理论物理的尽头是否已经在望_.pdf

二 尾苦而薪落 物 二l卜东汗刁厌于刁1 世 握 范差瑟拿等习 云 任长七尧妥 二三洲 l 1 一不花不花 l t 峙 石月 9 一 OL 加口二 荡石石获石己r 勇勇 颐竺绝丝 产毛 二 了鱼帅j 画鱼 一 J一 石 樱竺三 丝扒 宙 理论物理的尽头是否已经在望 steph en H a w k ng著 顶互固 译杨维廉 校 我在这个讲演里 打算探讨 甲城色 物理的 目标 有否 可能在不太远的将来 比如说在本世纪的末了 可以达 到 我的意思是指 我们是否能够获得一个有关物理 相互作用的 前后一 致的 统一 的理论 这样的一个理 论 对所有可能观察到的现象 都能加以描述 当然 在作出这样的预言时 必须非常谨慎 我们以前曾经至 少有过两次 自以为是到了很快就可以作出最终综合 的时候 头一次是在本世纪的初期 当时就有人认为 我们可以靠连续介质力学而了解掌握一 切 我们所需 要的 只是要对某些弹性 粘性 传导性等系数进行 度量就行 到后来原子结构及量子力学的发现 把这 种希望全打破了 第二次是在20年代的后 期 麦克 斯 玻恩 Ma x Bo r l 对 当时访问哥廷根的一批科学 家宣称 据我们所知 物理学再过6个月 就将成为过 去的东西了 他说这话的时候 正是在狄拉克 Pau l D i r 发现支配 电子作用过程的狄拉克方程之 后不 久 狄拉克便是卢卡西恩讲座的前任教授 当时大家 都认为还有一个支配质子的类似方程 质子乃是那 时候所知道的唯一的另一种所谓基本粒子 然而后来 中子及核力的发现 又使这种希望成为泡影 我们现 在 知道 质子及中子 事实上都不是基本粒子 它们本 身都是由更小的粒子构成的 但不管怎样 近年来我 们已有很多新进展 使我们可以有根据地作出审滇的 乐观 看法 认为在我们在座有些人的有生之年里 将能 够看到一个完整的理论的诞生 即使是我们能搞出了一个完整的统一 的理论 我 们除了一些极简单的情况之外 也还无法作出详细的 预测 例如 我们已经知道支配我们日常生活所经历 到的各种事物的物理定律 正如狄拉克 指出的那样 他 的方程乃是 物 理的极大部分以及化学的全部 的基 础 然而 我们还只能解出这个方程 的最简单的系统 即仅含有一个质子和一个电子 的氢原子 对于含有更 多电子的更复杂的原子 更不用说含有不止一个核的 分子 我们只能靠近似方法以及直观猜测 其是否有 数 扰极难说了 对含有 1沪3 粒子之类的宏观系统 我们就只能 采用统计方法 而不必希图求出精确解了 虽然我们在原则上能知道支配全部生物学的方程 我 们还没有能够把人类行为的研究 变成应用数学的一 个分支 所谓一个完整的统一的物理理论 究竟指的是什 么呢 我们所 要搞出的现实物理世界的模型 一般说 来 包括这样两个方面 1 各种物理量所服从的一套局部的物理定律 这 种定律通常是用微分方程来表达的 2 若干组边际条件 说明宇宙之某些区域在某一 时间的状态 以及之后 宇宙的其余部分传播给这个部 分的是什么样的效应 有很多人认为科学的任务只限于上述的第一个方 面 并认为只要我们能搞出一全套局部物理定律 那么 理论物理就算完成它的使命了 他们把宇宙的初始条 件 看成为只是形而上学 或宗教范围里的事 从某一 方面说来 这种态度颇象若干世纪之前 有人反对进行 科学 研究 他们说 所有自然现象 都是神的作为 因此 不应加以研究探讨 我认为宇宙的初始条件 是和局 部的物理定律一样 都是同样适合作为科学研究及理 论的课题来探讨的 如果我们 想搞出一个完全的理论 而仅仅是念念有词 因为事物过去是那样 所以它现 在是这样 那是不行的 初始条件的唯一性 是与局部物理定律的任意性 