据说，有热力学之父美誉的开尔文男爵在1901年的一次著名演讲中很豪迈地说：“当前，物理学中已经没有什么新东西可以发现了，剩下的事情就是把测量做得越来越精确而已。”

这让年轻的爱因斯坦很不爽。

年轻人觉得自己应该做点什么，触碰一下那个自负的老头，打击一下他过于饱满的自信。1905年，26岁的爱因斯坦投出了电光火石般的三篇论文，分别论及“光电效应”“布朗运动”和“论动体的电动力学”，其中《论动体的电动力学》划破了固有的思维天空，标志着狭义相对论的横空出世，彻底打破了牛顿以来的时空观，为科学开辟出一个更大范围的空间。

这时，爱因斯坦觉得打击开尔文还不够，最好是摧毁那个自负老头的自信。从1907年开始，历经8年的艰难思索，到1915年11月，爱因斯坦最大胆的梦想已经成为现实——广义相对论基础，使时空完全突破了物理学家惯常依赖的先验模式，而成为动力学演化的场，彻底改变了主导我们宇宙的万有引力的逻辑机制。

保罗·狄拉克说：“（广义相对论）也许是迄今为止最伟大的科学发现。”马克斯·玻恩对其评价道：“人类思考自然最伟大的成就，哲学洞察、物理直觉和数学技巧最令人惊叹的结合”。

这就是天才之于人类的意义。

尽管百年相对论，千年爱因斯坦，但人类的科学探索之路肯定永无止境。

解密新材料黑磷:比石墨烯更 梦幻 ? - 北极星电力新闻网

二维(2D)材料被预期将在国际半导体技术蓝图(ITRS)所指的2028年硅材料末日接棒，其中最知名的就是石墨烯(graphene);科学家们也正在研究其他“梦幻材料”，包括过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides，TMD)，如二硫化钼(molybdenum disulphide，MoS2)。现在又有一种新的2D材料──黑磷(black phosphorus)──被视为能解决石墨烯的一些问题。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/270722.htm

黑磷没有石墨烯的缺点──石墨烯缺乏能隙(bandgap)而且与硅不相容;与硅的相容性可望促进硅光子元件(silicon photonics)技术的发展，届时各种芯片是以光而非电子来传递数字信号。率领该研究团队的美国明尼苏达大学教授Mo Li表示：“我们首度证实了晶体黑磷光电探测器(photodetector)能被转移到硅光子电路中，而且性能表现跟锗(germanium)一样好──这是光电探测器的黄金标准。”

　　磷在自然界是一种具备高度活性反应的物质──这也是为何它们被用来制造火柴──不过将磷在烤箱中以精确的温度烘烤后，它的颜色会变黑，不但性质变得非常稳定，还转变成一种纯晶体型态，能剥离到硅基板上。明尼苏达大学的研究人员使用20个单层(monolayer)的黑磷打造第一款元件证实其光学电路，据说可达到3Gbps的通讯速度。

　　高性能光电探测器仅使用几层黑磷(红色部分)，就能感测波导(绿色部分)中的光;也可用石墨烯(灰色)调节其性能(来源：College of Science and Engineering，University of Minnesota)

　　黑磷超越石墨烯的最大优点就在于拥有能隙，使其更容易进行光探测;而且其能隙是可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来做调节，使其能吸收可见光范围以及通讯用红外线范围的波长。此外因为黑磷是一种直接能隙(direct-band)半导体，也能将电子信号转成光;Li表示：“我们的短期目标之一是制作黑磷电晶体，而长期目标则是在硅晶片中实现黑磷雷射元件。”

　　研究人员将黑磷整合到硅波导光干涉仪(途中的细线)，以精确量测其光吸收量以及侦测其中产生的光电流(来源：College of Science and Engineering，University of Minnesota)

　　Li声称，目前正被研究中的各种2D材料里，黑磷的可调节能隙特性与其他材料也拥有的高速运作性能之间，并没有严重的折衷(trade-off)问题，这使得该种材料在上述两个条件都是“表现最佳”。赞助此研究案的单位包括美国空军科学研究所(ir Force Office of Scientific Research)以及美国国家科学基金会(NSF)。

生而不凡——新材料之王 石墨烯- 凤凰科技

手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯是什么？到底有什么特性让它备受推崇？本期解密：生而不凡——新材料之王石墨烯。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

