20 世纪是物理学的世纪，物理学在20 世纪取得了突破性的进展, 改变了世界以及世界和人们对世界的认识。《20世纪物理学》是由英国物理学会、美国物理学会组织发起, 由各个领域的知名学者（有很多是相关领域的奠基者、诺贝尔奖获得者）执笔撰写，系统总结20 世纪物理学进展的宏篇巨著，其内容涵盖了物理学各个分支学科和相关的应用领域。全书共分3卷27章，最后一章为3位物理学大家对20世纪物理学的综合思考和对新世纪物理学的展望，本文即为其一。

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　　撰文Steven Weinberg （温伯格，1979年诺贝尔物理学奖得主）

　　翻译 曹则贤（中国科学院物理研究所研究员）

　　二十世纪末科学的状态与世纪初相当不同。不只是我们现在知道的更多了——在这个世纪里我们还理解了科学知识的模式。在1900年的时候，许多科学家认为物理、化学和生物学是各自运作在一套独立的规律之下的。科学的版图据信由一些分立的共同体组成，它们和平相处且又各自为政。少数一些科学家抱持着牛顿的所有科学大融合的梦想，但对达成这样的大融合所依据的条件缺乏明确的想法。今天我们知道化学现象之所以如此是因为电子、电磁学和那一百种左右的原子核的物理性质。当然，生物学以一种不同于物理和化学的方式牵扯到历史偶发事件，但是驱动生物进化的遗传机制如今在分子的术语基础上得到理解，而生机论，即关于独有的生物学规律的信条，无疑地已消亡了。这实在是一个还原论获胜的世纪。

　　同样的还原论倾向也见于物理学领域。问题不是我们如何从事物理学研究的实践，而是我们如何看待自然本身。有许多有趣的难题等待着被解决，这包括过去遗留下来的如湍流一类的问题和新近出现的高温超导之类的问题。这些问题必须用其自身特有的词汇加以阐述，而不是还原到基本粒子物理的层面。但是，到这些难题被解决时，其解的形式将是自已知的物理定律，比如流体力学或电磁学的方程，所作的现象推演；若我们欲问一问为什么这些方程取这样的形式，我们循着得到答案的中间步骤会抵达同样的源头：基本粒子的标准模型。基本粒子理论同引力理论和宇宙学一道构成了整个科学知识的最前沿。

　　标准模型是一种量子场论。出现在其方程里的自然之基本要素是场：我们熟知的电磁场和二十种左右的其它场。所谓的基本粒子，如光子、夸克和电子，是场的“量子”，即场的能量和动量束。这些场以及它们之间的相互作用之性质很大程度上是由对称性原理[1]，包括爱因斯坦的狭义相对论以及可重整化原理[2]所支配的；此原理规定场之间只能通过某些特别简单的方式发生相互作用。标准模型已经经受住了已有实验设施所能够加于其上的所有考验。

　　但标准模型显然不是故事的终结。我们不知道它为什么遵从某些而不是别的对称性，或者为什么它要包含六种夸克，而不是比这多一点或少一点。此外，标准模型中有18个之多的数值参数（像夸克质量比）必须手工调节以使得模型的预言同实验结果相符合。最终一点，引力依然不能被带入标准模型的量子场论框架中去，因为引力作用并不满足支配其它相互作用的可重整性。

　　当前我们有必要朝向一个关于自然的真正统一的观点迈出下一步，但不幸的是这下一步非常艰难。我们似乎是处于德谟克利特当年一样的境况——我们看到了一个统一理论的轮廓，但这个理论的结构只当我们在远小于实验室里能触及到的距离尺度上检视自然才会变得清晰起来。德谟克利特推测原子的存在，二千年后在比他本人小十个数量级（小一百亿倍，或者是10-10倍）的尺度上原子被发现。今天我们推测有一个能够将所有相互作用统一的理论，我们也看到这个理论的结构比我们实验上能够研究的距离尺度要小得多。

　　关于这个基本尺度我们有两条线索。其一是强核力（即把夸克约束在原子核里面的粒子里面的作用力）的强度随距离的减小非常缓慢地减弱，而电磁力和弱核力[3]却是更加缓慢地增加的，所有这些力的强度，按照目前的估计，在电子大小[4]的10-16 倍的距离尺度上变得相等。另一个线索是引力在电子大小的10-18 倍的距离尺度上变得和其它相互作用一样强。这两项估算很接近，让我们相信确实存在一个终极的统一理论，其结构在电子大小的10-18~ 10-16倍的距离尺度上才变得清晰起来。但仅从纯数值来看，我们离能看到这些结构的差距，直播，比起德谟克利特要看到原子的差距，要大得多。