弗里奇讓四位偉大的科學(xué)家復(fù)生，并展開了關(guān)于量子理論的起源和發(fā)展的熱烈對(duì)話。他們討論的話題包括：普朗克（Planck）不情愿地引進(jìn)的量子（quanta）概念，玻爾（Bohr）發(fā)明的特設(shè)的量子規(guī)則，薛定諤（Schr dinger）和海森伯（Heisenberg）共同發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)（quantum mechanics），以及量子力學(xué)和愛因斯坦（Einstein）的狹義相對(duì)論（special theory of relativity）相結(jié)合的豐碩成果———相對(duì)論性量子場(chǎng)論（relativistic quantum field theory）。他們的對(duì)話揭示出這些早期的科學(xué)成就如何將我們引向如今已取得巨大成功的“標(biāo)準(zhǔn)模型”（standard model），后者幾乎為所有已知的基本粒子現(xiàn)象提供了一個(gè)顯然正確的、完備的而且前后一致的描述。

　　我將簡(jiǎn)要回顧量子物理學(xué)的某些方面，我們是如何得到它們的，以及還存在哪些未解之謎。所有的自然現(xiàn)象都是由四種基本力產(chǎn)生的：引力、電磁力和兩種核力———一種是弱相互作用力，另外一種是強(qiáng)相互作用力。在愛因斯坦整個(gè)人生的后幾十年，他對(duì)核力的態(tài)度幾乎是敷衍了事，不聞不問。與此相反，他卻竭盡全力去構(gòu)建一個(gè)關(guān)于引力和電磁力的統(tǒng)一理論，但沒有成功。我們必須承認(rèn)，我們所獲悉的關(guān)于核力的知識(shí)對(duì)其他大部分的科學(xué)學(xué)科幾乎不會(huì)產(chǎn)生直接的影響。原因在于對(duì)那些學(xué)科而言，原子核同電子一樣可以被看做具有特定質(zhì)量和電荷的類點(diǎn)粒子（pointlike particle）。通過這種理想化的處理，可用薛定諤方程完美地描述每種化學(xué)元素的原子。實(shí)際上，該方程提供了一個(gè)基本的理論框架，支撐著諸如化學(xué)、生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等許多自然科學(xué)分支。當(dāng)然，懂得了基本規(guī)則并不會(huì)使這些學(xué)科的挑戰(zhàn)性降低，就像懂得了國(guó)際象棋的規(guī)則并不會(huì)使人人都成為國(guó)際象棋大師一 樣……但這終究是一個(gè)好的開端。

　　盡管引力在這四種力中最弱，但它的效應(yīng)卻最顯而易見。引力解釋了地球上和天空中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。它把屬于我們的大氣和海洋挽留了下來，并讓我們站在地面上。然而，與其他幾乎所有現(xiàn)象有關(guān)的卻是電磁力：它使原子結(jié)合在一起，然后使它們組合成諸如分子、老鼠和山脈等。我們自己本質(zhì)上是電磁生物，我們所看到的、感覺到的、聽到的、品嘗到的、觸摸到的或者制造出來的一切東西也都是電磁力作用所致。引力和電磁力合起來解釋了這個(gè)世界的幾乎所有特性，不管是大尺度的還是小尺度的。這樣看來，愛因斯坦忽視核力或許是有道理的。

　　不過電磁力和引力無法解釋太陽和恒星是如何發(fā)光的，也不能解釋構(gòu)成人體的化學(xué)元素是怎樣產(chǎn)生的。如果沒有對(duì)原子核的深入了解，我們就不會(huì)面對(duì)核能所帶來的希望和危險(xiǎn)。這一切都始于1897年放射性的發(fā)現(xiàn)以及那之后不久原子核本身的發(fā)現(xiàn)�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)原子核是由兩種粒子組成的：中子和質(zhì)子———它們通過很強(qiáng)的短程核力結(jié)合在一起。對(duì)宇宙線的研究揭示了其他看來是基本的粒子：正電子、μ子、π介子和好幾種所謂的奇異粒子（strange particle）。越來越強(qiáng)大的粒子加速器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和投入運(yùn)行，導(dǎo)致了幾百種其他粒子的發(fā)現(xiàn)。它們的數(shù)目太多了，不可能都是基本粒子。

　　我們已經(jīng)知道，這些粒子中的大多數(shù)根本不是基本的。所有強(qiáng)相互作用的粒子［叫做強(qiáng)子（hadron）］都是由夸克（quark）組成的，夸克之間通過交換膠子（gluon）而束縛在一起。比方說，質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克（up quark）和一個(gè)下夸克（down quark）組成的束縛態(tài)，而奇異粒子只不過是含有奇異夸克（strange quark）的束縛態(tài)。（然而，我們不可能觀測(cè)到單個(gè)夸克或膠子。）把夸克結(jié)合在一起的力，即色相互作用力或量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），是一種與數(shù)學(xué)上的SU（3）群有關(guān)的規(guī)范理論（gauge theory）。把核子結(jié)合在一起形成原子核的核力只是把夸克結(jié)合在一起的色相互作用力的微弱的剩余效應(yīng)，就像把原子結(jié)合在一起形成化合物的化學(xué)力其實(shí)只是把原子結(jié)合在一起的電力的微弱的剩余效應(yīng)一樣。

