第十章  物理学的统一



    正如在第一章中所解释的，一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统
一理论是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面
取得了进步。我们忽略了其他效应，或者将它们用一定的数字来近似。（例如，当
我们用化学来计算原子间的相互作用时，可以不管原子核内部的结构。）然而，最
终人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理
论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称
之为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求一个统一理论，但
是没有成功，因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论，但关于核力还知道得非常
少，所以时间还没成熟。并且，尽管他本人对量子力学的发展起过重要作用，但他
拒绝相信它的真实性。看来，不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本
特征。所以，一个成功的统一理论必须将这个原理合并进去。

    正如我将描述的，由于我们对宇宙知道得这么多，现在找到这样的一个理论的
前景似乎是好得多了。但是我们必须小心，不要过份自信——我们在过去有过错误
的奢望！例如，在本世纪初，曾经以为每件东西都可以按照连续物质（诸如弹性和
热导）的性质予以解释。原子结构和不确定性原理的发现使之彻底破产。然后又有
一次，1928年物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯·玻恩告诉一群来哥丁根大学的访
问者： “据我们所知，物理学将在6个月之内结束。”他的信心是基于狄拉克新近
发现的能够制约电子的方程。人们认为质子——这个当时仅知的另一种粒子——服
从类似的方程，并且这是理论物理的终结。然而，中子和核力的发现对此又是当头
一棒。讲到这些，在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自
然的终极定律的终点。

    在前几章中，我描述了引力的部分理论即广义相对论和制约弱、强和电磁力的
部分理论。 这后三种理论可以合并成为所谓的大统一理论（GUT）。这个理论并不
令人非常满意，因为它没有包括引力，并且因为包含譬如不同粒子的相对质量等不
能从理论预言，而必须人为选择以适合观测的一些量。要找到一个将引力和其他力
相统一的理论，困难在于广义相对论是一个“经典”理论；也就是说，它没有将量
子力学不确定性原理合并在里面。另一方面，其他的部分理论以非常基本的形式依
赖于量子力学，所以第一步必须将广义相对论和量子力学结合在一起。正如我们已
经看到的，这能产生一些显著的推论，例如黑洞不是黑的；宇宙没有任何奇点并且
是完全自足的、没有边界的。正如第七章所解释的，麻烦在于不确定性原理意味着
甚至“空的”空间也是充满了虚的粒子和反粒子，这些粒子对具有无限的能量，并
且由爱因斯坦的著名方程E＝mc^2可知， 这些粒子具有无限的质量。这样，它们的
引力的吸引就会将宇宙卷曲到无限小的尺度。

    相当类似地，在其他部分理论中也发生颇似荒谬的无限大，然而，所有这些情
形下的无限大都可用称之为重正化的过程消除掉。这牵涉到引入其他的无限大去消
除这些无限大。虽然在数学上这个技巧相当令人怀疑，而在实际上似乎确实行得通，
并用来和这些理论一起作出预言，这预言极其精确地和观测相一致。然而，从企图
找到一个完全理论的观点看，由于重正化意味着质量和力的强度的实际值不能从理
论中得到预言，必须被选择以去适合观测，因此重正化有一严重的缺陷。

   


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    试图将不确定性原理合并到广义相对论时，人们只有两个可以调整的量：引力
强度和宇宙常数的值。但是调整它们不足以消除所有的无穷大。所以人们得到一个
理论，它似乎预言了诸如空间一时间的曲率的某些量真的是无穷大，但是观察和测
量表明它们地地道道是有限的！人们对于合并广义相对论和不确定性原理的问题怀
疑了许久，直到 1972年才为仔细的计算所最后确证。4年之后，人们提出了一种叫
做“超引力” 的可能的解答。它的思想是将携带引力的自旋为2称为引力子的粒子
和某些其他具有自旋为3／2、1、1／2和0的新粒子结合在一起。在某种意义上，所
有这些粒子可认为是同一“超粒子”的不同侧面。这样就将自旋为1／2和3／2的物
质粒子和自旋为0、 1和2的携带力的粒子统一起来了。自旋1／2和3／2的虚的粒子
反粒子对具有负能量， 因此抵消了自旋为2、1和0的虚的粒子对的正能量。这就使
得许多可能的无限大被抵消掉。但是人们怀疑，某些无穷大仍然存在。然而，人们
需要找出是否还留下未被抵消的无穷大，这计算是如此之冗长和困难，以至于没有
人会准备着手去进行。 即使使用一个计算机，预料至少要用4年功夫，而且犯至少
一个或更多错误的机会是非常高的。这样，只有其他人重复计算，并得到同样的答
案，人们才能判断已取得了正确的答案，但这似乎是不太可能的！

