第2章 美的神话

物理学的夙愿和拙劣的爱情小说一样，是为了统一。在可能的时候，把过去认为不同的两样事物结合起来，作为一个实体的不同方面——这是科学最大的惊奇和快乐。

对假想的统一，人们最正常的反应就是惊讶。太阳不过是一颗恒星——恒星都是太阳，只是离我们太远而已！想象一下，16世纪末的铁匠或演员听到布鲁诺（Giordano Bruno）的这种奇谈怪论会有什么反应。还有比把太阳和恒星混为一谈更荒唐的事情吗？人们早就听说，太阳是上帝为了温暖地球而创造的一团伟大的烈火，而恒星不过是天球上的小孔，好让天国的光线透过。统一立刻就颠覆了我们的世界。我们曾经相信的成了不可能的。假如恒星是太阳，宇宙就会比我们想象的大得多！天国不可能就在我们的头顶！

更重要的是，新的统一构想还会带来从前无法想象的假说。假如恒星是别的太阳，必然有行星环绕着它们，那儿一定生活着其他的人类！这些话的含义往往会超出科学。假如存在生活着其他人类的行星，耶稣也许会去所有的星球，那么他降临人间就不是独一无二的事件，否则那些星球的人就不可能得到拯救！难怪天主教会要烧死布鲁诺。

大统一成了整个新科学赖以建立的思想基础。有时，结果会极大地威胁我们的世界观，人们惊奇过后会立刻表示不信。在达尔文之前，每个物种都是永恒不变的，都是由上帝一个个创造出来的。但通过自然选择的进化，所有物种都有共同的祖先。它们统一在一个大家庭里。达尔文之前和之后的生物学简直不像是同一门学科。

如此强力的新观点很快引出新的发现。如果所有生命有共同的祖先，它们一定是以相似的方式创造的。的确，我们真是相同材料做的，因为所有生命都由细胞组成。植物、动物、真菌和细菌看似各不相同，其实只不过是不同方式排列的细胞群。构造这些细胞、为它们提供能量的化学过程，在整个生命王国都是相同的。

如果统一的思想对从前的思维方式是一种巨大的震撼，为什么还有人相信呢？从多方面看，这正是我们要讲的问题，因为我们的故事讲的就是几个统一的思想，其中有的赢得了科学家们的强烈信心，但它们没有一个在科学家中达成共识。于是，我们常发生激烈的争论，有时甚至是斗气，这就是剧烈改变世界观的结果。那么，当人们提出某个统一思想时，我们又凭什么说它是对还是错呢？

可以想象，并非所有的统一思想都是正确的。有个时期，化学家提出热是一种物质，和任何普通物质一样。那种东西被称作热素。这个概念统一了热与物质，然而它是错的。热与物质的真正统一在于热是原子的随机运动的能量。尽管古代印度和希腊的哲学家已经提出过原子论，但直到19世纪后期，热作为原子随机运动的理论才真正发展起来。

在物理学历史上，出现过许多统一理论，后来证明都错了。一个著名的思想是，光与声音在本质上是一样的：它们都被认为是物质的振动。因为声音是空气的振动，所以光也被设想为某种叫作以太的新物质形式的振动。正如我们的周围充满着空气，宇宙也充满着以太。爱因斯坦以他自己的统一方式推翻了这种奇异的思想。

理论家们过去30年研究的重要思想，如弦理论、超对称、高维时空、圈引力等，都是关于统一的建议。我们凭什么说哪个对哪个错呢？

我已经讲过成功的统一理论具有的两个特征。第一是惊奇，不能低估了这一点。如果没有惊奇，那思想要么无聊乏味，要么就是我们以前知道的。第二是戏剧性的结果：统一应该立刻引出新的发现和假说，从而成为进一步认识的动力。