密切联系着的 一个理论 如果里面含有若千个可调 节的参数 如可以任意给定数值质量 或藕合常数 那 么这个理论就不可能是完全的 事实上 物理理论 中 的初始条件及参数的数值 看来都并不是任意的 而乃 是经过缤密选择的 举个例子 如果质子 一中子质最 之 差 不是电子质量 的2倍左右 那么就不会有几百个稳 定的核种 而元 素就是这种核种构成的 并且是化学和 生物学的基础 同样地 如果质子的引力质量是与现 在有显著的差异 那么就不会有核种形成的那些星体 再如果宇宙的原始膨胀的速度略大或小 那 么宇宙就 会在这些星体形成之前坍缩 或会膨胀得太快 而致这 些星体无法靠重力凝 聚而 形成 的确 甚至有人把这 本文是重金 乳 ep hen T l aw k i n g 就任剑桥大学卢 卡西恩讲座教授时的就职讲演 种对于初始条件及参数的限制 提高到原理的地位 即 人择原理 因为我们是这样的 所以事物才是 那样 的 这个原理有一种提法 说是早先有数目众多不同 的 互相分离的宇宙 各具有互不相同的物理参数 和 互不相同的初始条件 这些宇宙中的大多数 并不具 有适于产生智能生命的复杂结构所需的条件 只有很 少数宇宙 其条件和参数和我们自己的宇宙的条件和 参数一样 所以才能产生智能生命 并能提 出这样的问 题 t 宇宙为什么是 像我们所 看到的这个样子 其答案 当然是 如果不是这个样子 就不会有人问出这样的问 题了 逸个人择原理 对于我们所观测到的许多物理参 数之间的某些卓著的关系 也可算是作了些解释 但 并不很令人满意 人们总觉得应该有更深刻的解释 再者 这个人择原理也无法运用到宇宙的所有各个部 分中去 举个例子 我们的太阳系 肯定是我们人类 存在的一个先决条件 就像附近的早一代的星体一样 都是我们存在的先决条件 在那些星体中 重元素能通 过核合成而形成起来 也可能是甚至需要我们整个星 系作为我们存在的先决条件 可是这并不见得就需要 其他星系也存在 更不用说我们所 看到的亿万个星系 这些星系是大致上均匀地分布在我们可观测到的整个 宇宙里 宇宙的这种大规模的均匀性 看来很难用人择 的观点来解释 或认为宇宙的结构 会是由一颗不大的 行星上面某种复杂的分子构造的东西 人 译注 所 决定的 这颗行星也只不过是位于一个很典型的螺旋 状星系的外缘的 绕着一颗很普通的星体旋转的一颗 次要行星而已 如果我们不打算讲人择原理 那么我们就需要某 个统一的理 论来解释宇宙的初始条件 以及各种物理 参数 的数值 然而 要 想一下子搞出一个无所不包的 完备的理论 那是非常困难的 虽然有不少人并不因此 知难而退 我每星期都收到邮局寄来两三个这样的统 一 理论 我们的做法 是要搞出一些部分的理论 用 它来描述某些情况 而 把这些情况中的某些相互作用 略去不论 或用简单的方法取其近似值 我们先把宇 宙中的物质内容分为两部分 物质 粒子 如夸克 电 子 子等 以及 相互作用 如引力作用 电磁作用 等 物质粒子是用一个半整数 自旋的场来加以描述的 并服从泡利的不相容原理 使不能同时有一个以上的 同一类的粒子处于同一状态中 我们之所以能有固体 物质不致于坍缩到一个点 或辐射到无限远处 其根据 便是 这个原理 物质粒子分为两大类 由夸克所构成 的强子 其余的都称为轻子 相互作用按现象上可分为四大类 按其强弱顺序 为强核力 这种力只与强子 发生作用 电磁力 它与带 电荷的强子及轻子发生作用 弱核力 它与所有的强子 及轻子都发生作用 最后是最弱的引力 它与所有的一 切东西都发生作用 这种种相互作用都是用整数自旋 的场来表示的 这 种场并不服从饱利的不相容原理 这 便是说 在这 种种 相互作用之下 可以有很多粒子处 于 同一状态 