石墨烯的诞生倒是一件趣事。当时盖姆把一大块儿高定向热解石墨和一台高级抛光机交给了一位新来的中国博士生，希望他做出尽可能薄的膜。三个星期后博士生给了盖姆一个10微米厚的培养皿.盖姆生气地问他能不能磨得更薄？博士生说：“那你就自己试试吧。”

盖姆只得自己做了，不过他采用了一种非常“土”的方法。他用透明胶带在石墨上粘一下就会有石墨层被粘在胶带上，把胶带对折后粘一下再拉开，两端就都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，终于薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨烯就制成了。

在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

在随后三年内, 安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度物理学诺贝尔奖。

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的物理性质。

作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪。”

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。

难以想象的是，石墨本身几乎是最软的矿物质（莫氏硬度只有1~2级），“切”成一个碳原子厚度的薄片时，“性格”会发生如此之大的变化，石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高，但却又有很好的韧性，可以弯曲。

因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。据相关专家分析，用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

石墨烯具有很强的化学敏感性，可以制成高效探测器等。涂有石墨烯的传感器可以检测到含有用于炸药、氨等化学物质的低浓度的蒸汽。

石墨烯的这些特性注定要给诸多产业带来翻天覆地的变化。但是我们普通人最关心的还是石墨烯可能会给我们的生活带来什么样的便捷。虽然现在仍有制备上的困难和成本限制等问题，但已经有一些优秀研究成果问世，展现了极佳的研发前景。

在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。

中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长，而人类细胞则不会受损。利用这一点可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫。

针对将石墨烯的强度和韧性, 微软创始人比尔•盖茨的“比尔和梅琳达盖茨基金会”早前制定出“新世代安全套”计划,将提供10万美元赞助款给英国曼彻斯特大学，以研发更薄更坚韧的安全套。

西班牙Graphenano公司同科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。最重要的是其成本将比锂电池低77%，消费者完全可承受。

一直以来，石墨烯都是科研人员眼中的宠儿。近日，一个由美韩研究人员组成的联合小组报告称他们将小片石墨烯连接到金属电极上，悬空于基底材料上方并加载一定的电流使其加热，制成了只有一层原子的世界最薄电灯泡，或将制成最薄的显示器。

南开大学的一个联合科研团队通过3年的研究，获得一种光照即可移动的特殊石墨烯材料。据悉，这是迄今为止科学界第一次用光推动一个宏观物体并实现的宏观驱动。介绍这一成果的论文一经发表就迅速引起了国际科学界关注。

像石墨烯这种具有革命性的新材料的发展，需要长期的资本投入，以创建完整的价值链和实现与终端市场应用领域的有效对接。随着科技的进步,石墨烯制备和应用的产业化浪潮必将在全球范围内展开。

神奇的石墨烯：刚柔并济 超群拔类

如果你读过很多科学和技术新闻，可能对这个说法印象深刻—石墨烯对什么都有好处。石墨烯由仅有一个原子那么薄的碳构成，却实实在在地拥有最高级别的电子、光学、力学性能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/274155.htm

　　将石墨烯应用在计算机中的设想虽然目前还不切实际，但这种材料在柔性电子显示屏、高能电池和其他产品中很可能成为关键组件。

　　比硅导电更快，但暂时难成“石墨烯半导体”

　　2004年，英国曼彻斯特大学研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，第一次分离出石墨烯并测试了它的电性能。他们用一种特殊胶带一层一层地将破碎细小的石墨剥掉，直到仅剩下单个原子厚度的碳网格。这个成果让二人获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　石墨烯很诡异。它陈列出一种被称作“冲猾导”的状态，电荷可以不受阻碍地穿越它，穿越速度比现今广泛应用于集成电路中的硅材料要快得多。

　　一开始，研究人员对于石墨烯计算的可能性感到异常兴奋。但是不要指望在未来你的笔记本电脑里能找到一个石墨烯处理器。石墨烯并不是半导体，这意味着它很难从导电状态切换到绝缘状态，如果没有强大的切换功能，石墨烯开关就无法在数字逻辑中取代硅。