不过还有更重要的第三个特征。一个好的统一理论应该提出前所未有的预言。它甚至可能提出只有在新理论的观点下才有意义的新型实验。最重要的还是，预言必须经过实验证明。

如果要判断眼下的统一研究的前景，我们就要寻求这样的三个准则——惊奇、新认识和实验证明的新预言。

物理学家深感统一的急迫，甚至有人说，向统一迈出的任何一步，都是向真理靠近的一步。但生活并不那么简单。任何时候都会有不止一条道路能统一我们所知道的事物——它们沿着不同的方向指引着我们的科学。16世纪，我们有两个截然不同的统一思路。一个是古老的亚里士多德和托勒密的理论，根据这个理论，行星与太阳、月亮统一为天球的不同部分。而另一个是哥白尼提出的新观点，将行星与地球统一到太阳的周围。两种思想都对科学产生了重大影响，但最多只能有一个是正确的。

从这儿我们可以看到选择错误统一的代价。假如地球在宇宙中心，那将极大地影响我们对运动的认识。在天空中，行星改变方向是因为它们在确定的圆形轨道上不停地旋转。地球上的事物不会发生这样的事情：我们推动或扔出的东西，最终都会静止下来。地球上的物体不在天体的圆周轨道上运行，当然处于那样的状态。因此，在托勒密和亚里士多德的宇宙中，静止与运动有着分明的界线。

在他们的世界里，天与地也有着极大的分别——地球上的事物与天空中的事物遵从不同的法则。托勒密提出天空的特定天体，如太阳、月亮和五个已知的行星，在圆形轨道上运动，而那些轨道本身也沿着圆周运动。这些所谓的本轮能预言日食、月食和行星的运动——预言的精度达到千分之一，证明了太阳、月亮和行星的统一是多么富有成效。亚里士多德为地球在宇宙中心提出了一个自然的解释：它由地球的材料组成，而那些材料的自然状态不是圆周运动，而是寻找中心。

在这种观点的教育下成长起来的人，熟悉它对我们周围的事物有多么强大的解释能力。当他们看到哥白尼将行星当作地球而不是太阳一样的物体，一定会深感不安。如果说地球是颗行星，那么它和它上面的所有东西都处于不停地运动。那怎么可能呢？这违背了亚里士多德的定律：任何不在天体圆形轨道的事物都必然趋于静止。它也违背了我们的经验：假如地球在运动，我们怎么没有感觉呢？

这个困惑的答案在于科学中的一个最伟大的统一：运动与静止的统一。这是伽利略提出的，后来成为牛顿的第一运动定律，也叫惯性原理：处于静止或匀速运动的物体，在不受外力干扰时，将保持静止或匀速运动的状态。

牛顿所谓匀速运动的意思是，在某个方向以一定速度运动。静止不过是匀速运动的一个特例——它恰好以零速度运动。

运动与静止怎么可能没有区别呢？关键的一点是认识到，物体是否运动，没有绝对的意义。只有相对于某个观察者才能确定运动，而观察者可以动，也可以不动。如果你以不变的速度从我面前经过，那么，在我看来静止在桌上的一杯咖啡，对你来说就是运动的。

可是，难道观察者也不能说明他是否在运动吗？对亚里士多德来说，答案显然是肯定的。伽利略和牛顿只能回答不。如果说地球在运动而我们没有感觉，那一定是因为以不变速度运动的观察者不会察觉其运动的任何效应。因此，我们不能说自己是否在运动，运动必须定义为一个纯粹相对的物理量。

需要说明的是，我们在谈匀速运动——在直线上的运动。（虽然地球当然不是沿直线运动，但偏离很小，不能直接觉察。）当我们改变速度的大小或方向，我们就有感觉。这样的改变就是我们所谓的加速度，加速度可以有绝对的意义。

伽利略和牛顿赢得了一场漂亮而微妙的理性的胜利。对其他人来说，运动与静止显然是截然不同的两个现象，很容易区分开来。但惯性原理将两者统一起来了。为了解释它们为什么看起来那么不同，伽利略提出了相对性原理。这个原理告诉我们，运动与静止的区别只有相对于观察者才有意义。因为不同观察者以不同方式运动，他们对物体运动或静止的判断也不同。于是，不同观察者的区别依然存在，这是当然的。因此，物体是否运动不再是一个需要解释的现象。在亚里士多德看来，任何物体如果在运动，一定有力作用在它上面。在牛顿看来，如果运动是匀速的，则它将持续下去，而不需要力的作用。

