20世纪70年代，作为一名麻省理工学院(MIT)的研究生和博士后，迈克尔 · 赖尔登(Michael Riordan，上图)曾参与了发现夸克的一系列实验；而领导麻省理工学院-斯坦福线性加速器中心(MIT-SLAC)非弹性电子散射实验的三位科学家，杰罗姆 · 弗里德曼(Jerome Fried-man)、亨利 · 肯德尔(Henry Kendal)和理查德 · 泰勒(Richard Taylor)因首次证明夸克的存在而分享了1990年度的诺贝尔物理学奖。
在20世纪60年代末这些实验刚起步之时，夸克假设在粒子理论的长长列表中根本不起眼，甚至与乔治 · 茨韦格(George Zweig)一起提出这一思想的默里 · 盖尔曼(Murray Gell-Mann)也不相信这种带有分数电荷的实体会真的存在。对于盖尔曼而言，夸克只是一个“数学上的”概念，使用这些概念可以把还处在萌芽状态的重子和介子“动物园”方便地组织起来。正如他在1964年所写的那样，“在能量最高的加速器上寻找电荷为-1/3或者+2/3的稳定夸克将有助于打消人们对不存在真实夸克的疑虑”
实验学家们并没有因此而退缩，他们要继续寻找这些奇异的东西。一些人在加速器中寻找，因为夸克在起泡室中会留下微弱的痕迹；而另一些人则把目光投向了宇宙射线和密立根式的实验中，他们希望能够发现分数电荷。到上个世纪60年代末为止，人们在实验中一无所获，看起来盖尔曼的观点是正确的，夸克并不存在。倘若它们真是基本的东西，那也一定是数学意义上的。它们不会是“真实”而又活跃的基本粒子。
夸克真的存在吗？
于是，在早期的MIT-SLAC实验中我们不再继续寻找夸克了，而是改去斯坦福测量质子和中子的电磁结构函数。对此，詹姆斯 · 毕约肯(James Bjorken)和西德尼 · 德瑞尔(Sidney Drell)指出，这或许可以揭示原子核内部物质的分布。但让我们感到非常吃惊的是，在第一次实验中一部分射入质子中的电子又跳了出来。
这种深度非弹性散射的发生比预料的要频繁得多。毕约肯和理查德 · 费因曼(Richard Feynman)设想，电子或许是被质子中的微小凹陷弹了回来，费因曼称这些微小凹陷为“部分子”。
但这只是提示而已，并不是结果。没有人去预定飞往斯德哥尔摩的飞机票，甚至连一篇新闻报道也没有人起草。相反，在接下来的5年中，我们又重新回到SLAC进行更加详细的测量。为了把部分子假设与其他解释相比较，在实验中发现，不论对于质子还是中子、电子，都可以在一个很大的角度范围内回弹。
到了1973年，第二代实验的结果揭晓后，夸克又开始流行起来。虽然有些人还歇斯底里地企图挽救一度很时髦的“软散射”理论，但最终还是被大多数人扔在了一边。然而费因曼的部分子理论却仍然保持着极佳的状态，实际上，部分子的行为看似与带有分数电荷的费米子是一样的。欧洲核子中心(CERN)的中微子散射实验以及在它新建的交叉存储环中进行的质子-质子对撞实验，都给出了支持部分子的证据。
然而主要问题仍然没有解决。无论多么猛烈地轰击强子，强子中假设存在的夸克看来都不会出现。这一看似自相矛盾的观点，最终被描述夸克间相互作用的理论——量子色动力学解决了。量子色动力学规定两个夸克之间的作用力随着距离的增加而增大。因此，你将永远不会在重子和介子之外探测到单个夸克。但人们接受这一观念花了很长时间。
在那前不久，布鲁克海文国家实验室的一个MIT实验和SPEAR电子-正电子对撞机上的SLAC-LBL实验给出了一个令人吃惊的结果，这些结果迫使我们相信夸克确实是存在的。
1974年，人们在这些实验中发现了粒子，J/亚粒子只能通过假设存在第四种夸克——璨夸克来解释。这一惊人的发现最终使物理学家们清醒地认识到夸克是真实存在的。到了1976年，伯顿 · 里克特(Burton Richter)和丁肇中(Samuel Ting)因为这一发现而分享了诺贝尔奖金的时候，人们才最终承认了夸克的存在。
依赖于实验
夸克发现的简史表明，实验在现代物理的发展过程中起到了至关重要的作用。是实验而不是理论把夸克的存在从被遗忘的边缘给拽了回来。
在理论的帮助和支持下，实验使夸克成真，让它从一个任性的假设变成了具体的客观存在。是实验使夸克变成了科学事实。
对于夸克，这一特征实际上已经得到了证实。夸克现已成为粒子物理学的主导理论——标准模型的基石。现在，人们几乎在不加思考地和夸克打交道，并且想当然地认为它们一定会在高能实验中出现。在费米实验室，物理学家在一起猛烈轰击夸克和反夸克所组成的“袋子”，以期捕获希格斯粒子和其他奇异粒子。夸克已经真的成为一个实体了。
然而，这种对真实性的严格判据究竟在多大程度上对近年来出现在许多理论家脑海里的奇怪构想保持成立呢？日常经验和诸如超弦、平行宇宙和蛀洞这样的实体以及大爆炸之前出现的现象之间又在多大程度上是协调的呢？这些确实都是难以想象的。