　　石墨烯的电性能可能更适合应用于电信行业的模拟电路中。2011年IBM就证明了在电信应用中使用超快石墨烯电路的可行性。

　　坚硬且富弹性，适用可穿戴设备和电信线路

　　石墨烯的最佳属性当属机械性能，它既灵活又富有弹性。

　　2008年，美国哥伦比亚大学的研究表明，石墨烯是目前测试过的材料中最坚硬的。美国得克萨斯大学达拉斯分校的雷·鲍曼领导的研究小组一直致力于将集合了坚硬、灵活和高导电性于一体的石墨烯材料应用于纺织品。石墨烯纱线可以制成人工肌肉或者与电池材料结合起来后成为可穿戴设备的电子器件。

　　2013年，石墨烯商业化应用的一个重要里程碑来了，它超越了用所谓的胶带方法制备高质量小薄片石墨烯的时代。得克萨斯大学罗德尼·罗奥夫带领的研究团队，在一大片区域上生成了高质量的石墨烯，方法是在受控条件非常精细的铜片上通过一种气相沉积法将碳沉降其上并形成石墨烯。

　　这非常重要，因为只有高质量的石墨烯才能呈现出冲猾导的性能。2014年，三星公司证明了石墨烯也能在另一种叫做锗材料的表面生成。

　　罗奥夫的另一些同事则致力于将石墨烯生长成能制作坚固耐用且灵活的电信线路。这些设备坚硬到足可以被一辆汽车碾过且经受得住在水中浸泡。德吉·爱晋旺德在一篇论文中证明了这一点，他正在与康宁公司和3M公司合作，争取实现石墨烯的大规模生产。

　　与电极相“依偎”，可提升电池和触屏性能

　　距离商业化较近的应用是利用石墨烯的导电性和力学强度来生产电极材料。例如，它可以替代氧化铟锡，被用来生产透明导电电极，应用于触摸屏显示器。2014年9月，英国剑桥石墨烯研发中心和电子公司Plastic Logic共同展示了一种用石墨烯电极制成的柔性显示屏。

　　加入石墨烯电极能制成高能电池，能让电动汽车行驶路程更远，且机械稳定性更加优异。2011年，美国加利福尼亚大学的研究人员用石墨烯像三明治结构那样将电池电极夹住并稳定下来。其中一位名为张跃刚的研究人员将其实验室搬回中国，以希望更快实现产业化，2014年，他在中国科学院的团队证明了石墨烯可以夹住并固定硫电极。

　　加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员正在探索新的石墨烯应用，如石墨烯是否能被用在充电速度远远超过电池、蓄电能力也更加强大的新型电容器中。

　　石墨烯被发现距今仅11年，却引起了一浪高过一浪的研发热潮，这在材料科学发展历史中比较罕见。虽然科学家和产业界就此充分展开想象力的翅膀，但麻省理工学院《科技评论》的观点认为：“实际应用真的来了，但速度很慢。”

