Astronomy 版 (精华区)

　　我要在这几页讨论在不太远的将来，譬如讲本世纪末实现理论物理学目标的可
能性。我这里是说，我们会拥有一套物理相互作用的完整的协调的统一理论，这一
理论能描述所有可能的观测。当然，人们在做这类预言之时必须十分谨慎。以前我
们至少有过两回以为自己濒于最后的综合。人们在本世纪初相信，任何东西都可以
按照连续体力学来理解。所要做的一切只不过是测量一些诸如弹性系数、粘滞性和
传导性等等参数。原子结构和量子力学的发现粉碎了这一希望。又有一回，在本世
纪二十年代末，马克斯·玻恩对一群访问哥廷根的科学家说：“尽我们所知，物理
学将在六个月内完结。”这是在保罗·狄拉克发现狄拉克方程之后不久讲的。狄拉
克是卢卡逊教席的一位前任。以他命名的方程制约电子的行为。人们预料类似的方
程会制约质子，质子是另一种当时仅知的假设为基本的粒子。然而。中子和核力的
发现又使那些希望落空。现在我们已经知道，事实上不管是质子还是中子都不是基
本的，它们是由更小的粒子构成的。尽管如此，我们近年来取得了大量的进步，而
且正如我将要描述的，存在某些谨慎乐观的根据，相信在某些阅读这篇文章的读者
有生之年我们能看到一套完整的理论。

　　即使我们的确得到了完整的统一理论，我们除了最简单的情形外，仍然不能作
任何细节的预言。例如，我们已经知道制约我们日常经历的任何事物的物理定律。
正如狄拉克指出的，他的方程是“大部分物理学以及全部化学的基础。”然而，我
们只有对非常简单的系统，包括一颗质子和一颗电子的氢原子才能解这个方程。对
于具有更多电子的更复杂的原子，且不说具有多于一个核的分子，我们就只能借助
于近似法和直觉猜测，其有效性堪疑。对于由大约1023颗粒子构成的宏观系统，我
们必须使用统计方法而且抛弃获得方程准确解的任何幻想。我们虽然在原则上知道
制约整个生物学的方程，但是不能把人类行为的研究归结为应用数学的一个分支。


　　我们说的物理学的一个完整的统一理论是什么含义呢？我们对物理实在的模型
通常由两个部分组成：

　　1． 一族各种物理量服从的局部定律。这些定律通常被表达成微分方程。

　　2． 一系列边界条件。这些边界条件告诉我们宇宙某些区域在某一时刻的状态
以及后来从宇宙的其他部分传递给它的什么效应。

　　许多人宣称，科学的角色是局限于这两个部分的第一个，也就是说一旦我们得
到局部物理定律的完整集合，理论物理也就功德圆满了。他们把宇宙初始条件的问
题归入形而上学或者宗教的范畴。这个看法在某种方面像本世纪以前劝阻科学研究
的那些人的观点。他们说所有自然现象都是上帝的事务，所以不应加以探索。我认
为，宇宙的初始条件和局部科学定律可以同样地作为科学研究和理论的课题。只有
在我们比仅仅宣称“事情现在之所以如此是因为它过去是过去的那种样子”更有作
为时，我们才算有了一个完整的理论。

　　初始条件的唯一性问题和局部物理定律的任意性问题密不可分：如果一个理论
包含有一些诸如质量或者偶合常数的人们可以随意赋值的可调节参数，则我们不把
它当成是完整的。事实上，无论是初始条件还是理论中的参数值似乎都不是任意的
，它们是被非常仔细地选取或者挑选出来的。例如，质子──中子质量差若不为两
倍电子质量左右，人们就不能得到大约二百种稳定的核，这些核构成元素，并且是
化学和生物的基础。类似的，如果质子的引力质量非常不同，就不能得到这些核在
其中合成的恒星。此外，如果宇宙的初始膨胀稍微再慢一些或稍微再快一些，则宇
宙就会在这种恒星演化之前就坍缩了，或者会膨胀得这么迅速，使得恒星永远不可
能由引力凝聚而形成。

　　的确，有些人走得如此之远，他们甚至把对初始条件和参数的这些限制提高到
原理的地位，这就是人择原理，可以把它叙述如下：“事物之所以如此是因为我们
如此。”根据这一原理的一种版本，存在非常大量不同的分开的宇宙，它们具有不
同的物理参数值和初始条件。这些宇宙中的大多数不能为智慧生命所需要的复杂结
构发展提供恰当的条件。只有在少数具有和我们自己宇宙的类似的条件和参数的宇
宙中，才可能让智慧生命得以发展，并且询问道：“宇宙为何像我们所观测的那样
？”其答案当然是，如果宇宙换一种样子，就有存在任何人去问这个问题。

　　人择原理的确为许多令人注目的数值关系提供了某种解释，我们在不同的物理
参数值之间可以观察到这些关系。然而，它不是完全令人满意的。人们不禁觉得应
该存在某种更深刻的解释。此外，它不能解释宇宙中的所有区域。例如，我们太阳
系肯定是我们存在的先决条件，先决条件还包括更早代的邻近恒星，重元素可由核
聚变在这些恒星中形成。甚至我们整个银河系也是必须的。但是似乎其他星系没有
必要存在，更不用说在整个能观测到的宇宙中大体均匀分布的我们看得见的亿万个
星系了。宇宙的大尺度均匀性使如下的论证非常难以使人信服，像在一颗小行星上
的某种复杂的分子结构这么外在的微不足道的东西决定了宇宙的结构，这颗行星绕
着一颗在相当典型的螺旋星系的外部区域的一颗非常平凡的恒星公转。