这是后来理论反复引用的有力论证。为了统一看似不同的事物，一种办法就是证明那种表面的差别源于观察者的不同观点。以前认为绝对的差别现在就成为相对的。这种统一方式很少见，代表着最高形式的科学创造力。它的实现将极大地改变我们的世界观。

说两个看似截然不同的事物是相同的，通常需要大量的解释。只有某些情形，我们才能侥幸地将表面的差异解释为不同观点的结果。更多的情形，我们想统一的两件事本来就是不同的。这时候，为了解释看似不同的事物在某种意义上是相同的，理论家们可能陷入很大的困境。

我们来看看认为恒星就是太阳的布鲁诺的结果。恒星看起来比太阳暗淡得多，如果它们和太阳一样，就一定距离我们很远。布鲁诺需要的距离远远超过了那时人们相信的宇宙的大小，因此他的思想一开始就显得荒谬。

当然，这是提出新预言的机会：假如你能测量到恒星的距离，你就能发现它们比行星远得多。如果布鲁诺时代能做这样的测量，他大概能避免火刑的厄运。但要几百年后，人们才能测量到恒星的距离。从实践的角度说，布鲁诺所做的，在当时技术条件下，是无法验证的断言。布鲁诺随意地将恒星推到那么远的距离，当然没人能检验他的思想。

因此，为了解释如何统一不同的事物，有时我们会被迫面临新的完全不可能检验的假设。正如我们看到的，这并不意味着我们错了，但它也真实地说明了新统一的创立者们很容易陷入危险的境地。

事情也可能更糟。这些假设常常令它们自己更加混乱。实际上，哥白尼需要假定恒星很远。如果恒星像亚里士多德想的那么近，你可能会否定地球的运动——因为地球运动时，恒星的相对视位置会发生改变。为了解释为什么没有看到这样的效应，哥白尼和他的追随者们只能相信恒星非常遥远。（当然，我们现在知道恒星也在运动，不过因为距离太远，它们在天空的位置只有极其缓慢的变化。）

但假如恒星真有那么远，我们怎么能看到它们呢？它们一定很亮，也许像太阳那么亮。于是，布鲁诺提出的充满着无限多恒星的宇宙自然满足哥白尼的地球和行星一样运动的思想。

我们从这儿看到不同的统一思想常常会殊途同归。恒星与太阳统一，行星与地球统一，是和谐相容的两个思想，它们都要求运动与静止是统一的。

这些在16世纪的新奇思想与众多的其他思想相矛盾。托勒密关于行星与太阳、月亮一样都在本轮上运动的思想，迎合了亚里士多德的运动理论，统一了地球上的所有已知现象。

于是我们最终得到两组思想，每一组都由几个统一纲领构成。因此，危险的是整套的思想，其中不同的事物统一在不同的层次。在争论未决之前，相信任何一边都是合理的，都可能得到观测的支持。有时，甚至同一个实验可以解释为几个相互竞争的统一理论的证据。

怎么会这样呢？我们考虑一个从塔顶落下的球。结果呢？球落向地面，砸在塔基上，而没有向西方偏离。好了，你可以说，哥白尼和他的追随者们显然错了，因为这证明地球没有绕着自己的轴旋转。如果地球在转动，球应该落在远离塔基的地方。

但伽利略和牛顿可以宣称下落的球证明了他们的理论。惯性原理告诉我们，如果球在放下时随地球向东运动，那么它在下落过程中将继续那样运动。但球与塔是以相同速度向东运动的，所以它落在塔基上。同样一个证据，亚里士多德哲学家可以用它来证明伽利略错了，而伽利略却拿来证明自己的理论是正确的。

那么，我们究竟如何确定哪个统一正确，哪个统一错误呢？有时候，某一点的证据会占尽优势，一个假设会远比其他假设更有成效，因而凡是理性的人都别无选择，只能赞同那个假设被证明了。就牛顿革命而言，最终出现了真正的地球运动的证据，不过在那证据之前，牛顿定律已经在诸多方面得到了证明，因而不可能逆转。