电磁作用和引力作用而且还是长距离的作 用 即是说 巨量的物质粒子所产生的场 可以叠加起 来而产生的一个场 可以在宏观上加以检 测 由于这 种原因 所以这些相互作用便最 早得到理论上的阐发 牛顿在1 7世纪就建立 了引力理论 麦克斯韦在份世 纪建立了电磁理论 然而这些理论基本上是互不相容 的 因为如果整个系统有个均匀速度 则牛顿理论乃是 不变的 而麦克斯韦理论则定义了一个特定速度 即光 速 到后来是牛顿的引力理论必须加以修改 以便能 与麦克斯韦理论的不变性质相容 这是由爱因斯坦的 广义相对论来 完成的 时在191 5年 广义相对论和麦克斯韦的电磁理论 都是所谓经 典理 论 即是说 其中所含的量 都是连续变化 的量 而 且 至少在理论上是 可以量度到任意的精确度 然而 如果要用这些理论来建立一个原子的模型 就发生了 问题 人们已经发现原子乃是由一个小小的带正电荷 的原子核 和周 围那 些带负电荷的电子云所构成的 那 么很自然地就会假设那些 电子乃是沿着轨道环绕着原 子核旋转 就好像地球沿着轨道绕着太阳旋转那样 然 而根据经典理论 那些电子会辐射出电磁波 这 种电磁 波会把能量带走 使电子旋入原子核 结 果造成原子坍 缩 这个难题由量子理论克服了 量子理论的发现 无 疑是本世纪理论物理的最伟大的成就 量子理论的基 本假设是海森堡的测不准原理 这个原理说 某些成 对的量 例如粒子的位置和动量 是不可能同时量度到 任意的精确度 就原子而言 测不准原理是说 在最低 能级状态时 电子在原子中不可能是静止的 因为力那 种情况下 电子的位置及 速度就会精确地确定下来 而 实际上是 电子会模糊起来 它会在原子核的附近形成 某种概率分布 在这个状态时 电子不会以电磁的形式 辐射出能量 因为没有更 低的能级状态可供其降下去 在 2 0年代及 3 0年代 量子力学应用到一些系统 上 例如原子或分子之类的系统上 非常成功 可足这 些系统只有有限的几个自由度 而人们想把它应用到 电磁场上去的时候 就发生麻烦了 因为这种场具有 无限数目的自由度 大致上说来 凡时 一空上 每 一个 点 都有两个自由度 人们可以把这种自由度看作为 振子 每一个都有其本身的位置及动量 振子是不会 停下来的 因为如果停了下来 就会具有明确的位置和 动量 而每个振子又必须有某种最低限度的所谓 零 点振动 及一个非零的能量 所有无穷多自由度的零 点振动的能量 就会使表面的质量及 电子 电荷变成无 穷大 40年代后期搞出了一种叫做 重正化 的方法 来 克服这种困难 这种方祛是把某些无穷大数量 用一 种颇带有任意性的减法 得出有限大的余数 就以电 磁现象来说 就 需要作两次这种无穷大的减法 一次 是质量 一次是电子的电荷 这种重正化方法从来没 有被放到很牢固的概念或数学的基础之上 但在实践 中 它却行之颇为有效 它有过一次很天的成功 便是 预测到氢原子的某些光谱线的一个小刁 位移 叫做兰 姆位移 然而如果要用这个方法来建立一个完整的理 论 那还差得远 因为这种重正化方法 并不能预测出在 作了无穷大减法后 其有限的余数应为多少 因此我 们又得回到那个人择原理 来解释 电子为什么具有它 现在所具有的质量及 电荷 在印及6 0年代 一般都认为弱核力及强核力都 是无法加以重正化的 即是说 必须做无穷多次的无 穷大减法 才能使其变成有限的量 那么就会有无穷 多个有限的余数 而这却不是这个理论所能求得出来 的 这样的理论是不会有预测的能力的 因为人们是 无论如何不可能对所有无穷多的参数进行度量的 然 而在 1971 年 吐夫特 t Ho of七 证明出 前些时候萨 拉姆 一温伯格所提出的电磁及弱相互作用的统一模型 只要用有限多的无穷大减法 是可以加以重正化的 