未知的事物

我們時(shí)常發(fā)現(xiàn)自己還有那么多不知道的東西，這也是不爭的事實(shí)。我們不斷增長的知識也讓我們對自己的無知有越來越多的認(rèn)識。如同我下面會(huì)講到的那樣，某種意義上，物理學(xué)正處在這樣的情況之中。我們當(dāng)前正處于這樣一個(gè)歷史時(shí)刻：許多物理學(xué)家都認(rèn)為，即便物理學(xué)本身還沒有發(fā)生危機(jī)，那么它也至少在蓄積一股力量，讓人有一種箭在弦上之感。幾十年前，眼見著“萬有理論”呼之欲出，像斯蒂芬·霍金這樣杰出的物理學(xué)家也不免發(fā)問：“理論物理學(xué)的終結(jié)就在眼前？”[2]他們說這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到了最后的細(xì)枝末節(jié)階段。但是他們錯(cuò)了，當(dāng)然這也不是他們第一次犯錯(cuò)。19世紀(jì)末的物理學(xué)家也曾發(fā)出類似的感嘆，接著就涌現(xiàn)了大量的新發(fā)現(xiàn)（電子、放射性、X射線等），這些發(fā)現(xiàn)無法用當(dāng)時(shí)已知的物理學(xué)知識來解釋，由此催生了現(xiàn)代物理學(xué)。如今，很多物理學(xué)家感到，我們可能處在另一場物理學(xué)革命的前夕，這場革命會(huì)像一個(gè)世紀(jì)前相對論和量子力學(xué)的誕生帶來的那場變革一樣重大。我不是說我們馬上要發(fā)現(xiàn)一些根本性的新現(xiàn)象，像X射線或放射性那樣，而是說可能需要另一個(gè)愛因斯坦來打破當(dāng)前的僵局。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）在2012年成功探測到希格斯玻色子，由此證實(shí)了希格斯場的存在（我會(huì)在后面介紹），但此后還沒有新的成果跟進(jìn)；當(dāng)時(shí)有許多物理學(xué)家希望，時(shí)至今日，我們應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他新的粒子，這些發(fā)現(xiàn)會(huì)有助于解開長期存在的謎題。但現(xiàn)實(shí)是，關(guān)于將星系維系在一起的暗物質(zhì)，以及將宇宙撕裂的暗能量，我們?nèi)圆涣私馑鼈兊男再|(zhì)；我們也無法解答一些根本性問題，如物質(zhì)為何多于反物質(zhì)，宇宙的諸多特性為何會(huì)如此精密相諧從而使恒星、行星乃至生命存在，多重宇宙是否存在，在這個(gè)可見宇宙的創(chuàng)生大爆炸之前是否還存在其他東西。還有許多我們無法解釋的問題。然而，我們又很難不被人類至今取得的成就搞得眼花繚亂：我們已然發(fā)現(xiàn)，一些科學(xué)理論在超出我們此前設(shè)想的更深層次上是相互連接的，而另一些理論則被證明是完全錯(cuò)誤的——沒有人能否定我們在探索的道路上已經(jīng)走得相當(dāng)遠(yuǎn)。

有些時(shí)候，根據(jù)新的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，我們會(huì)意識到認(rèn)錯(cuò)了目標(biāo)。另一些時(shí)候，我們僅僅是改進(jìn)了一個(gè)想法，這想法本來也不算錯(cuò)誤，只是一個(gè)粗略近似，但改進(jìn)之后，我們就對現(xiàn)實(shí)有了更精確的認(rèn)識。我們可能對基礎(chǔ)物理學(xué)的某些方面并不完全滿意，心里很清楚這些方面還遠(yuǎn)沒有最終定論，盡管如此，我們還是繼續(xù)倚重這些理論，因?yàn)楝F(xiàn)階段它們依然有用。牛頓的萬有引力定律就是一個(gè)很好的例子。它仍然被鄭重地稱作“定律”，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科學(xué)家滿懷信心地認(rèn)為這是關(guān)于物理的最終定論，以至于把它升格到定律而不只是“理論”，這個(gè)名稱就沿用了下來?，F(xiàn)在我們知道，他們把信心放錯(cuò)了地方。愛因斯坦的廣義相對論（注意這里稱“理論”）取代了牛頓定律，因?yàn)檫@個(gè)理論對引力有了更深刻更準(zhǔn)確的解釋。然而我們?nèi)匀辉谟门ｎD的方程去計(jì)算航天任務(wù)中的飛行軌道。牛頓力學(xué)雖然不像愛因斯坦相對論預(yù)測得那樣準(zhǔn)確，但是前者的預(yù)測幾乎在所有的日常應(yīng)用中依然夠用。

另一個(gè)例子是我們還在研究的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。它由兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)學(xué)理論合并而成，分別是“電弱理論”和“量子色動(dòng)力學(xué)”（quantum chromodynamics），兩者一起描述了所有已知基本粒子的性質(zhì)和彼此間的相互作用力。一些物理學(xué)家認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型僅僅是在更精確、更統(tǒng)一的理論發(fā)現(xiàn)之前的權(quán)宜之計(jì)。但就目前的情況來看，關(guān)于物質(zhì)的性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)模型能告訴我們需要知道的一切：電子如何以及為何圍繞原子核排布，原子如何相互作用形成分子，分子如何結(jié)合在一起形成我們周圍的萬事萬物，物質(zhì)如何與光相互作用（因而幾乎所有現(xiàn)象都能獲得解釋）。僅提其中的一點(diǎn)：量子電動(dòng)力學(xué)（quantum electrodynamics）在最底層奠定了所有的化學(xué)反應(yīng)。

但是標(biāo)準(zhǔn)模型不會(huì)是關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的最終定論，因?yàn)樗话ㄒ?，也沒有解釋暗物質(zhì)或暗能量，而后兩者構(gòu)成了宇宙的絕大部分內(nèi)容。解答一些問題自然會(huì)引出另一些問題，而物理學(xué)家們持續(xù)探索著“超出標(biāo)準(zhǔn)模型”的物理學(xué)，企圖解開這些長期存在而又至關(guān)重要的未知問題。