然而，在科学革命的进程中，相互竞争的假设经常都能找到合理的证据。我们现在就处于这样的时期，在以下的章节里我们就会考察那些对立的统一思想。我将尽量解释支持不同方面的证据，同时也要说明为什么科学家还没有达成共识。

当然，我们要多加小心，并非所有支持某个观点的证据都有坚实的基础。有时人们说支持某个困境中的理论，只不过是为自己找理由。最近我从伦敦到多伦多的飞机上碰到一伙人站在走廊里。他们向我打招呼，问我从哪儿来。我告诉他们我刚参加了一个宇宙学会议，他们马上问我如何看进化论。“噢，不。”我想了想，接着告诉他们自然选择已经证明是正确的，毫无疑问。他们自我介绍说是圣经学会的会员，刚从非洲回来。看来，他们去非洲的目的之一是为了检验特创论的某些原理。他们想拉我一起讨论，我警告说他们会输的，因为我有很好的证据。“不会的，”他们坚持说，“你并不了解事实的全部。”于是我们展开了论战。我说：“你们当然接受这样一个事实：我们有很多已经灭绝了的生物的化石。”他们回答：“不！”

“你们说不，是什么意思？那恐龙呢？”

“恐龙还活着，在地球上游荡呢！”

“真荒唐！在哪儿呢？”

“非洲。”

“非洲？非洲到处是人。恐龙那么大，怎么没人看见过呢？”

“它们生活在密密的丛林里。”

“那一定有人见过它的。你是不是要说你认识某个见过它的人？”

“俾格米人（pygmy）告诉我们，他们偶尔看见过恐龙。我们找了，没找到，但我们在树干上18～20英尺（1英尺≈2.54厘米）的高度看到了它们留下的痕迹。”

“所以你们认为那是大动物留下的。可化石证据表明它们是成群生活在一起的。为什么只有那些俾格米人见过呢？”

“原因很简单。它们大多数时间都在洞穴里冬眠。”

“在丛林里？丛林里有洞穴吗？”

“有啊，当然了，为什么没有呢？”

“能让大恐龙进入的洞穴？如果洞穴那么大，应该很容易找到的，那你们就可以往里面看，看见它们在睡觉。”

“为了保护自己，那些恐龙在冬眠时会用泥土把洞口都封起来，这样就没人知道它们在那儿了。”

“它们怎么能把洞穴封得那么严实而不让人看见？它们是用爪子还是鼻子来运泥土呢？”

这时，特创论者们承认他们不知道，但他们告诉我，他们学派的“圣经生物学家”正在丛林里找恐龙呢。

“如果他们找到了活恐龙，一定要告诉我。”我说，然后走回自己的座位。

我没有虚构故事，讲这个故事也不是为了让大家好玩儿。它说明理性并不总是简单的练习。有的理论预言了我们永远没见过的东西，不相信那样的理论，通常是很有道理的。但有时看不见的东西也有很好的理由。毕竟，如果真有恐龙，那它们一定藏在某个地方。为什么不能在非洲丛林的洞穴里呢？

这也许显得愚昧，但粒子物理学家们不止一次地感到，为了让某个理论或数学的结果有意义，他们必须构造看不见的粒子，例如中微子。为了解释为什么中微子难以探测，他们只好让中微子的作用很微弱。在这个例子中，这种策略是正确的，因为多年以后，人们设计了寻找中微子的实验。它们的作用的确很微弱。

所以，有时候，一个好理论即使预言了没见过的东西，也有理由把它留下来。有时候，我们被迫做出的假设后来证明是正确的。提出这样特殊的假设，不仅使思想合理，有时也能预言新的现象。但有时候，我们也可能犯轻信的毛病。从这点说，穴居恐龙也许有道理。当我们面临一个过去的好思想可能会变得毫无价值时，首要的问题是判断。在训练有素的聪明人之间，肯定有众说纷纭的情形。但最终会有证据说话的时候，那时任何有理性的公正的人都不会再认为那个思想有什么道理。

