万物理论

牛津大学的物理学名誉教授弗兰克 ? 克洛斯，生动地讲述了从 17 世纪直至当下的富有革命性的科学事业，带领读者来到科学前沿。通过考察万物理论曾有哪些内涵，探索了这些内涵所允许的科学的突破，并表明万物理论在生命和信念的关键方面所产生的深远影响。

弗兰克 ? 克洛斯（Frank Close）

牛津大学物理学系名誉教授，曾担任欧洲核子研究中心公共教育和通讯部的负责人。著有 《半衰期》（Half-Life，关于布鲁诺 ? 庞蒂科夫的获奖传记）、《反 物 质》（Antimatter）、《无 限 性 谜 题》（The Infinity Puzzle）、《虚 空 和 粒 子 物 理 学》（Nothing and Particle Physics）。

1  开尔文勋爵的狂妄  001

2  什么是万物理论，什么是“万物”？  005

3  牛顿的无生命之龟的理论  013

你能求解吗？  017

牛顿的宇宙  023

永恒运动  027

时间之箭  033

要有光！  037

空间、时间与时空  043

4  小物体的量子理论  049

量子电动力学  059

物质的核心  065

量子味动力学  068

量子色动力学  071

希格斯玻色子： 核心理论的顶点  077

5  重的物质  083

一个能量的宇宙  085

隔离中的引力  090

超出牛顿的引力  095

普朗克尺度下的引力  104

宇宙常数和暗能量  106

6  量子引力的乌云  111

宇宙的乌云  117

级列乌云  119

空间和时间的量子维度  121

超弦  125

多元宇宙  129

万物或无物？  131

万物量子理论  137

7  回到未来   145

注释和参考文献  155

延伸阅读  161

最终理论  161

经典力学  162

量子物理学  163

热力学  164

相对论  164

核与粒子物理学  165

超对称与超弦理论  166

突现  166

致  谢  169

索  引  171

1980年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾如此推测： 理论物理学可能终结在即，而万物理论也许就要到来。他是否无意识地重复了美国科学家阿尔伯特·迈克耳孙（Albert Michelson）在1894年的断言，“重要的基础性原则都已经稳固地建立好了，物理学进一步的真理就只能在于探寻小数点后第六位是什么了”，抑或是效仿了开尔文勋爵（Lord Kelvin）在1900年的主张，“物理学现在已经毫无新东西可以发现，剩下的就只是越来越精确的测量”？也许不是。

    自然本身清楚什么在我们目前的视野范围之外，它也在不断地揭露我们想象力的局限。在开尔文勋爵发表上述评论后的几年，核原子的发现、量子力学和相对论的兴起，使这些涌现于19世纪的科学巨人们显得颇为幼稚。然而真相事实上更加微妙，从结果来看，也有着不一样的蕴意。开尔文勋爵与阿尔伯特·迈克耳孙的言论（前者确定，后者一定程度上）被移出了各自的语境，并且常常被错误地引用。如果仔细诠释的话，他们事实上所说的却向那些寻求万物理论的人传递着更为深远的信息。

    开尔文勋爵的持久又强烈的信念——物理学的主要功能就是更精确地测量已知的量——事实上启发了迈克耳孙的评论。开尔文勋爵曾经为麦克斯韦的电磁辐射理论以及热力学理论（奠基于力学之上的热学）所折服，开尔文自身也是后者主要的理论构建者之一。他感到，也许可能以粒子的运动来理解能量的概念，因为广泛的奠基性原则似乎就在手边。

    1900年4月27日星期五，开尔文于伦敦的皇家协会发表了一次展现其眼光的演讲。正是在这里，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）曾做出了巩固新物理学的电磁领域的发现。在这里，开尔文做出的并不是那个无批判的判断，即光、热和力的综合意味着物理学的终结即将来临；相反，他的演讲是这样开始的：“动力学理论断言了热和光都是运动的方式，但这一理论的优美和明晰正被两朵乌云所笼罩。”这就成了著名的“两朵乌云”演讲。

    相比于开尔文勋爵狂妄地宣称物理学终结的传说，他事实上使两个突出的难题成了焦点。如果说他有错的话，就错在他还期望这“两朵乌云”只是晴空万里中的一阵阴霾。然而事实上，它们却是暴风雨来临前的预告。消除它们需要的是20世纪物理学的两大支柱： 爱因斯坦的相对论和量子力学。

    所以，尽管开尔文勋爵在细节上确实是错了，但是他却充分意识到了19世纪后期物理学的局限性。的确，从事后来看，当他做出这些评论的时候，即将迫近的20世纪物理学革命已经可以一目了然。当我们做出物理学的终结一度更加有望的现代判断时，这一点应当牢记心中。

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