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物理学大师的终极之梦
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最近在看因弱电统一理论获得1979年诺贝尔奖的著名物理学家S.温伯格(Steven Weinberg)的《终极理论之梦》，看到一个科学家是怎样被内心的追求“最后答案”的坚定信念所鼓舞，投身到当代理论物理最前沿问题的探索事业中的。在这里，他清晰而又直观地说明了一个物理学家为什么会沉醉于科学研究的背后最纯粹最本质的动机。
他谈到终极理论时说，我们今天的理论只有有限的意义，是暂时的、不完备的。但是，我们总会隐约看到在它们背后的一个终极理论的影子，那个理论将有无限的意义，它的完备与和谐将完全令人满意。我们寻求自然的普遍真理，找到一个理论的时候，我们会试着从更深层的理论推出它，从而证明他、解释它。想象科学原理的空间充满了箭头，每个箭头都从一个原理出发，指向被解释的原理。这些解释的箭头表现出令人瞩目的图样：它们不是独立的科学所表现的单独分离的团块，也不是在空间随意指向—它们都关联着，逆着箭头的方向望去，它们都似乎都源于一个共同的起点，那个能追溯所有解释的起点，就是我所谓的终极理论。当然我们现在还没有终极理论，而且也不大可能很快找到它。但我们总把握着一些线索，说明它并不太遥远。有时，物理学家在一起讨论，发现优美的数学思想实际联系着真实世界，我们会感觉到，在那写满数学公式的黑板背后藏着某个更深层的真理，一个让我们的思想显得那么美妙的终极理论。我们关于那些决定事物运动的原理的知识，是物理科学的核心，也是人类文明的珍宝。
关于科学解释，作者写道，我们的科学发现不是独立分散的事实，一个科学事实可以在另一个那里找到解释，而那解释本身还需要别的解释，追溯这些解释的箭头，我们发现它们在源头惊人地汇聚在一起了—这也许事我们迄今所知道的宇宙最深刻的图景。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。科学最大的愿望是能将所有自然现象的解释都溯源到最后的理论和历史事件。
作者从“粉笔为什么是白的？”这样一个众所周知的现象，说明了人类追寻终极理论的脉络，线索如下：
（1） 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，而粉笔是由碳酸钙组成的，对碳酸钙来说，吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，其他被反射回来到光简直跟照射它的光在可见波段的分布一模一样，所以呈现白色。
（2） 为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光，而一些物质不会？这与原子和光的能量有关。由于原子的状态是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变，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较高的状态（如果是发射光子，则相反），总的来说，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。根据能量守恒，那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。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而达到。
（3） 为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态而出现？为什么是那样一些数值的能量？为什么光子一个一个的来，每一个还具有与光的波长成反比的能量？根据量子力学的理论，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几率。原子或分子只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量，两个态的能量差是2电子伏特，粉笔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，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…电子伏特的那些量子态，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电子伏特。
（4） 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？为什么存在光那样的东西？近15年来（指成书的1992年），随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到很好的认识。粒子间的力只能产生于其他粒子的交换，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，每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电场，它的量子是电子；有电磁场，它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子（质子和中子），都没有相应的场；但是各种叫夸克的粒子（组成质子和中子的粒子）却都有各自的场，粒子就是作为那些场的的代表出现的，寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他物质粒子都是极不稳定的。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，它的结构也就基本上固定下来了。
（5） 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。
一个显而易见的日常现象：粉笔为什么是白色的？作者追根溯源，（1）→（2）→（3）→（4）→（5），用生动的描述，一步一步把我们带到了当今理论物理的最前沿的阵地，令他感到兴奋的，是当代的物理学家有希望回答问题（5），可以朝向最后的源头前进。
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。他在思索一个理论为什么而美，为什么美的理论似乎总是对的……
https://blog.sciencenet.cn/blog-245255-264358.html
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他谈到终极理论时说，我们今天的理论只有有限的意义，是暂时的、不完备的。但是，我们总会隐约看到在它们背后的一个终极理论的影子，那个理论将有无限的意义，它的完备与和谐将完全令人满意。我们寻求自然的普遍真理，找到一个理论的时候，我们会试着从更深层的理论推出它，从而证明他、解释它。想象科学原理的空间充满了箭头，每个箭头都从一个原理出发，指向被解释的原理。这些解释的箭头表现出令人瞩目的图样：它们不是独立的科学所表现的单独分离的团块，也不是在空间随意指向—它们都关联着，逆着箭头的方向望去，它们都似乎都源于一个共同的起点，那个能追溯所有解释的起点，就是我所谓的终极理论。当然我们现在还没有终极理论，而且也不大可能很快找到它。但我们总把握着一些线索，说明它并不太遥远。有时，物理学家在一起讨论，发现优美的数学思想实际联系着真实世界，我们会感觉到，在那写满数学公式的黑板背后藏着某个更深层的真理，一个让我们的思想显得那么美妙的终极理论。我们关于那些决定事物运动的原理的知识，是物理科学的核心，也是人类文明的珍宝。
关于科学解释，作者写道，我们的科学发现不是独立分散的事实，一个科学事实可以在另一个那里找到解释，而那解释本身还需要别的解释，追溯这些解释的箭头，我们发现它们在源头惊人地汇聚在一起了—这也许事我们迄今所知道的宇宙最深刻的图景。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。科学最大的愿望是能将所有自然现象的解释都溯源到最后的理论和历史事件。
作者从“粉笔为什么是白的？”这样一个众所周知的现象，说明了人类追寻终极理论的脉络，线索如下：
（1） 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，而粉笔是由碳酸钙组成的，对碳酸钙来说，吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，其他被反射回来到光简直跟照射它的光在可见波段的分布一模一样，所以呈现白色。
（2） 为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光，而一些物质不会？这与原子和光的能量有关。由于原子的状态是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变，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较高的状态（如果是发射光子，则相反），总的来说，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。根据能量守恒，那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。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而达到。
（3） 为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态而出现？为什么是那样一些数值的能量？为什么光子一个一个的来，每一个还具有与光的波长成反比的能量？根据量子力学的理论，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几率。原子或分子只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量，两个态的能量差是2电子伏特，粉笔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，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…电子伏特的那些量子态，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电子伏特。
（4） 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？为什么存在光那样的东西？近15年来（指成书的1992年），随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到很好的认识。粒子间的力只能产生于其他粒子的交换，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，每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电场，它的量子是电子；有电磁场，它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子（质子和中子），都没有相应的场；但是各种叫夸克的粒子（组成质子和中子的粒子）却都有各自的场，粒子就是作为那些场的的代表出现的，寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他物质粒子都是极不稳定的。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，它的结构也就基本上固定下来了。
（5） 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。
一个显而易见的日常现象：粉笔为什么是白色的？作者追根溯源，（1）→（2）→（3）→（4）→（5），用生动的描述，一步一步把我们带到了当今理论物理的最前沿的阵地，令他感到兴奋的，是当代的物理学家有希望回答问题（5），可以朝向最后的源头前进。
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。他在思索一个理论为什么而美，为什么美的理论似乎总是对的……
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