要判断我们是否到了那样的转折点，方法之一是考虑其唯一性。在科学革命中，任何时候都有几个不同的统一思想，可能把科学引上矛盾的方向。这是正常的，而且在革命进程中也没有什么合理的根据来选择具体的哪一个。在这种时候，即使有很聪明的人匆匆做了选择，常常也可能是错的。

不过最终会有某个思想比其他思想能解释更多的东西，而它通常是最简单的。在这种情形下，一个思想在产生新思想、满足实验、解释能力和简单性等方面远远超越了其他思想，它就具备了唯一性。我们就说它有真理的特征。

怎么会这样呢？我们考虑德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）一个人提出的三种统一思想。开普勒一生对行星着魔，因为他相信地球是行星，他知道从水星到土星的六颗行星。它们的运动已经被观测了几千年，有大量数据。最精确的数据来自丹麦天文学家第谷（Tycho Brahe）。开普勒为了得到那些数据，最终来到第谷手下工作（第谷死后，他把数据偷走了，不过那是另一个故事了）。

每个行星轨道有一个半径，每颗行星有一个轨道速度。另外，行星速度不是均匀的，在环绕太阳的过程中时快时慢。这些数据看起来杂乱无章。开普勒花了一生的精力来寻求一个能统一行星运动的原理，从而用那个原理来解释行星轨道的数据。

起初，开普勒根据古老的传统来统一行星，认为宇宙理论只能用最简单的几何图形。古希腊人之所以相信行星在圆周上运动的图景，是因为圆是最简单的闭合曲线，因而在他们看来也是最美的。开普勒想寻求同样美妙的几何图形来解释行星轨道的大小。他发现了一个非常精美的思想，如图2—1。

假定我们先知道了地球轨道，那么接下来需要解释五个数，即其他5颗行星的半径与地球半径之比。如果能找到一个解释，必然存在某个美妙的几何结构正好能给出那五个数，不多也不少。那么，是否有那么一个几何问题刚好有5个答案呢？

是的。立方体是一种完美固体，它的每个面都一样，每个边也一样长。这样的固体叫柏拉图固体。有多少种呢？正好5种：除了立方体，还有正四面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。

开普勒没费多少时间就做出了一个有趣的发现。将地球轨道嵌入球内，球外接一个正十二面体。在它们外面嵌一个球，火星轨道就在那个球面上。外接一个正四面体，四面体外接另一个球，则木星轨道就在那个球面上。木星轨道外接立方体，土星就在它外面。在地球轨道内，开普勒内接正二十面体，金星就环绕着它，金星轨道内接正八面体，就是水星。

这个统一理论解释了行星的轨道半径，以前还没有理论这样做过。这是一个洋溢着数学美的理论。可为什么没人相信呢？虽然理论很动人，却没有引出什么东西。以它为基础没有预言任何新的现象，甚至它也不能使人们认识行星的轨道速度。这个思想太静态了，尽管统一，却没有将科学引向任何有趣的地方。

开普勒为此思考了很长时间。轨道直径解释了，他只需要解释不同行星的速度。最后他提出，行星在运行中“歌唱”，音调的频率正比于速度。不同行星在轨道运行，以六种声音唱出一曲和谐的歌，开普勒称那是天球的和谐。

这个思想也有古老的根源，令人想起毕达哥拉斯的发现：音乐的和谐源于简单的数字比例。不过它的问题也很明显。它不是唯一的：六种声音可以有多种和谐的方式。更严峻的是，后来发现行星不止6颗。而且，与开普勒同时代的伽利略发现了木星的4颗卫星。所以，天上还有另一个轨道系统。如果开普勒的理论是正确的，它们也该适用于新发现的系统。可是它们不能。

除了这两个宇宙的数学结构，开普勒还做出了为科学带来实在进步的三个发现，那就是他多年分析偷来的第谷数据之后提出的著名的三大定律。这些发现一点儿也不如前两个思想那么优美，但它们很成功。而且，其中之一没有别的办法可以实现，那就是速度与轨道直径的关系。开普勒的三个定律不但满足所有六颗行星，也满足木星的卫星。

