第一推动丛书物理系列：终极理论之梦

世界重要的理论物理学家之一、诺贝尔物理学奖得主温伯格，用浪漫的笔触讲述了物理学家追求大一统理论之路。作者在叙述中糅合了许多的物理学概念，没有教科书式生硬说教，因此对于文科生也相当友好。

《终极理论之梦》是《*推动丛书》物理系列其中之一，温伯格被称为科学家中的“诗人”，本书就是一本充满诗意又严谨的科普著作。

 2018年新版的《*推动丛书》全新设计了版式、封面，提升了阅读体验，让读科普不再艰难。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。 

《终极理论之梦》讲的，是一场伟大的理性的历险，去找寻大自然的终极理论。终级理论的梦想激发了今天许多高能物理学的研究，虽然还不知道那终极理论会是什么样子，也不知道还要过多少年才能找到它，但我们相信已经开始模模糊糊地看到了它的身影。

在《终极理论之梦》中，诺贝尔物理学奖获得者、《*初三分钟》的作者温伯格讲述了对自然的统一理论的伟大追求――一个能解释从原子内部的联结到太阳与地球的吸引等不同的力的理论。全书令人眼花缭乱却清澈透明，引导着我们从相对论和量子力学走到今天的超弦以及可能与我们同在的别的宇宙。

斯蒂芬·温伯格是得克萨斯大学Josey Regental科学教授。由于他的研究成就，他荣获了许多奖励，其中包括1979年的诺贝尔物理学奖，1991年的美国国家科学奖章，还有数学物理学的Heinemann奖金以及普林斯顿大学的Madison奖章，他被选为美国科学院院士，英国皇家学会会员，美国哲学学会会员，美国艺术和科学院院士。他的科学著作有《引力和宇宙学》和三卷本的《量子场论》。他为一般读者写的书有《最初三分钟》（现已被译为23种文字)、《基本粒子和物理学定律》(与费曼合著）、《亚原子粒子的发现》（同样收录在《第一推动丛书》中)，还有文集《仰望苍穹：科学和它的文化对手》，温伯格教授还经常为《纽约书评》和其他知名期刊撰写文章。

目录：

第1章
序幕

第2章
一支粉笔

第3章
为还原论欢呼

第4章
量子力学和它的遗憾

第5章
理论和实验的故事

第6章
美妙的理论

第7章
反对哲学

第8章
20世纪的布鲁斯

第9章
弦上的终极理论

第 10章
直面终极

第 11章
上帝又如何

第12章  落户埃利斯

新版后记 超级对撞机：一年后

注 释

名词索引

人名索引

译后记

重印后记

温伯格自述小传

温伯格在以他那令人惊奇的洞察自然奥秘的思想能力挑战读者，提出了许多令人目眩的已经成为现实的预言。他在思索一个理论因为什么而美，为什么美的理论似乎总是对的。他透彻地解释了为什么基本定律的追寻走进了泥潭。

——Chet Raymo,洛杉矶时报

这是一本精彩的书，一本煽动性的书。在近来由诺贝尔桂冠物理学家写的许多书中，它是*好的一本。

                                                       
——波士顿环球报

他满怀着信心，写的清澈明了，读者会感觉不可抗拒的备一个大物理学家的双手俘获了。

——Michael White,星期天时报（伦敦）

物理世界注定会满怀热情地期待他的大名鼎鼎的公民温伯格的新书，《终极理论之梦》没有让大家失望……我读过一遍后又迫切地想再读，读过第二编我才深深感觉到它的微妙和真诚……对于爱思考的物理学家、哲学家，甚至爱思考的普通大众来说，它都值得一读再读。

——Frank Wilezek,今日物理学

世界*重要的理论物理学家之一的温伯格表现着知识分子的近乎逼人的坦率。他在这本新书里抓住了许多基本粒子物理学周围的艰难而矛盾的问题，以鲜明有力的语言提出了他个人的一些结论。

——Hans Christian von Baeyer波士顿环球报

本书的故事、背景以及作者关于他个人的理论和结论的叙述，都很好地交织在一起，一般的读者也能通过这样的组织理解它、欣赏它。

——科学新闻

学过10年级的化学后，我对任何科学都没有研究。温伯格书的一大好处是能沟通我这样的科学文盲。它能做到这一点，靠的是对主题的信念统摄在一起的热情、耐心和明晰。正如我们看到的，对温伯格来说……客观的美是他奉献的核心。