下面内容摘自《终极理论之梦》

在即将过去的一个世纪里，我们从物理学看到了科学知识的前沿在向令人眼花缭乱地延伸。爱因斯坦的狭义和广义相对论永远改变了我们对空间、时间和引力的认识。量子力学则更彻底地与过去决裂，连我们用以描述自然的语言也改变了：以确定的位置和速度替代粒子，我们学会了说波函数和几率。相对论与量子力学的结合，产生了新的世界观，在这种观点下，物质失去了中心的地位，取代它的是对称性原理，有些原理还藏在今天的宇宙背后。在这样的基础上，我们建立了成功的电磁学理论和基本粒子的强弱相互作用理论。我们常常感觉像西格弗里那样，在饮了龙血后，惊奇地发现自己能听懂鸟儿的鸣叫。
但是我们现在却被困住了。在70年代中叶以来的这些年里，基本粒子物理学经历了历史上最大的挫折。我们在为成功付出代价：理论远远走在了前头，未来进步所需要研究的过程，其能量超过了现有实验条件的极限。
为了走出困境，物理学家从1982年开始制定了一个空前巨大和昂贵的科学计划，那就是超导超级对撞机（SSC）。计划最终需要在达拉斯南部的某个地方挖掘一条53英里长的椭圆形隧道，数千个磁体将在隧道里引导两束带电粒子（如质子）流，在相反方向上沿隧道奔流数百万周，质子将被加速到很高的能量，比现有粒子加速器能达到的最高能量还高20倍。在环流的若干位置，粒子流中的质子将发生每秒钟几亿次的碰撞，无数的探测器（有的重达数万吨）会记录下碰撞中发生的事情。计划的预算大约是80亿美圆。
超级对撞机遭到了强烈反对，节俭的国会议院反对，宁愿把钱花在自己领域的一些科学家也反对。这样的所谓“大科学”总会招来抱怨，而那些抱怨今天在超级对撞机找到发泄了。同时，欧洲的团体，如CERN（欧洲核子研究中心），也在考虑建造类似的机器，巨型重子对撞机（LHC）。LHC比超级对撞机省钱，因为它将利用日内瓦附近侏罗山的现有地下隧道。不过，也因为省钱，它的能量还不到超级对撞机的一半。欧洲人也在争论是否该造LHC，在很多方面都像美国人争论SSC。
1992年本书出版的时候，超级对撞机的资助还悬着呢。众议院在6月投票否决了它，而参议院在8月又同意了。超级对撞机的未来还依赖于外来的巨大支持，但现在还没有。问题还很多，超级对撞机的经费即使今年在国会批准了，明年也可能被取消，而且，只要计划没完成，年年都可能这样。也许，在20世纪的最后几年，物理科学基础的追寻将暂时告一段落，大概多年以后才会重新开始。
这不是谈超级对撞机的书，但围绕这个计划的争论，我不得不在公开的讲话或在国会的听政会上，力图向大家解释我们的基本粒子研究想要实现的东西。可能有人认为，像我这样做了30年研究的物理学家不会有什么困难，但事情没那么简单。
对我来说，做这种事情总是快乐的，应该做的。不论在工作台前还是咖啡桌旁，我都演练着数学公式，就像浮士德在梅菲斯特来时玩弄着五角星。  常常在不经意间，数学抽象、实验数据和物理直觉会在某个关于粒子、力和对称性的理论中走到一起。而常常在后来的某个时候，理论将证明是正确的；有时实验会表明自然确实在像理论说的那样运行着。
但这不是全部。对同基本粒子打交道的物理学家来说，还有另外的动力，即使对我们自己也很难说得清楚。
我们今天的理论只有有限的意义，是暂时的、不完备的。但是，我们在它们背后总会隐约看到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，从而证明它、解释它。想象科学原理的空间充满着箭头，每个箭头都从一个原理出发，指指向被解释的原理。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，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。