开普勒发现那些定律，是因为他将哥白尼的统一引向了逻辑的结果。哥白尼说过太阳处于（或邻近）宇宙的中心，但在他的理论中，行星的运动与是否有太阳无关。太阳的唯一作用就是照亮天空。哥白尼理论的成功启发开普勒提出这样的问题：太阳在行星轨道的中心附近，是否真的只是偶然？他想知道太阳是否可能在驱动行星轨道中起着某种作用。太阳会不会以某种方式将力作用在行星上，而那种力正是行星运动的原因？

为了回答这些问题，开普勒必须为太阳在每个行星轨道的精确位置寻求一种作用。他的第一个突破是发现了轨道不是圆，而是椭圆。太阳也有了准确的位置：它恰好处于每个轨道椭圆的焦点。这是他的第一定律。不久之后，他发现了第二定律，即行星在轨道的速度随着接近或远离太阳而增大或减小。后来他又发现了第三定律，决定了行星的速度之间有什么关系。

这些定律指向太阳系背后的某个深层的事实，因为它们适用于所有行星。结果是我们第一次有了一个能做出预言的理论。假定发现了一颗新行星，我们能预言它的轨道吗？在开普勒之前，没人能做到。但有了开普勒定律，我们只需要观测它的位置的两点就能预言它的轨道。

这些发现为牛顿铺平了道路。正是牛顿的洞察力发现了太阳作用于行星的力与地球作用于我们的引力是同一种力，从而统一了天上与地上的物理学。

当然，对当时的大多数科学家来说，太阳向行星发出力的思想是很荒唐的。他们相信空间是虚空的，没有能传递那种力的介质。而且，它也没有可见的表现——没有从太阳伸向行星的臂膀——而看不见的东西不可能是真的。

想做统一的人可以从这儿得到几点很好的教训。一是数学美可能误导。数据的简单观察通常更为重要。另一点教训是，正确的统一理论能对当时确凿无疑的现象发生作用，例如开普勒定律对卫星的应用。正确的统一也可能引发当时看来荒唐的问题，但能导致进一步的统一，就像开普勒假定从太阳作用于行星的力。

最重要的是，我们看到真正的革命通常需要几个不同的统一思想走到一起来相互支持。在牛顿革命中，有几个成功的统一：地球与行星的统一，太阳与恒星的统一，静止与运动的统一，地球引力与太阳对行星的作用的统一。单个地看，这些思想没有一个能流传下来；结合在一起，它们就所向无敌了。那结果就是一场彻底转变我们自然知识的大革命。

在物理学史上，有一个统一出类拔萃，成为物理学家在过去30年里追求的典范。那就是麦克斯韦在19世纪60年代实现的电与磁的统一。麦克斯韦运用了强有力的场的概念——英国物理学家法拉第在19世纪40年代为解释力在虚空传播而提出的。概念的关键在于，场是一个物理量，像数一样，存在于空间的每一点。在空间运动时，场的数值连续改变。场在一点的值也随时间而变化。这个理论确立了场在时空中变化的规律。这些定律告诉我们，场在某点的值受它在附近其他点的值的影响。因此，场可以将力从一个物体带到另一个物体。我们再不需要相信什么可怕的超距作用了。

法拉第研究的一种场就是电场。它不是单纯的数，而是一个矢量，可以想象为一个箭头，它能改变方向，也能改变大小。想象空间每一点的这种箭头与相邻点的箭头的尖由橡皮筋连接。如果我们拉动一个箭头，它就会拉动相邻的箭头。箭头也受电荷影响。箭头在电荷影响下自我调整，由正电荷指向负电荷（图2—2）。

法拉第也研究过磁。他发明了另一种场（即另一种箭头的集合），他称之为磁场。这些箭头总是指向磁体的两极。

法拉第写出了几个简单法则，描述了电磁场如何受邻近电荷和磁极以及邻近场的矢量的影响。他和别人检验了这些法则，发现它们的预言和实验是一致的。

那时还发现了电磁混合的现象。例如，在圆周运动的电荷会产生磁场。麦克斯韦意识到这些发现意味着电与磁的统一。为了实现统一，他需要改变方程。为了改变方程，他只需要增加一项，于是他的统一就成为有实际作用的统一。