在 萨拉姆 一温伯格的理论中 光子 即携载电磁相互作用 的自旋1粒子 是和另外三种自旋1粒子 叫做 W 十 W 一 及Z 在一起起作用的 在很高的能量时 据预 测这4种粒子的特性都很相似 可是在低能量时 会 出现一种现象 叫做 自发对 称破缺 现象 能说明为什 么光子具有零质量 而W 十 W一 及Z 的质量却很大 这个理论所预测的低能量时的情况 和实验观测所得 结果 非常一致 遂使瑞典科学院于去年授予萨拉姆 温伯格及格拉肖3人以诺贝尔奖 后面 的这位格拉肖 也搞出了一个类似的统一理论 不过 格拉肖本人却 说 诺贝尔奖金委员会此举 确实带有点冒险性质 因 为我们现在的高 能粒子加速器还没有大到能检测该理 论所预言的 电磁作用力 由光子所携载 与弱相互作 用力 由W 十 W 一 及 Z 所携载 在高能范围里的结 合 是否能真正出现 那样大的加速器要几年后才能 建造起来 但大多数物理学家 都抱有信心 相信到时侯 萨拉姆 一温伯格的 理论将会得到证实 萨拉姆 一温伯格理论的成功 引起物理学 家进而探 求想搞出一个类似的重正化 理论 可以应用到强相互 作用上去 好些时侯以来 就有人怀疑质子及有些强 子 例如 二 介子 可能 并不是真正的基 本粒子 而是另 外一些粒子 叫做夸克的束缚状态 这种夸克似乎有 一种奇怪的特性 虽然这些夸克能在强子中相 当自由 地移动 但却不是以单独一个夸克出现的 而总是3个 一伙 如质子或中子 或是一个夸克一个反夸克成对 地出现 例如 二 介子 为了解释此种现象 夸克被赋 予一种性质 叫做 色 但必须着重指出 这种色和我 们日常所说的色 毫不相千 夸克是太小太小了 根本 无法在可见光里看得到 这所谓 色 只不过是一个 方便的说法 其意思是以红 绿 蓝3种颜色出现 但任 一种孤立的束缚状态 例如强子 必须是无色的 或是 红绿蓝3种色的结合 例如质子 或红 与反红 蓝与反 蓝 绿与反 绿的混合 例如 二 介子 夸克与夸克之间的强相互作用是由自旋1的粒子 叫做胶子 来携载的 颇像携载弱相互作用的粒子 胶 子也携带色 而 且胶子和夸克都服从一种重正化理论 称为量子色动力学 q uantum clrom o d yu am i 简称 QCD 重正化过程有一个结果 便是该理论的有效翩 合常数 要视量度时的能量而 定 在 极高能量时 降低 到零 这种现象称为渐近 自由 asymptotio fr e edo n 其意思是 强子里夸克的表现 和自由粒子在高能碰撞 时的表现 十分类似 从而其 相互作用 可以用微扰理 论来处理 用微扰理论作出的预测 和观 测结果在定 性上相当一致 但现在还不 能就说 这个理论 已经得到 实验的验证 在低能量情况下 有效棍合常数变得非 常大 而微扰理 论失灵了 人们颇希望这种 红 外奴 役 能解释为什么夸克总是限制在无色的束缚状态中 但到现在为止 尚未有人能作出令人信服的论证 有了一个有关强相互作用的重正化理论 又有了 一个有关弱相互作用及电磁作用的重正化理论 于是 很自然地就会想搞出一个能 把两者结合起来的理论 人们给这样一个理论取的名称有点夸张 叫做 大统一 理论 简称 G U T 这个名称起得是有点夸张过头 因 为它实际上并不是那么伟 大 也 并不是那么全面的统 一 更不是一个完全的理论 因为其中还有若干个待定 的重正化参数 例如棍合常数及质量等 但不管怎样 它总算是朝着一个完全的统一理论迈出了 重要的一 步 基本的思路是这样的 强相互作用的有效祸合常 数 在低能量时很大 由于渐近自由度的原 因 它在高 能量时逐渐降低下来 另一 方面 萨拉姆 一温伯格理论 中的有效摇合常数 则是在低能时很小 而在高能时 逐渐增大 因为这个理论不是渐近自由的 