说起终极理论，脑海里会涌出千百个问题和条件。一个科学原理“解释”另一个科学原理是什么意思？我们如何知道所有的解释都有一个共同的起点？我们能发现那个起点吗？现在离它多远？终极理论会像什么样子？我们现在的物理理论会有哪些能保留在那个终极理论中？它如何认识我们的生活和意识？如果有了终极理论，它对科学和人类精神会产生什么影响？这一章只把问题提出来，留待以后的章节慢慢回答。
终极理论的梦想并不是从20世纪才开始的，在西方，它可以追溯到古希腊德米利都，门德河从那儿流入爱琴海；在苏格拉底诞生前的一百多年，那里曾活跃着一个极享盛誉的学派。关于那个苏格拉底以前的学派的思想，我们知道的不是太多，但从后来的一些材料和仅存的原始的零星片段来看，那时的米利都人已经在寻找用基本的物质组成要素来解释所有的自然现象了。他们的第一个人物泰勒斯（Thales）认为，那基本的物质是水；而在这个学派的最后一个人物阿那克西米尼（Anaximenes）看来，那是空气。
今天看来，泰勒斯和阿那克西米尼的观点显得很奇怪。我们更欣赏100多年后在色雷斯海滨阿布德拉兴起的另一个学派。在那里，德谟克里特（Democritus）和留基波（Leucippus）告诉我们，所有物质都由他们称做原子的永恒的小粒子组成。（原子论的根在印度的形而上学，比德谟克里特和留基波还早。）这些早期原子论者的成熟令人惊奇，不过在我看来，不论米利都人“错了”，还是原子论者在某种意义“对了”，都无关紧要。这些前苏格拉底哲学，不论米利都的还是阿布德拉的，没有一点东西像我们今天对一个成功的科学解释的理解：它对现象必须有定量的认识。就算我们听从泰勒斯或德谟克里特讲的，石头由水或原子组成，我们还是不知道如何计算它的密度、硬度和导电率，这对我们认识自然来说，进步了多少呢？当然，如果没有定量预言的能力，我们也不可能说泰勒斯和德谟克里特谁对谁错。
在德克萨斯和哈佛时，我曾给文科学生讲过物理，我觉得最重要（当然也最困难）的是让学生们学会计算不同物理系统在不同条件下发生的事情。我让他们计算阴极射线的偏转和油滴的下落，不是说任何人都需要计算这类事情，而是因为他们能在计算的过程中体会物理学原理的真实意义。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。
从这点说，亚里士多德的“物理学”并不比更早也更质朴的泰勒斯和德谟克里特的思想好多少。在《物理学》和《论天》（On the Heavens）里，亚里士多德把抛物体的运动描述为部分自然的和部分非自然的。[1]自然的运动，跟所有重物一样，是向下的，趋向万物的中心；非自然的运动则是空气传递的，而空气的运动可以追溯到使抛体运动的物体。然而，抛体在路径上运动多快，在落地时运动了多远，亚里士多德一点儿也没说。他没说计算或测量太难，也没说对运动定律的知识还不够多，不能得到抛体运动的细节。实际上，他没有提出什么答案（对的或错的），因为他不知道那是该问的问题。
为什么该问些问题呢？读者也许跟亚里士多德一样，不太关心物体下落多快——我自己也不太关心，重要的是我们今天已经知道了那原理——牛顿的运动和引力定律以及空气动力学的方程，它们精确决定着物体任何时刻在飞行中的位置。这并不是说我们确实能够精确计算抛体的运动。绕过不规则石头或箭矢羽毛的气流是很复杂的，我们的计算只能是近似的，特别当气流成为湍流的时候。另外还有如何确定初始条件的问题。不管怎么说，我们可以用已知的物理原理解决简单一些的问题，如行星在没有空气的空间运动，稳恒的气流绕过球体或平板，这些问题的解决使我们相信，我们确实把握了决定抛体运动的原理。同样，我们不能计算生命演化的历程，但我们现在很清楚是什么原理在起着作用。
