到，真正的成就是他們利用了麥克斯韋的規(guī)范對(duì)稱性，這是在量子電動(dòng)力學(xué)中神秘地消除無窮大的主要原因。這種一次又一次發(fā)現(xiàn)的對(duì)稱性和重整化之間的相互作用是物理學(xué)重大的秘密之一。超弦理論有著物理學(xué)中從未發(fā)現(xiàn)過的最大的一組對(duì)稱性，強(qiáng)大的對(duì)稱性是超弦理論具有奇妙性質(zhì)的核心原因。

根據(jù)W粒子理論，電子（直棒表示）與中微子（點(diǎn)狀棒表示）碰撞并交換一系列W粒子（螺旋表示）。

此外，經(jīng)過一些練習(xí)，組裝W粒子交換產(chǎn)生的數(shù)百個(gè)弱交互過程的費(fèi)曼圖并不難。

然而，問題是，這個(gè)理論不可標(biāo)準(zhǔn)化。不管費(fèi)曼的把戲使用得多巧妙，該理論仍會(huì)被無窮大困擾。問題是W粒子理論本身存在一種基本缺陷——它沒有麥克斯韋方程那樣的規(guī)范對(duì)稱性。

因此，弱相互作用理論被冷落了30年。不僅實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行（因?yàn)楸娝苤碾y以捉摸的中微子的原因），W粒子理論也不可接受。物理學(xué)家對(duì)這一理論進(jìn)行了幾十年的深入研究，也沒能取得重大突破。

會(huì)第三次取得成功嗎？

規(guī)范對(duì)稱性消除了QED和電弱理論的分歧。規(guī)范對(duì)稱性也是消除強(qiáng)相互作用中的無限性（無窮大）的關(guān)鍵嗎？答案是肯定的，但是在持續(xù)了幾十年的大量混亂之后。

強(qiáng)相互作用理論的起源可追溯到1935年，當(dāng)時(shí)，日本物理學(xué)家湯川秀樹提出，原子核里的質(zhì)子和中子是通過稱為“π介子”的粒子交換聚合在一起的。就像量子電動(dòng)力學(xué)一樣，電子和原子核之間的光子交換將原子結(jié)合在一起，湯川通過類比提出這些介子的交換將原子核結(jié)合在一起，他甚至預(yù)測(cè)了這些假設(shè)的粒子的質(zhì)量。

湯川秀樹第一個(gè)提出自然界中的短程力可以用大量粒子的交換來解釋。事實(shí)上，湯川秀樹的介子思想提供了原創(chuàng)靈感，使幾年后的其他物理學(xué)家提出W粒子作為弱力的載體。

1947年，英國(guó)物理學(xué)家塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell）在他的宇宙射線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了介子。這個(gè)粒子的質(zhì)量非常接近湯川秀樹12年前的預(yù)測(cè)。由于湯川秀樹在揭開強(qiáng)力奧秘時(shí)做的先驅(qū)工作，他在1949年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，鮑威爾獲得了1950年的諾貝爾獎(jiǎng)。

盡管介子理論取得了相當(dāng)大的成功（還是可重整的），但它絕不是終點(diǎn)。20世紀(jì)50—60年代，物理學(xué)家利用各個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室里的原子粉碎機(jī)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種不同類型的強(qiáng)相互作用的粒子——“強(qiáng)子”（包括介子和其他強(qiáng)相互作用的粒子，如質(zhì)子和中子）。

數(shù)百個(gè)強(qiáng)子的存在使我們陷入困境。沒人能解釋在探測(cè)亞原子領(lǐng)域時(shí)為什么自然會(huì)突然變得復(fù)雜，而不是越來越簡(jiǎn)單。相比之下，20世紀(jì)30年代，事情似乎很簡(jiǎn)單——人們認(rèn)為宇宙由四種粒子和兩種力組成（電子、質(zhì)子、中子、中微子，光和重力）。根據(jù)定義，基本粒子的數(shù)量應(yīng)該很少，但20世紀(jì)50年代的物理學(xué)家被國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的新強(qiáng)子淹沒。顯然，需要一種新理論在這種混亂中找出一些新道理。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者恩里科·費(fèi)米觀察了大量的新強(qiáng)子，每個(gè)都有一個(gè)奇怪的希臘名字，他曾哀嘆，“如果我能記住所有這些粒子的名字，我一定會(huì)成為植物學(xué)家?！?/p>