新方程允许电磁场相互转化。在这种转化中，电场与磁场交互产生，从而形成一种在空间移动的波。前后舞动一个电荷，也能产生那样的波动模式。生成的波可以将能量从一个地方带到另一个地方。

最令人惊奇的是，麦克斯韦还能根据他的理论计算波的速度。他发现那速度和光速是一样的。接着他一定大吃一惊：在空间穿行的电磁波就是光。麦克斯韦没打算建立一个光的理论，而是想统一电与磁。但在统一的过程中，他实现了更重要的事情。这个例子说明，一个好的统一对理论和实验都会产生意外的结果。

新预言接踵而来。麦克斯韦意识到，应存在所有频率的电磁波，而不仅限于可见光，于是就发现了无线电波、紫外线、红外线等。这儿还留下另一个历史教训：当新的正确的统一出现时，其意义会很快显露出来。许多这样的现象，都是在麦克斯韦理论发表后的几年内发现的。

这就提出一个问题，在我们讨论其他统一时可能变得很重要。所有统一都会有结果，因为统一的事物能相互转化，能导致一系列新现象的出现。如果运气好，很快就能观察到那些新现象——统一理论的创立者们当然有权利为自己欢呼。但我们将看到，在其他情形，预言的现象已经与观测结果有了矛盾。在这种不幸的情况下，理论家要么被迫放弃理论，要么人为地将它限制起来，隐藏那些统一的结果。

可是，麦克斯韦的电磁统一理论虽然成功了，却面临着一个难以逾越的障碍。19世纪中叶，多数物理学家相信物理学已经统一了，因为所有事物都是由物质组成的（为了满足牛顿定律，它们也必须是由物质组成的）。对这些“机械论者”来说，在空间波动的场的概念很难理解。在麦克斯韦理论中，电磁场外没有能让他们感觉实在的弯曲和伸展的东西，因而是没有意义的。当我们通过光看见花朵时，一定有什么物质的东西在颤动。

法拉第和麦克斯韦都是机械论者，他们也费了很多时间和精力来回答这个问题。除了他们，许多著名研究机构的年轻人为了美好前程，也在为电磁场精心构造他们作为麦克斯韦方程基础的微观齿轮、滑轮和传送带。结果产生了一些错综复杂的方程，谁能解那些方程，谁就能获奖。

这个问题有一点显著的表现，那就是，光从太阳和恒星来到我们地球，而外太空是空无一物的。假如空间有任何物质，它将阻碍行星的运动，那么行星早就落进太阳里了。可是，电场和磁场又怎么能在虚空里呢？

于是，机械论者发明了一种新的物质形式——以太，并将它充满空间。以太有着矛盾的性质：它必须极端致密而坚硬，因为光要像声波一样通过它；而光速与声速的巨大差别就是以太的超大密度的结果。同时，以太对穿过它的普通物质没有任何阻碍作用。这一点比看起来更难满足。我们只能说，以太与普通物质不发生相互作用——就是说，它们彼此没有力的作用。可是，如果光（或电磁场）只不过是以太的应力，普通物质为什么能探测到它们呢？难怪，谁能明白这些问题，谁就能做教授。

还会有比以太更优美的统一吗？它不仅统一了光、电和磁，还统一了物质。

然而，正当以太理论发展时，物理学家的物质概念也在发生改变。19世纪初，多数物理学家都认为物质是连续的，可是世纪之末，人们发现了电子，至少部分物理学家开始重视物质由电子组成的观点。但那就引出另一个问题：在以太的世界里，原子和电子是什么呢？

画出场的力线，像磁场的力线那样，从磁北极指向磁南极。场线的终点在磁极，其他地方不会中断。这是麦克斯韦的一个定律。但场线可以形成闭合线圈，线圈可以自己形成结。所以，原子也许是磁力线的结。