                                                          
——Mind Aloof, 大西洋月刊

《终极理论之梦》是一本好书，一本真诚的书。

——Phillip Johnson，华尔街杂志

他没有简单地写实验家们如何为了证明或否定一个个理论而工作，而是向我们展开了一幅多姿多彩的科学家的实际工作图景。

                                                
——Jon Van，芝加哥论坛报

让你不得不跟着他去追寻“大自然的终极理论”。

——Sharon Begley, 新闻周刊

粉笔是白的，为什么?有人马上会说，它白是因为它不是其他颜色。这个答案会让李尔王的那个弄臣高兴，实际上离真正的答案也不太远。在赫胥黎的时代，人们已经知道，彩虹的每种颜色与一定波长的光有关——较长的光波趋向光谱的红端，较短的光波趋向光谱的蓝端或紫端。白光是许多不同波长的光的混合体。光照在不透明物质(如粉笔)上时，只有部分被反射回来，其余的都被吸收了。具有确定颜色的物质，像许多青绿色的铜化合物(例如绿松石里的磷酸铝铜)或紫色的铬化合物，之所以显现那种颜色，是因为它们倾向于强烈吸收一定波长的光，我们通过从物质反射回来的光看到的颜色，是没有被强烈吸收的那些光的颜色。对组成粉笔的碳酸钙来说，强烈吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，所以从粉笔反射回来的光简直就跟照射它的光在可见波段的分布一模一样。白色的感觉，不论来自云朵、雪花还是粉笔，都是这样产生的。

为什么?为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光而另一些物质不会呢?答案与原子和光的能量有关。问题的认识是从爱因斯坦和玻尔在20世纪最初20年的研究开始的。1905年，爱因斯坦首先认识了光线是由无数粒子(后来叫光子)组成的粒子流。光子没有质量，也没有电荷，但每个光子都有一定的能量，与光的波长成反比。1913年，玻尔提出原子和分子只能存在于某些确定的状态，也就是那些具有确定能量的稳定的组成形式。虽然原子常常被比作小小太阳系，但还是存在关键的区别。在太阳系，如果一颗行星离太阳更远或更近一点，它的能量都会增加或减少一点。但是原子的状态却是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变。原子或分子的正常状态是能量最低的状态。当原子或分子吸收了光，它将从一个能量较低的状态跳跃到一个能量更高的状态(如果是发射光子，则发生相反的过程)。总的说来，爱因斯坦和玻尔思想告诉我们，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子的正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。如果不是那样，那么当光子被原子或分子吸收时，能量就不守恒了。典型的铜化合物显现青绿色，是因为铜原子正好有一个比正常状态的能量高2伏特的状态，于是，铜原子很容易通过吸收1个能量为2伏特的光子发生跃迁。1
那样的光子，波长为0.62微米，呈橘红色，它们被吸收以后，便留下青绿色的反射光。
(这并不只是在笨拙地重复讲那些化合物是青绿色的；即使用电子束或其他方式来给铜原子增加能量，我们还是会看到相同的原子能量模式。)粉笔之所以是白的，因为组成它的分子碰巧没有一个状态能特别容易地通过吸收任何一种颜色的可见光来达到。

为什么?
为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态出现?为什么是那样一些数值的能量?
为什么光子一个一个地来，每一个还具有与光的波长成反比的能量?
为什么原子或分子的有些状态特别容易通过吸收光子而达到?
光、原子和分子的这些性质，等到20世纪20年代中叶建立了一个新的物理学框架(即大家知道的量子力学)以后才可能为人们所认识。在量子力学里，原子或分子的粒子是用所谓的波函数来描述的。波函数的行为有点儿像光波或声波，但它的大小(准确说，是它的振幅的平方)给出的是在某个位置找到一个粒子的概率。原子或分子的波函数只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量；这就像风琴里的空气，只能以某些确定的模式振动，每种模式都有自己的波长。把量子力学方程用于铜原子，可以发现原子的高能外围轨道上电子束缚较松，容易吸收可见光而跳跃到下一个能量更高的轨道上去。量子力学计算表明，这两个状态的能量差是2伏特，等于一个橘红色光子的能量。1另一方面，粉笔里的碳酸钙分子正好没有类似的能吸收任何特殊波长光子的松散电子。至于光子，以同样的方式对它们应用量子力学原理，其性质也能得到解释。结果发现，光子跟原子一样，也只能存在于具有确定能量的某些量子态。例如，波长为0.62微米的橘红色光只能存在于能量为0，2，4或6伏特……的那些量子态，我们说那些态分别包含了0，1，2或3个光子……每个光子的能量为2伏特。