这是很重要的一点，在关于自然终极理论的意义或终极理论是否存在的争论中，它往往混乱不清。我们说一个真理解释另一个，如决定电场中的电子的物理学原理（量子力学法则）解释化学定律，并不是说我们一定能导出我们认为解释了的那些真理。有时问题很简单，如氢原子的化学，我们确实能推导出来；但有时问题对我们来说则是太复杂了。在这种意义上谈科学解释，我们在思想上并没有科学家确实导出的东西，而是认为那是自然一定存在的东西。例如，即使在19世纪，物理学家和天文学家还不知道如何在精确计算中考虑行星的相互吸引力时，他们也理直气壮地相信行星那样运动完全是因为牛顿运动和引力定律，或者别的什么更精确的定律（牛顿定律不过是它的近似）在发生作用。今天，尽管我们还不能预言化学家可能观测到的一切事情，但我们相信，原子之所以在化学反应中表现出那样的行为，是因为决定原子内电子和电力的物理定律没有为原子的其他活动方式留下自由的空间。
这一点很难说清楚。部分原因是，如果没人确实导出什么原理，我们凭什么说一个事实解释了另一个呢？这令人困惑。但是我想我们不得不这样说，因为那正是我们科学所关心的：发现建立在自然的逻辑结构里的解释。当然，如果我们真能进行某些计算，并能把结果与观测对比，那么我们会更加自信。至少，在氢原子化学是这样的，虽然蛋白质的化学还做不到。
尽管希腊人不去追求对自然的综合定量的理解，在古代世界也当然不会不知道精确的定量推理。千百年来，人们懂得了算术法则和平面几何，认识了日月星辰的周期性，还发现了岁差。  除了这些，在亚里士多德以后的希腊化时代，即从亚里士多德的学生亚历山大（Alexander）统治到希腊世界向罗马臣服的年代，  数学科学开花了。在大学念哲学时，听人们把泰勒斯和德谟克里特等希腊哲学家称作物理学家，我总觉得有点儿痛苦；但当我们走进伟大的希腊化时代，听到叙拉古（Syracuse）的阿基米德（Archimedes）发现浮力定律，亚历山大里亚（Alexandria）的埃拉托色尼（Eratosthenes）测量地球的周长，我才感觉回到了科学家的家园。在17世纪现代科学在欧洲兴起之前，世界上还没有哪个地方出现过希腊化时代那样的科学。
然而，尽管希腊化时代的自然哲学家有过那样的辉煌，但他们从来不曾想过一个能精确规范所有自然物的定律体系。实际上，“定律（law）”一词在古代用得很少（而亚里士多德从来不用），  我们只能看到它的原始意义：制约人类行为的人或神的法律。（不错，“天文学（astronomy）”一词源自希腊词astron（星）和nomos（律），但在古代它很少用来说关于天的科学，用得更多的是“星占学（astrology）”。）到了17世纪的伽利略（Galileo）、开普勒（Kepler）和笛卡儿（Descartes），我们才有了自然律的现代概念。
古典学者格林（Peter Green）将希腊科学的极限主要归因于希腊人固执的理性偏见：他们喜欢静止的，不喜欢动态的；喜欢思辨的，不喜欢技术的（军事技术除外）。  希腊化时代亚历山大里亚的前三个国王都支持抛体的飞行研究，因为它能满足军事的需要。但是，把精确推理用于如球在斜面上滚动那样无聊的过程——这是说明伽利略运动定律的例子——在希腊人看来似乎是毫无意义的。现代科学也有自己的偏见——生物学更多地关注基因，而不在乎脚趾头长出的肿瘤；物理学家更愿意研究20万亿伏特能量下的质子-质子碰撞，而不把20伏特放在心里。不过这都是战术的选择，基于一定的判断（正确或错误的），如某些现象比别的更容易产生结果，而不是说他们相信有些现象比其他现象更重要。
现代终极理论的梦想是从牛顿开始的。定量的科学推理从来不曾消失，到了牛顿时代，特别是经过伽利略以后，它又获得了新生。不过，从行星和月球的轨道到潮汐的涨落和苹果的落地，牛顿能用他的运动定律和引力定律解释那么多的事实，因此他应该第一个感觉到可能存在一个真正综合的解释理论。牛顿的希望写在他那巨著《原理》的第一版的前言：“我愿我们能像对力学原理那样，用同类的推理导出其余的自然现象[即《原理》没考虑的那些现象]。许多原因促使我怀疑，它们可能都依赖于一定的力。”20年后，牛顿在《光学》里写了他想如何实现他的计划：
 
