弗里奇讓四位偉大的科學家復生，并展開了關(guān)于量子理論的起源和發(fā)展的熱烈對話。他們討論的話題包括：普朗克（Planck）不情愿地引進的量子（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（quantum mechanics），以及量子力學和愛因斯坦（Einstein）的狹義相對論（special theory of relativity）相結(jié)合的豐碩成果———相對論性量子場論（relativistic quantum field theory）。他們的對話揭示出這些早期的科學成就如何將我們引向如今已取得巨大成功的“標準模型”（standard model），后者幾乎為所有已知的基本粒子現(xiàn)象提供了一個顯然正確的、完備的而且前后一致的描述。

　　我將簡要回顧量子物理學的某些方面，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，另外一種是強相互作用力。在愛因斯坦整個人生的后幾十年，他對核力的態(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，我們所獲悉的關(guān)于核力的知識對其他大部分的科學學科幾乎不會產(chǎn)生直接的影響。原因在于對那些學科而言，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元素的原子。實際上，該方程提供了一個基本的理論框架，支撐著諸如化學、生物學和地質(zhì)學等許多自然科學分支。當然，懂得了基本規(guī)則并不會使這些學科的挑戰(zhàn)性降低，就像懂得了國際象棋的規(guī)則并不會使人人都成為國際象棋大師一 樣……但這終究是一個好的開端。

　　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動現(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)成人體的化學元素是怎樣產(chǎn)生的。如果沒有對原子核的深入了解，我們就不會面對核能所帶來的希望和危險。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———它們通過很強的短程核力結(jié)合在一起。對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）。越來越強大的粒子加速器的設(shè)計、開發(fā)和投入運行，導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。所有強相互作用的粒子［叫做強子（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)子是由兩個上夸克（up quark）和一個下夸克（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，我們不可能觀測到單個夸克或膠子。）把夸克結(jié)合在一起的力，即色相互作用力或量子色動力學（QCD），是一種與數(shù)學上的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力其實只是把原子結(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)通過了種種實驗檢驗。實際上，它的建立和發(fā)展產(chǎn)生了包括我本人在內(nèi)的八位諾貝爾獎獲得者。

　　電弱理論連同量子色動力學是如今取得巨大成功的標準模型的兩個組成部分。標準模型基于作用在三個基本費米子家族上的 規(guī)范群SU（3）*SU（2）*U（1），而每個費米子家族是由一對夸克和一對輕子（lepton）組成的。盡管標準模型取得了很多實驗上的成功，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，以此為這篇簡短的序言畫上句號：

　　問題（一）：怎樣處理被標準模型忽略掉的引力？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。這項任務(wù)也許已經(jīng)在超弦理論（superstring theory）的框架內(nèi)實現(xiàn)了，但是到目前為止這個雄心勃勃的理論既沒有被實驗證實，也沒有被證偽。

　　問題（二）：是什么導致了弱電對稱性的破缺，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？希格斯機制（Higgs mechanism）提供了一個簡單的解釋，但是它也導致了一個深刻的理論問題。許多有獨創(chuàng)性的解決方案被提了出來，例如超對稱和彩（technicolor）模型，但沒有一個答案是令人信服的。正在大型強子對撞機（LHC）上開展的實驗將會引導我們朝著正確的答案前進，或許我們沿著這條途徑會發(fā)現(xiàn)那個令人難以捉摸的希格斯玻色子。

　　問題（三）：宇宙學家和天文學家已經(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)，如標準模型所描述的那樣。因此人們提出了兩個意義深遠的問題：什么是暗能量？什么是暗物質(zhì)？前一個問題似乎很難處理，而暗物質(zhì)的問題則可以通過幾種有希望的途徑來研究：通過大型強子對撞機產(chǎn)生并探測暗物質(zhì)；或者當它經(jīng)過地下深處的探測器時觀測它的相互作用；或者在空中觀測它的間接效應(yīng)。

　　問題（四）：標準模型比它初看起來的樣子要更為錯綜復雜。它含有許多可調(diào)節(jié)的參量，其數(shù)值必須通過實驗來確定。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個獨立參量（其中大部分參量已經(jīng)得到了測量）。對于這些參量而言，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。

　　或許在遙遠的未來，這本書的新版可能會讓那些設(shè)法解決這些難題中的任何一個或者全部難題的人復生，他們會在我們中間或者會是我們的繼承人。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

　　美國馬薩諸塞州