　　我們的相互作用力四劍客中的最后一位是弱相互作用力，它容許質(zhì)子變成中子，從而使得太陽能通過核聚變過程產(chǎn)生能量，也使得死亡已久的恒星能夠制造出構(gòu)成人體的元素。它還容許中子在β衰變的過程中變成質(zhì)子，而β衰變是三種天然放射性形式中的一種。如今我們知道弱相互作用力和電磁力是密切相關(guān)的，有些人把這種相關(guān)性說成是這兩種力的統(tǒng)一。這兩種力無法分開來理解，而只能合在一起在電弱理論（electroweak theory）的框架中來理解。電弱理論基于另外一種規(guī)范理論，這種規(guī)范理論涉及自發(fā)破缺的規(guī)范群SU（2）×U（1）。在這種理論中，無質(zhì)量的光子與很重的弱相互作用的傳播子（mediator）W玻色子和Z玻色子聯(lián)系在一起。電弱理論已經(jīng)通過了種種實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。實(shí)際上，它的建立和發(fā)展產(chǎn)生了包括我本人在內(nèi)的八位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。

　　電弱理論連同量子色動(dòng)力學(xué)是如今取得巨大成功的標(biāo)準(zhǔn)模型的兩個(gè)組成部分。標(biāo)準(zhǔn)模型基于作用在三個(gè)基本費(fèi)米子家族上的 規(guī)范群SU（3）*SU（2）*U（1），而每個(gè)費(fèi)米子家族是由一對(duì)夸克和一對(duì)輕子（lepton）組成的。盡管標(biāo)準(zhǔn)模型取得了很多實(shí)驗(yàn)上的成功，但仍然存在許多令人煩惱的問題沒有得到解決。我開列其中的一部分難題，以此為這篇簡(jiǎn)短的序言畫上句號(hào)：

　　問題（一）：怎樣處理被標(biāo)準(zhǔn)模型忽略掉的引力？雖然這種力極其微弱，因此和基本粒子現(xiàn)象沒有什么關(guān)系，但它在量子世界里不可能仍舊只是一種經(jīng)典的力。因此建立引力的量子理論至關(guān)重要。這項(xiàng)任務(wù)也許已經(jīng)在超弦理論（superstring theory）的框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)了，但是到目前為止這個(gè)雄心勃勃的理論既沒有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，也沒有被證偽。

　　問題（二）：是什么導(dǎo)致了弱電對(duì)稱性的破缺，從而使得弱相互作用力很弱，并給出了大多數(shù)粒子的質(zhì)量？希格斯機(jī)制（Higgs mechanism）提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋，但是它也導(dǎo)致了一個(gè)深刻的理論問題。許多有獨(dú)創(chuàng)性的解決方案被提了出來，例如超對(duì)稱和彩（technicolor）模型，但沒有一個(gè)答案是令人信服的。正在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上開展的實(shí)驗(yàn)將會(huì)引導(dǎo)我們朝著正確的答案前進(jìn)，或許我們沿著這條途徑會(huì)發(fā)現(xiàn)那個(gè)令人難以捉摸的希格斯玻色子。

　　問題（三）：宇宙學(xué)家和天文學(xué)家已經(jīng)做出了很多令人吃驚的新發(fā)現(xiàn)，包括：我們的宇宙是平坦的，它膨脹得越來越快，宇宙中的大部分質(zhì)量是暗的，且并非由任何已知的粒子構(gòu)成的。我們現(xiàn)在知道，宇宙包含大約70%的暗能量、25%的暗物質(zhì)和僅僅5%的普通物質(zhì)，如標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的那樣。因此人們提出了兩個(gè)意義深遠(yuǎn)的問題：什么是暗能量？什么是暗物質(zhì)？前一個(gè)問題似乎很難處理，而暗物質(zhì)的問題則可以通過幾種有希望的途徑來研究：通過大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生并探測(cè)暗物質(zhì)；或者當(dāng)它經(jīng)過地下深處的探測(cè)器時(shí)觀測(cè)它的相互作用；或者在空中觀測(cè)它的間接效應(yīng)。

　　問題（四）：標(biāo)準(zhǔn)模型比它初看起來的樣子要更為錯(cuò)綜復(fù)雜。它含有許多可調(diào)節(jié)的參量，其數(shù)值必須通過實(shí)驗(yàn)來確定。比方說，各種夸克和輕子的質(zhì)量和它們的混合就涉及至少20個(gè)獨(dú)立參量（其中大部分參量已經(jīng)得到了測(cè)量）。對(duì)于這些參量而言，它們的取值似乎沒有任何規(guī)律或者理由。毫無疑問，（我們希望）存在尚未被發(fā)現(xiàn)的物理原理，使我們最終能夠從這些第一性原理出發(fā)來計(jì)算這些參量，或者至少能發(fā)現(xiàn)它們之間的某些關(guān)系。

　　或許在遙遠(yuǎn)的未來，這本書的新版可能會(huì)讓那些設(shè)法解決這些難題中的任何一個(gè)或者全部難題的人復(fù)生，他們會(huì)在我們中間或者會(huì)是我們的繼承人。不過，在此期間，仍然有很多工作要做。

　　謝爾登·李·格拉肖（Sheldon L. Glashow）

　　波士頓大學(xué)

　　美國(guó)馬薩諸塞州