如果我们 把低能时辐合常数降低和增大的速度加以外推 就会 发现这两种藕合常数在1 0 GeV 左右的能量时变成相 等 该理论提 出 在高于这个能量时 强相互作用与弱 相互作用及 电磁相互作用就统一起来 但在低于这个 能量时 就会出现自发的对称破缺 1 0 G eV 的能量 是远远超过任何实验设备之所 能及 目前这一代的粒子加速器所能产生的质心能量 只能达到1 0 G eV 下一代的加速器也只能达到10 0 Ge V 左右 这已足以探讨萨拉姆 一温伯格理论所提出 的电 磁力与弱相互作用力统一 的能量范围内的情况 但要 想靠它来探讨弱作用力及电磁作用力之与强作用力统 一所要求的极高能量的情况 那就不行了 但不管怎 样 大统一理论中有些低能量方面的预测 仍有可能在 实验室里进行测试 比如说 根据理论预测质子并不 是完全稳定的 而是会蜕变 其寿命期为1 0 年 目前 所能检测得到的寿命期的实验下限约为1 0 3 0 年 那也 只要再提高一步就行了 另一个可观测得到的预测 是宇宙中重子对光子 的比例 物理的定律 看来对于粒子及反粒子 都是一 样的 说得更确切些 物理定律 中 如果把粒子换成反 粒子 把右旋换成左旋 把所有粒子的速度都改变方 向 则这些物理定律 仍然还是 原样不变 这叫做 CPT 定理 它是任何合理的理论里都能成立的基本假定所 推出的必然结果 然而地球及实际上整个太阳系都是 由质子及中子构成的 但却没有任何反质子及反中子 的确 这种粒子与反粒子之间的不平衡 确实乃是我们 之能存在的另一先天的条件 因为如果太阳系是由同 样数量的粒子及反粒子构成的 那么这些粒子和反粒 子就会互相湮灭 结果剩下的只有辐射 根据观测所 得 并没有这种湮灭的辐射存在 就说明我们的星系完 全是由粒子构成的 而不是反粒子构成的 我们还没 有别的星系方面的直接数据 但 看来它们很可能也是 由粒子构成的 而且整个宇宙中 整体上说来粒子的数 景多于反粒子的数最 约为1 0 光子 比一个粒子 人们 也可以用人择原理来解释 此种不平衡的现象 但大统 一理论实际上能提供一个可以解释此种不平衡现象的 机制 虽然所有的相互作用在C 把粒子换为反 粒子 P 把右旋换为左旋 及T 把时间反 向 的组合作用下 是不变的 但现在已经知道有的相互作用在单独的 T 之下 并非不变 在宇宙的初期 那时候由于宇宙膨 张 而有一个很 明确的时间之矢 这种相互作用所产生 出 的粒子就比反粒子多 然而 它所产生的粒子数量 却 视模型而定 那么与观测结果符合一致 很难说就是大 统一理论的证实 到现在为止 所有的努力都是集中在设法把前3 种物理相互作用 即强核力 弱核力以及电磁力 统一 起来 第四种亦即最后一种相互作用 即引力 却被忽 视了 究其原因 有一种说法是引力作用太弱了 只有 粒子能量大到 远远超过目前粒子加速器所能提供的程 度 量子引力效应才能大起来 另一种说法是 引力作 用看来是无法重正化的 要想得到有限的答案 就必须 作出无穷多个无限大减法 从而得出相应的无穷多个 待定无穷大余数 可是 我们如果想搞出一个全面汪统 一理论 则又必须将引力作用包括进去 再者 广义相 对论的经典理论预测说 必定会有时 一空奇点 在这 种 奇点上 引力场的强度会变得无穷大 这种奇点过去 会 出现在目前这个宇宙膨胀的开始时 即大爆炸 在 将来会出现在星体的引力坍缩 或可能是在宇宙本身 的坍 缩之时 奇点存在的预测可能表明经典理论会失 效 但除非引力场变得很大 大到量子引力效应成为 很重要 否则我们也没有理由认为经典理论就得失效 因此 必须搞出一个量子引力理论 那样才能对宇宙 的初始情况作出一些解 释 而不致落于人 择原理 的 案臼 