可是，正如水手都知道的，打结有不同的方式。那样也许正好，因为有不同的原子。于是，剑桥的一个著名教授提出，不同原子对应于不同的结。

这看起来很荒唐，但想想那个年代，19世纪90年代和20世纪初，我们对原子懂得很少。我们那时还不知道原子核，没听说过质子和中子。所以，这样的思想算不得疯狂。

那时候，我们对线圈的结也知道得很少。没人知道打一个结有多少种方式，又如何区分它们。于是，在这种思想启发下，数学家开始研究如何区分各种可能的结。这慢慢演进为一个叫纽结理论的数学领域。很快证明，打一个结有无穷多种方式，但过了很久人们才发现如何区分它们。20世纪80年代有了一些进展，但仍然不知道以什么过程来判断两个复杂的结是相同还是不同。

我们看到，一个好的统一思想，即使证明是错的，也能激发新的追寻的路线。然而，我们应该记住，仅仅因为统一理论结出了数学成果，并不能说明那个物理理论是正确的。相反，结理论的成功仍然要求我们相信原子是磁场里的结。（不过，正如我们将在第15章看到的，也许这并不完全是错的。）

还有一个问题：麦克斯韦理论似乎与牛顿物理学的相对性原理相矛盾。结果证明，研究电磁场的观察者可以通过各种实验（包括测量光速）来判断他是否在运动。

还有一个矛盾存在于两个统一之间，而那两个统一都是牛顿物理学的核心：服从牛顿定律的物质的统一与运动和静止的统一。对大多数物理学家来说，答案是显然的：物质宇宙的观念当然更重要，而运动难以确定，也许只是微不足道的事情。但也有少数人认为相对性原理才是更重要的问题。那些人中间，有个年轻的学生，在苏黎世读书，他的名字叫爱因斯坦。他为这个问题沉思了10年，从16岁开始，最后在1905年他意识到问题的解决需要彻底改变我们对空间和时间的认识。

爱因斯坦解决问题的方法，就是牛顿和伽利略在建立运动的相对性原理时用过的技巧。他认识到电效应与磁效应的区别依赖于观察者的运动。所以，麦克斯韦的统一比他本人原来想象的更加深刻。电场与磁场不仅是同一个现象的不同方面，不同的观察者也能做出不同的判断。就是说，一个观察者可以用电来解释某个特殊现象，而另一个相对于他运动的观察者可以用磁来解释那个现象。但两个观察者对发生的事件有一致的看法。就这样，爱因斯坦的狭义相对论诞生了，它结合了伽利略的静止和运动的统一与麦克斯韦的电和磁的统一。

理论产生了很多结果。一个结果是光必然具有普适的速度，与观察者的运动无关。另一个结果是，空间与时间必然是统一的。从前，二者截然不同：时间是普适的，对两个同时发生的事件，每个人都会做出相同的判断。爱因斯坦证明，两个事件是否同时发生，相对运动的两个观察者有着不同的看法。时空的统一隐含在他1905年的题为“论运动物体的电动力学”的论文里，他的老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）在1907年将它明确表达了出来。

于是，我们又看到了两个在竞争的统一。机械论者有一个优美的统一物理学的思想：万物都是物质的。爱因斯坦则相信另一种统一，即运动与静止的统一。为了支持那个观点，他不得不发展一个更深层的统一——空间与时间的统一。不论哪种情形，过去认为绝对不同的东西只有相对于观察者的运动才会不同。

最后，两个统一的矛盾由实验解决了。如果你相信机械论者，你会相信观察者能够测量他穿过以太的速度。如果你相信爱因斯坦，你就知道他做不到，因为所有观察者都是平等的。

在爱因斯坦提出狭义相对论的1905年之前，人们几度尝试探测地球在以太中的运动，都失败了。以太理论的支持者们调整了他们的预言，结果只是使探测地球的运动变得越来越艰难。这是很容易发生的，因为他们计算时用的是麦克斯韦理论，而正确解读那些方程，是跟爱因斯坦的预言一致的，即不可能探测出那样的运动。就是说，机械论者有了正确的方程，但是解读错了。

至于爱因斯坦本人，我们还不清楚他对先前的实验了解多少，但它们不会有多大作用，因为他已经相信地球运动是不可能探测的。爱因斯坦还只是刚开了头。正如我们将在下一章看到的，空间和时间的统一将走得更远、更深。当多数物理学家都跟上来接受狭义相对论时，爱因斯坦已经远远走到前头了。