  现在，最小的物质粒子被最强的吸引力粘在一起，组成效能较弱的大粒子，其中的很多还可以粘聚形成效能更弱的更大的粒子，如此多方地继续下去，最终形成化学作用和自然物体的颜色所依赖的最大粒子，而这些大粒子则通过粘结形成可以感觉的实体。于是在自然中存在一些原因，能通过强大的吸引力把物体的粒子粘结起来。实验哲学的任务就是去发现它们。
 因为牛顿的伟大典范，特别在英国形成了一种典型的科学解释作风：物质被认为由永恒不变的微小粒子构成；粒子通过“一定的力”（引力不过是其中的一种）相互作用；如果知道粒子在某一时刻的位置和速度，知道如何计算其中的力，那么就可以用运动定律来预言它们在下一个时刻会在什么地方。大学新生们现在还常常听到以这种风格讲的物理学。遗憾的是，这样的牛顿风格的物理学尽管还有更多的成功，却已经走到尽头了。
世界终归是复杂的。在18和19世纪，当科学家们对化学、光、电和热有了更多认识以后，还走牛顿路线去解释，那可能性就越来越渺茫了。特别是，在解释化学反应和亲和性时，把原子当作在相互吸引和排斥的力的作用下运动的牛顿粒子，物理学家不得不为原子和力做出许多任意的实际不可能出现的假定。
不过，到了19世纪90年代，在许多科学家中间却流行着莫名其妙的满足感。在科学传说里，有一个不知谁杜撰的故事。那故事说，在世纪之交，某个物理学家曾宣扬物理学差不多完成了，剩下的事情不过是把测量数据的小数点往后移动几位。故事大概是从美国实验物理学家迈克尔逊（Albert Michelson）1894年在芝加哥大学的一个讲话里传出来的：“谁也不能保证物理科学未来的仓库里再没有比从前更令人惊奇的东西了，不过似乎可以说，多数物理学基本原理都牢固建立起来了，将来的发展大概主要在于把这些原理严格地运用到我们关注的那些现象中去……有个著名的物理学家讲过，物理科学未来的真理只有在小数点后面第6位去寻找。”迈克尔逊在芝加哥讲话时，还有一位美国实验物理学家密利根（Robert Andrews Millikan）也在场，  他猜迈克尔逊说的“著名的物理学家”是那位一言九鼎的苏格兰人，威廉?汤姆森，开尔文勋爵（William Thomson, Lord Kelvin）。一个朋友告诉我，  他40年代在剑桥读书时，人们都在传说开尔文讲过那话：物理学没有什么新东西发现了，剩下的事情只是把测量做得更精确。
我没有在开尔文的讲话里找到这句话，但有许多其他证据表明，在19世纪末的确广泛（尽管不是普遍）流行着一种科学的满足感。  当年轻的普朗克在1875年走进慕尼黑大学时，物理学教授约里（）劝他不要学自然科学。在约里看来，那儿已经没有什么东西可发现了。密利根也听到过类似的忠告，“1894年，”他回忆说，“我住在64号大街一座5层的公寓楼里，在百脑汇的西边。同屋还有四个哥伦比亚大学的研究生，一个学医，另外三个学社会学和政治学。我呢，总被他们嘲笑走进了一个‘完成了的’，是啊，一个‘到头了的’学科，物理学就是那样的；而那个时候，一片崭新的社会科学的 ‘活的’天地正在展开。”
19世纪的那种满足，常被人提起来警告20世纪的我们当中那些敢言终极理论的人。这其实大大误会了那些自满的言论。迈克尔逊、约里和密利根的伙伴们不可能想到物理学家能成功解释化学力的本质——更不会想到化学家能成功解释遗传的机制。说那些话的人只能那么说，因为他们已经对牛顿及其追随者的梦想绝望了。他们不相信化学和其他所有科学能通过物理的力来理解；在他们看来，化学和物理学已经变得平等，各自都接近尾声了。不论19世纪末的人们在什么程度上感觉科学终结了，都不过是随雄心的消沉而出现的满足。
不过事情变得很快。对物理学家来说，新世纪随着伦琴（Wilhelm Roentren）X射线的意外发现从1895年就开始了。X射线本身倒没那么重要，重要的是它让物理学家相信，特别是通过研究各种辐射，还有许多新东西有待发现。发现真的接踵而来了。1896年，贝克莱尔（Henri Becquerel）在巴黎发现了放射性。1897年，J.J.汤姆逊（J. J. Thomson）在剑桥测量了阴极射线在电磁场的偏转，并用一种基本粒子解释了这个结果；那粒子即电子，不单出现在阴极射线，而且存在于所有物质。1905年，爱因斯坦在伯尔尼（那时还没有研究机构要他）提出了狭义相对论的新的关于空间和时间的认识，提出了一种证明原子存在的新方法，还以一种新的基本粒子解释了普朗克先前关于热辐射的研究结果，那就是后来所谓的光的粒子，光子。不久以后，在1911年，卢瑟福（Ernst Rutherford）根据他在曼切斯特实验室的放射性元素的实验结果，推测原子的组成包括质量集中的一个小核和包围在核外的一团电子云。1939年，丹麦的玻尔（Niels Bohr）用他的原子模型和爱因斯坦的光子概念解释了最简单原子的光谱，即氢原子光谱。物理学家的自满现在被兴奋代替了，他们开始觉得，至少统一物理科学的终极理论很快就能找到。