这样一个理论也是必不可少的 如果我们要回答 这样一个问题 时间究竟有没有一个开头 并可能的 话 有没有终了 就像经典相对论所预言的那样 或 大爆炸及大缩压的奇点 是否由量子效应抹去 当整 个空间及时间都受测不准原理所支配 时 这个问题是 很难给以一个明确的含义的 我个人的感觉是 奇点 可能仍 然存在着 虽然人们能够在某种数学的意义上 在时 间上延拓通过这种奇点 然而任何主观的对时间 的概念 任何与意识或进行度量有关的时间概念 都 将完蛋了 那么搞出一个量子引力理 仑 并把它 与另外三种 相互作用统一起来 这种前景究竟怎样 其最大的希 望看来是在于广义相对论的一个延伸 以 做超引力 在 这个理论中 引力子是一 种携载引力作用的自旋 一 粒 子 它是由一种超对称变换而 与别的一些低 自旋场联 系起来 这样一个理论有一个更大的优点 便是它能 丢开旧的那种二分法 即 由半整数自旋粒子所代表的 物质 及 由整数自旋粒子所代表的 相互作用 它还 有一个很大的优点 便是量子理论中所出现的许多无 穷大 都互相抵消了 但那些无穷大是否都全部抵消 掉 是否没有剩下任何无穷大减法 而变成一个有限的 理论 目前还不知道 人们都希望能够如此 因为已经 能证明 凡 包括引力的理论 如果不是有限的 便是非 重正化的 这便是说 如果要进行任何无穷大的减法的 话 那么就必须进行无 穷多次的这样的减法 并得到相 应的无穷多的未定余数 于是 如果在超引力中所有 无穷大都互相抵消掉 我们就能够得到一个理论 它不 但是把所有物质粒子及相互作用 完全统一的理论 而 且是 完备的理论 即是说 它没有任何待定的重正化的 参数 虽然我们还未能搞出一个正 式的量子引力理 论 更不用说是一个能够和别 的三 种物理 相互作用结合 起 来的盈子引力理论 可是我们对这样一个理论所应具 有的特点 已经有了个大致的概念 其特点之一 便是 引力影响时 一空的 因果关系结构 即是说 引力决定了 哪些事件可以相互之间以因果关系联系在一起 可以 举出经典的广义相对论中的黑 洞为例 所谓黑洞 便是 时 一空里的一个区域 其引力极强 任何光或别的信号 都会被拖回到这个区域中 而无法逸出到外边世界中 去 黑洞附近的极强的引力场 会产生成对的粒子及 反粒子 其中有一个落入黑洞 另一个逸到无穷远去 逃逸出去的粒子 表面上看来是黑洞辐射出去的粒子 一个位于离黑洞一段距离的观测者 只能量度外逸的 粒子 但他无法把这些外逸的粒子和那些掉进黑洞的 粒子联系起来研究 因为他看不到那些掉进去的粒子 这便是说 那些外逸的粒子 比起一般测不准原理所说 的情况 又多了一些随机性或不可测性 在正 常的情 况下 测不准原理说的是我们能确定地预测一个粒子 的位置或速度 或位置及速度的一个组合 因此 大致 说来 人们作出确定的预测的能力只剩下了一半 然 而就粒子逸出黑洞的情况而言 我们之无法观测到黑 洞内部的情况 便意味着我们能确定地预测到既非外 逸粒子的位置 亦非其速度 我们所能说的只是该粒 子可以以某种方式被辐射 出的概率 因此 即便是我们能搞出一个统一 的理 论 我们所 能做 的看来也只是作出统计预测 我们还必须放弃一 个观点 即认为我们所观测的是唯一的宇宙 而是 我 们必须接受这样一个图景 即有一 整套的可能的宇宙 这些宇宙有某种概率分布 这大概可以说明 为什么 宇宙是在几乎完全的热平衡之时开始大爆炸的 因为 热平衡是相 当于最大数量的微观组态 从而就具有最 大的概率 正 如伏尔泰笔下的哲学家彭格洛斯所说的 我们是生活在所有可能的 一 界中概率性最大的 那个 世界里 如果想在不太远的将来 就能搞出一个完全的统 一理论 其前景如何 我们每一次 都曾经把我们的观 测深入一步到更微小的长度 