时间简史——从大爆炸到黑洞013.doc

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々然而，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。

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19

72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