还在1902年，那位自满的迈克尔逊就曾讲过，“从众多表面相隔遥远的思想领域出发的路线汇聚到……一片共同的土地上来的日子看来不会太远了。到那时，原子的本性，在原子的化学统一中起决定作用的力，原子间的相互作用，原子与表现在光电现象中的无差别以太间的相互作用，以原子为基本单位的分子和分子系统的结构，内聚力、弹性和引力的解释等等，一切的东西都可以和谐地纳入单独的一个坚实的科学知识体系。”  如果说过去迈克尔逊认为物理学已经完成是因为他没想拿物理学去解释化学，那么现在他希望在不远的将来能实现一种迥然不同的圆满，不但包括物理学，还包括化学。
不过那还为时尚早。第一个最终的统一理论的梦想，是在20年代中间随量子力学的发现而产生的。那是一个新的陌生的物理学框架，用波函数和几率取代了牛顿力学的粒子和力。量子力学一下子使人们不仅能计算单个原子和它们与辐射相互作用的性质，而且还能计算结合在分子里的原子的性质。至少，人们看清了化学现象之所以那样，完全是因为电子与原子核相互作用的结果。
这倒不是说大学的化学课程从此该由物理教授来讲，也不是说美国化学会该申请加入美国物理学会。用量子力学方程来计算在最简单的氢分子中两个氢原子的束缚力就够困难的了，对于复杂分子，特别是生物学里遇到的分子和它们在不同环境下的反应，还是需要化学家的特殊经验和洞察力。但是，量子力学在计算极简单分子的性质的成功，清楚表明了正是因为物理学定律的作用，化学才表现出那样的行为方式。新量子力学创立者之一的狄拉克（Paul Dirac）在1929年胜利地宣布，“大部分物理学和整个化学的数学理论所需要的基本物理学定律就这样完全知道了，困难只是这些定律的应用带来了太复杂的方程，现在还没法解决。”
没过多久，出现了一个奇怪的新问题。原子能量的第一个量子力学计算得到的结果与实验符合得很好。但是，如果量子力学不仅用于原子里的电子，还用于那些电子产生的电磁场，那么结果将是，原子具有无穷大的能量！在其他计算里还出现了另一些无限结果，40多年来，这些荒谬的结果总是物理学进步的最大阻碍。后来发现，无限问题似乎不是什么灾难，反倒成了一个最好的理由，让乐观地走向终极理论。如果恰当考虑质量、电荷以及其他一些常数，除了在某些特殊类型的理论外，所有的无限结果都会消除。这样，我们发现自己在跟着数学这条唯一能避免无限的道路，走向一个终极理论或那个理论的一角。实际上，当我们协调相对论（包括广义相对论，即爱因斯坦的引力论）与量子力学时，神秘的弦理论可能已经打开了那条避免无限的唯一的道路。如果真是那样，它将成为任何终极理论的一部分。
我并不是想说终极理论将从纯数学推导出来。是啊，我们为什么该相信相对论或量子力学是逻辑必然的呢？在我看来，我们最好的希望是，终极理论是一个刚强的理论，不能把它扭曲成哪怕稍微不同的什么理论，否则会产生像无穷大能量那样的逻辑荒唐的东西。
我们的乐观还有更深层的理由，那是一个奇特的事实：物理学的进步常常受着某种判断（大概只能叫美学判断）的指引。这真是很奇怪的。物理学家觉得一个理论比另一个理论更美，怎么能成为科学探索的指南呢？这可能有几点理由，但对基本粒子物理学，有一点是特别的：我们现在理论的美，也许“只是梦中的”美，那真美还在终极理论里等着我们。
在我们的20世纪，最为明确地追寻终极理论目标的人是爱因斯坦。就像他的传记作者派斯（Abraham Pais）说过的，“爱因斯坦是个典型的旧约人物，抱着耶和华那样的态度，有律在，必须发现它。”  爱因斯坦的最后30年的大部分生命都献给了所谓的统一场论，那个能统一麦克斯韦（James Clerk Maxwell）电磁论和爱因斯坦广义相对论（也就是他的引力论）的理论。爱因斯坦的奋斗没能成功，拿现在的观点，我们可以知道他的构想是错误的。他不但拒绝了量子力学，他的奋斗目标也太狭窄了。爱因斯坦年轻时只知道电磁力和引力，那恰好也是在日常生活里显现的力，但自然界还存在其他类型的力，包括弱力和强力。实际上，现在已经取得的向着统一的进步，是把电磁力的麦克斯韦理论与弱核力的理论统一起来，而不是与引力理论统一起来，引力理论的无穷大问题还很难清除。不过，爱因斯坦昨天的奋斗也是我们今天的奋斗，那就是寻找终极理论。
谈终极理论也许会惹恼一些哲学家和物理学家。它很可能被斥责为某个可怕的东西，如还原主义，或者甚至物理帝国主义。在一定程度上，这是对终极理论可能引发的形形色色荒唐论调的反映。例如，物理学终极理论的发现可能让人感觉是科学走到了尽头的标志。一个终极理论当然不可能终结科学研究，甚至不可能终结纯科学的研究，即使纯物理学的研究也不可能终结。不管什么样的终极理论出现了，仍然有好多奇妙的现象，如湍流，如思维，等着我们去解释。其实，物理学终极理论的发现并不一定能为我们进一步认识那些现象带来多大帮助（尽管会有某些帮助）。终极理论只能在一个意义上说终极——它把某一种科学探索引向终点：那是一种古老的探索，探索那些不可能有更深层原理来解释的原理。