这些奇思异想中，有一些在数学上可能是非常优美的，而且也具有强大的解释能力，然而许多被抛弃的1960年代的物理思想何尝不具有这样的性质呢！超弦实际上就派生于这些早期思想的其中之一——对偶共振模型。1980年代，约翰 · 施瓦茨(John Schwarz)重新起用这一理论，并且把它应用在了普朗克尺度_上。可是我们在相对较低的希格斯尺度上就已经很难建造合适的粒子加速器了，我们又怎么能够希望在普朗克尺度上进行有意义的测量呢？
超弦理论中要求出现的一个或者多个额外维度可能很快就能成为在费米实验室或者欧洲核子中心的未来大型强子对撞机所能达到的能量标度上的可观测量了。倘若这样的非凡发现真的得以实现，那不啻于把超弦带到了人间。但是要把这种额外维度变为真正的现实，实验还必须排除其他可能的解释，而这并不是一件容易的事情。
培养怀疑精神
科学实践最强大的力量之一就是通常在理论研究，特别是物理理论研究中使用的所谓“摧枯拉朽般的怀疑精神”。我们提出假设上观测来检验，然后否决其中不成功的。这是一个复杂的过程，而且由于理论几乎总是用于解释测量的，所以这个过程还有许多含糊之处，科学哲人认为测量是“理论的累赘”。
而优秀的实验家则是不可救药的怀疑论者，他们非常喜欢反驳他们的理论同行所提出的极具猜测性的想法。通过实验，他们知道怎样排除偏见并且做出经得起时间考验的正确判断来。能够经受住这一残酷考验而幸存下来的理论假设都将获得一定程度的坚固性和现实性，而这是纯粹的时尚所无法取得的。正是这种特性把科学和艺术区分了开来。
但是，现在正在工作的许多理论家看来并不关心他们的假设最终将面临怎样的客观现实世界的观测。最近，我参加了一个讨论会，会上，一位年轻的理论家介绍了他的一个关于在大爆炸前所发生的事件的想法。当被问及可能会得到哪些可观测的结果时，他回答说，因为暴涨把先前存在的所有特性都洗刷干净了，所以他的想法不会有任何可供观测的结果。
年轻理论家是受到了他们年长同事的鼓励的，他们中的某些人近来被在宇宙弦和蛀洞附近操纵时间机器的想法给迷住了。即使承认宇宙弦是存在的(这一点本身就值得怀疑)，我也很难想象人们怎样来检验这些思想。
我喜欢把这种建立理论的方法称为“柏拉图式的物理学”，因为它隐含着柏拉图著名的忠告：经验的数学形式在某种程度上比它们急于披挂在阴暗的物质空穴墙壁上的模糊影子要真实得多。另外，做实验来检验今天这些越来越抽象的理论看来是不可能的，面对这一不可克服的困难，一些人甚至已经提出放松对科学事实的确定标准。
或许，数学上的优美、自然或者严格就已经足够了(大自然不可能选择任何其他的替代方案)。再或许，如2002年斯蒂芬 · 沃尔弗拉姆(Stephen Wolfram)在《一种新的科学》中所暗示的“计算机实验”能够代替测量。据一位重要的科学史专家所言，这样一种微妙而又最终将走向彻底的对理论评判方式的改变或许早已默不作声地发生了。
如果真的是这样，那我认为这将是一个可怕的错误，我们将很难把物理实践跟绘画或者版画复制这样的活动区分开来。在绘画等领域里，评判某一作品的好与坏在很大程度上是基于艺术评论家和历史学家的观点的。科学事实具有唯一性，并且这唯一性与经常显得很乏味的辨别经验观测的实践有很大关系。对好的科学的一个基本的评判标准必须保留，这就是它们已经被测量反复地检验过了，并且不论检验它们有多困难，检验的结果与它们的预期都符合得相当好。
科学真理的本质在于这样一个要求，即它应当跟自然的世界相符合，这自然的世界存在于我们的意识之外并且超越了皮尔斯称之为“我和你的奇想”的人的技巧。
实验者必须继续去除一些新的思想以确保这一一致性真正得以保持。他们的怀疑态度所起的作用就像自然选择中的死亡——在所有实际生存的物种中只有最强大的才能幸存下来。
在这一进化论的比方中，猜测性的推理通过协助确保科学考察的是许多可能潜藏着真理的哲学壁龛，从而也起着至关重要的作用。
我的忠告是，如果科学要前进，那么通过对可能的理论空间进行的范围如此广泛的探索而得到的假设，最终必须要导出可以检验的结果，虽然这可能需要很长的时间。否则，理论家们是在做形而上学，而不是物理学。
一本叫自然的书17世纪早期，培根和伽利略阐明了一个获得知识的新途径，这一途径不是基于亚里斯多德或者中世纪经院哲学家们的文字，而是基于阅读他俩所称的“自然之书”。
根据伽利略的说法，“哲学是写在一本叫宇宙的鸿篇巨著中，而这一本书时刻敞开在我们的眼前。”
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本文作者迈克尔 · 赖尔登(Michael Riordan)任教于斯坦福大学和加利福尼亚大学圣克鲁斯分校，教授物理学史。