提高一步到更高的能量 并发现了新的结构层次 在本世纪初期 发现布朗运 动 其典型的能粒子为3 10 一ZeV 说明物质并不是连 续的 而是由原子构成的 其后不久 又发现了这 种原 来以为是不可分割的原子 乃是由许多电子绕着一个 原子核在 旋转 其能量为若干个电子伏特 后来又发 现原子核乃是由所谓基本粒子 即质子及中子构成的 这些质子和中子是由能量约为 1 0 eV 的核能结合在一 起的 这一连串事件的最近一件事 是我们又发现了 质子及中子都是由夸克构成的 由能量为10 V的结 合能 结合起来的 现在理论物理需要硕大的机器 巨 额的经费来进行实验 而其实验结果我们却不能加以 预测 这些都说明理论物理作出多么惊人的进展 并应 该说是对理论物理的一曲赞歌 过去的经验可能会启示我们 凡能量越是一级一 级高上去 就会有无穷尽的结构层次 这种大盒子套小 盒子无穷无尽的套下去的看法 是中国在四人帮时期 的官方教条 看来 引力应该是提供了一个界限 但只 是在 极短的长度10 一3 3 厘米及极高的能量 1沪 V 比 这个更短的长度时 时 一空就可能不再是一个光滑的连 续体 由于引力场的量子波动的缘故 会有像泡沫似的 结构 在我们目前实验限度10 1 0 eV 及引力截止的 lot eV 之间 还有很大一个未经探索的区域 说来也许有点 天真 大统一理论认为在 这个巨大无比的空档里 大概 只有一个层次或两个层次的结构 然而我们有理由抱 乐观态度 至少在目前 看来引力是能够和其他物理 相互作用统一起来的 但只能是在某 种超引力理论中 做到如此 看来 只能有有限数目个这样的理论 特 别应该提的是 有一个最大的这样的理论 叫做 N 8 广义超引力理论 这里面包括 1个引力子 g rav ito n 8个自旋3 2粒子叫做 引力微子 g ravitio o 28 个自 旋1粒子 5 6个自旋蚤粒子 以及7 0 个自旋O粒 子 这些数目虽然很大 它们还 不够把我们所观测到 的强相互作用及弱相互作用的所有粒子都 包括进去 举个例子 N 二8 理论里有2 8个自旋 1 粒子 这些粒 子是足够来用以解释携载强相互作用的胶子 以及携 载弱相互作用的4个粒子中的2个 但对另外那2个 却无法加以解释 因此人们只好认为 我们所观测到 的 许多粒子 或大部分粒子 例如胶子和夸克 实际 上可能还不是真正的基本粒子 像我们目前所认为的 那样 而乃是基本的 N 二8 粒子的束缚状态 看来在 可预见的将来 我们还不大可能建造 出大到能探索这 种复合结构的加速 器 特别是根据眼下的经济趋势 甚 至根本不可能做到这一点 但不管怎样 这 种种束缚 状态都是从意义明确的 N二8 理论推 断出来的 应该 使我们能作出一些预测 可以在我们目前所能达到的 或不久的将来能达到的能量 进行检测 这种情况很 有点像当年萨拉姆 一温伯 格理论把 电磁作用及弱 相互 作用统一起来时的情景 那时候这个理论对低能所作 的预测 和实际观测所得的结果很吻合 以致该理 论现 在已受到普遍接受 虽然我们还未能达到该统一所要 求的能量 这样一个描述宇宙的理论 总该具有一 些非 常突 出的特点 为什么这个理论能站得住 而别的一 些理 论只是存在于其发明者的脑子中呢 这个 N 二8 超引 力理论的确有其独特之处 看来它可能就是符合下列 条件的唯一的理论 1 它是四维的吏 2 它把引力包括进去 3 它是有限的 没有任何无穷大减法计算 我在前面已经指出 如果我们 想要有一个完全的 没有参数的理论 那么这第三个性质乃是必要的 但 要说明为什么必须要有第一及第二个性质的道理 那 就很难摆脱人择原理的影子 理论如果仅仅满足第一 和第三性质而不包括引力作用 看来仍