羅伯特·奧本海默開玩笑地說，“諾貝爾獎(jiǎng)應(yīng)該頒給那年未發(fā)現(xiàn)新粒子的物理學(xué)家?！?/p>

至1958年，強(qiáng)相互作用粒子數(shù)量增長(zhǎng)已非?？欤灾劣诩又荽髮W(xué)伯克利分校的物理學(xué)家出版了一份年鑒對(duì)其跟蹤。第一本年鑒有19頁，分類了16個(gè)粒子。1960年，粒子的數(shù)量大大增加，以至于出版了頁碼更厚的年鑒。至1995年，這份名單已超過了2000頁，描述了幾百個(gè)粒子。

湯川的理論雖然可以重整，但仍過于原始，無法解釋實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)的眾多的粒子。顯然，重整化是不夠的。正如我們前面看到的W粒子理論中缺少的成分是規(guī)范對(duì)稱性。經(jīng)過幾十年的困惑，利用規(guī)范對(duì)稱性力量的同一經(jīng)驗(yàn)也要用到強(qiáng)力上。

1994年7月，物理學(xué)家在全世界的實(shí)驗(yàn)室中舉起香檳，難以捉摸的“頂夸克”終于被人們發(fā)現(xiàn)。新聞稿發(fā)布時(shí)，芝加哥郊外的費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家?guī)缀醪荒芤种扑麄兊呐d奮。

《紐約時(shí)報(bào)》立刻在頭版位置大肆宣傳這個(gè)勝利。在最近的記憶中，全國(guó)性報(bào)紙的首頁還出現(xiàn)過新的亞原子粒子的報(bào)道。突然，數(shù)百萬對(duì)原子完全不了解（甚至對(duì)原子沒有興趣）的人開始發(fā)問，“什么是頂夸克？”

紐約的NBC電視新聞隨機(jī)詢問鎮(zhèn)上的人是否知道什么是頂夸克。（經(jīng)過一些滑稽的猜測(cè)，一個(gè)人做出了令人驚訝的準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)回答。）喜劇演員開始將頂夸克變成他們的替身，頂夸克是第一個(gè)在15分鐘內(nèi)就獲得名聲的粒子！

1．它有如此奇異的夸克、輕子、膠子、W粒子和Z玻色子。

2．夸克和輕子都有整整三代，它們不能被區(qū)分（除了它們的質(zhì)量）。

3．它有19個(gè)任意參數(shù)，包括輕子的質(zhì)量，W粒子和Z玻色子的質(zhì)量，強(qiáng)相互作用和弱相互作用的相對(duì)強(qiáng)度等。（標(biāo)準(zhǔn)模型不確定這19個(gè)數(shù)字的值。它們是在模型中無正當(dāng)理由地臨時(shí)插入的，且是通過仔細(xì)測(cè)量這些粒子的性質(zhì)被確定。）

作為一個(gè)指導(dǎo)原則，愛因斯坦總會(huì)問自己這個(gè)問題：如果你是上帝，你會(huì)如何構(gòu)建宇宙？當(dāng)然不是用19個(gè)可調(diào)參數(shù)和一大群多余的粒子。理想情況下，你只需要1個(gè)可調(diào)整參數(shù)（或者沒有可調(diào)參數(shù)），只用1個(gè)對(duì)象構(gòu)造自然界中所有的粒子，甚至可能是空間和時(shí)間。

通過類比，我們看門捷列夫周期表，以及它的100多種元素集合，這是“上個(gè)世紀(jì)的粒子”。沒人能否認(rèn)門捷列夫周期表在描述物質(zhì)的構(gòu)造磚塊上取得的成功。但事實(shí)上，它是隨機(jī)選擇的，有數(shù)百個(gè)任意常數(shù)，因此是不吸引人的。今天，我們知道，整個(gè)表可以用3個(gè)粒子來解釋——中子、質(zhì)子、電子。同樣，物理學(xué)家認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型存在奇怪的多余夸克和輕子，應(yīng)該由更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。