为什么?为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的?为什么物质由那些粒子(电子和原子核)组成?还有，为什么存在光那样的东西?在20世纪二三十年代，当量子力学初次用于原子和光时，那些事情还很神秘。近15年来，随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到了很好的认识。这种新认识的一个重要前提，是量子力学与20世纪物理学的另一伟大革命——爱因斯坦相对论，在40年代的结合。量子力学的原理与相对论的原理几乎是互不相容的，只有在极有限的某些理论中才可能共存。在20世纪20年代的非相对论量子力学里，我们可以想象在电子和原子核中存在任何形式的力。但是，正如我们将看到的，在相对论的情形，就不是那么回事：粒子间的力只能来自其他粒子的交换。而且，所有那些粒子都是各种类型的场的能量束，或者叫量子。像电场或磁场那样的场，是空间的一种应力，跟固体中可能存在的各种应力差不多，不过场是空间本身的应力。

每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电子场，它的量子是电子；有电磁场(由电场和磁场组成)，它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子(我们知道的质子和中子)，没有相应的场；但被称作夸克的各种粒子(即组成质子和中子的粒子)却都有各自的场；另外还有些场，我在这里就不多讲了。在像标准模型那样的场理论中，方程不跟粒子打交道，而是跟场打交道；粒子是作为那些场的代表出现的。寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他有质量的粒子都是极不稳定的。我们说标准模型是一种解释，因为它不仅是计算机黑客所谓的杂牌电脑，把乱七八糟的零碎部件揉在一块儿胡乱地运行；实际上，只要确定了标准模型应该包括的场的类型和决定它们相互作用的一般原理(如相对论原理和量子力学原理)，它的结构也就基本上固定下来了。

为什么?
为什么世界只有那么一些场：夸克的场、电子的场、光子的场…… 为什么它们具有标准模型归纳的那些性质?
还有，为什么大自然遵从相对论和量子力学的原理?
很抱歉—— 这些问题还没有答案。在评论当今物理学现状时，普林斯顿的理论家格罗斯(DavidGross)提出了以下几个尚未解决的问题：“现在我们知道了它是如何发生作用的，我们于是要问，为什么有夸克和轻子？为什么物质的模式重复表现着三代夸克和轻子？为什么所有的力都来自规范对称性?为什么？为什么？为什么?”1(这些“为什么”里的术语在后面的章节有解释。)令基本粒子物理学家如此兴奋的，正是他们有希望回答这些问题。

大家都知道，“为什么”是意思最模糊的一个词。哲学家纳格尔(Ernest Nagel)曾列举10个问题，2每个问题里的“为什么”意思都不一样。例如，“为什么冰浮在水上?”“为什么卡西乌斯3谋害恺撒?”“为什么人类有肺?”随便还能想出些“为什么”的意思不同的问题，如“我为什么出生?”这里，我说“为什么”的意思跟它在“为什么冰浮在水上”里的意思差不多，而没有一点自我觉醒的意味。       即使如此，人们在回答那种问题时究竟在做什么，还难得说清楚。幸运的是，那没有必要。科学解释正如爱和艺术，是给我们带来愉悦的事情。理解科学解释的本质的最好办法，是切实去经历一番，当你自己成功解释了某件事情时，会感觉那是怎样特别的兴奋。我并不是说，追求科学解释可以像追求爱和艺术那样不顾任何约束。实际上，这3种情形都存在着我们需要尊重的真理标准，尽管真理在科学跟爱和艺术中当然有不同的意思。我也不是想说，一般地描绘科学如何作为没有一点儿意思，只是在科学中，跟爱和艺术的情形一样，那是不必要的。