    尽管存在这些问题，尽管超引力理论中的粒子似乎不与观察到的粒子相符合的
这一事实，大部分科学家仍然相信，超引力可能是对于物理学统一问题的正确答案。
看来它是将引力和其他力相统一起来的最好办法。然而1984年，人们的看法显著地
改变为更喜欢所谓的弦理论。在这些理论中，基本的对象不再是只占空间单独的点
的粒子，而是只有长度而没有其他线度、像是一根无限细的弦这样的东西。这些弦
可以有端点（所谓的开弦），或它们可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）（图
10.1和图10.2）。在每一时刻每一个粒子占据空间的一点。这样，它的历史可以在
空间一时间用一根线代表（“世界线”）。另一方面，在每一时刻一根弦占据空间
的一根线。所以它在空间—时间里的历史是一个叫做世界片的二维面（在这世界片
上的任一点都可用两个数来描述：一个指明时间，另一个指明这一点在弦上的位置。）
一根开弦的世界片是一带子， 它的边缘代表弦的端点通过空间—时间的路径 （图
10.1）；一根闭弦的世界片是一个圆柱或一个管（图10.2）；一个管的截面是一个
圈，它代表在一特定时刻的弦的位置。

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                  图10.1                       图10.2

    两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。在开弦的情形下只要将它们端点
连在一起即可（图10.3） ； 在闭弦的情形下，像是两条裤腿合并成一条裤子（图
10.4）。类似地，一根单独的弦可以分成两根弦。在弦理论中，原先以为是粒子的
东西，现在被描绘成在弦里传播的波动，如同振动着的风筝的弦上的波动。一个粒
子从另一个粒子发射出来或者被吸收，对应于弦的分解和合并。例如，太阳作用到
地球上的引力，在粒子理论中被描述成由太阳上的粒子发射出并被地球上的粒子所
吸收的引力子（图10.5）。在弦理论中，这个过程相应于一个H形状的管（图10.6）
（弦理论有点像管道工程） 。H的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而水
平的横杠对应于在它们之间传递的引力子。


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                                 图10.3


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                                 图10.4


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                  图10.5                       图10.6

    弦理论有一个古怪的历史。它原先是60年代后期发明来试图找出一个描述强作
用的理论。其方法是，诸如质子和中子这样的粒子可被认为是一根弦上的波动。这
些粒子之间的强作用力对应于连接于其他一些弦之间的弦的片段——正如蜘蛛网一
样。这弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带，才能使理论给出粒子之间强作用力的
观察值。

    1974年，巴黎的朱勒·谢尔克和加州理工学院的约翰·施瓦兹发表了一篇论文，
指出弦理论可以描述引力， 但是只不过其张力要大得多，大约是1千万亿亿亿亿吨
（1后面跟39个0）。在通常尺度下，弦理论和广义相对论的预言是相同的，但在非
常小的尺度下， 比十亿亿亿亿分之一厘米（1厘米被1后面跟33个0除）更小时，它
们就不一样了。然而，他们的工作并没有引起很大的注意，因为大约正是那时候。
大多数人抛弃了原先的强作用力的弦理论，而倾心于夸克和胶子的理论，后者似乎
和观测符合得好得多。谢尔克死得很惨（他受糖尿病折磨，在周围没人给他注射胰
岛素时昏迷死去）。这样一来，施瓦兹几乎成为弦理论的唯一支持者，只不过现在
设想的弦张力要大得多而已。

    1984年，因为两个明显的原因，人们对弦理论的兴趣突然复活。一个原因是，
在证明超引力是有限的，以及解释我们观察到的粒子的种类方面，人们未能真正取
得进展。另一个原因是，约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林发表的一
篇论文指出，弦理论可以解释内禀的左旋性的粒子存在，正如我们观察到的一些粒
子那样。不管是什么原因，大量的人很快开始作弦理论的研究，而且发展了称之为
异形弦的新形式，这种形式似乎能够解释我们观测到的粒子类型。