Astronomy 版 (精华区)

　人们假定，夸克之间的强相互作用由称作胶子的自旋为1的粒子携带。胶子和携
带弱相互作用的粒子相当相像。胶子也携带色，它们和夸克服从称作量子色动力学
（简称为QCD）的可重正化理论。重正化步骤的一个结论是，该理论的有效耦合常
数依所测量的能量而定，而且在非常高的能量下减少到零。这种现象被称作渐近自
由。这表明强子中的夸克在高能碰撞时的行为几乎和自由粒子相似，这样它们的微
扰可以用微扰理论成功地处理。微扰理论的预言在相当定性的水平上和观测一致，
但是人们仍然不能宣称这个理论已被实验验证。有效耦合常数在低能下变成非常大
；这时微扰理论失效。人们希望这种“红外束缚”能够解释为何夸克总被禁闭于无
色的束缚态中，但是迄今为止没有人能真正信服地展现这一点。

　　在分别得到强相互作用和弱电相互作用的可重正化理论之后，人们很自然要去
寻求把两者结合起来的理论。这类理论被相当夸张地命名为“大统一理论”或简称
为GUT。因为它们既非那么伟大，也没有完全统一，还由于它们具有一些诸如耦合
常数和质量等等不确定的重正化参数，因此也不是完整的，所以这种命名是相当误
导的。尽管如此，它们也许是朝着完整统一的理论的有意义的一步。它的基本思想
是，虽然强相互作用的有效耦合常数在低能量下很大，但是由于渐近自由，它在高
能量下逐渐减小。另一方面，虽然萨拉姆──温伯格理论的有效耦合常数在低能量
下很小，但是由于该理论不是渐近自由的，它在高能量下逐渐增大。如果人们把在
低能量下的耦合常数的增加率和减少率向高能量方向延伸的话，就会发现这两个耦
合常数在大约1015吉电子伏能量左右变成相等。（一吉电子伏即是十亿电子伏。这
大约是一颗氢原子完全转变成能量时所释放出的能量。作为比较，在像燃烧这样的
化学反应中释放出的能量只具有每原子一电子伏的数量级。）大统一理论提出，在
比这个更高的能量下，强相互作用主和弱电相互作用相统一，但是在更低的能量下
存在自发对称破缺。

　　1015吉电子伏能量远远超过目前的任何实验装置的范围。当代的粒子加速器能
产生大约10吉电子伏的质心能量，而下一代会产生100吉电子伏左右。这对于研究
根据萨姆──温伯格理论电磁力应和弱力统一的能量范围将是足够的，但是它还远
远低于实现弱电相互作用和强相互作用被预言的统一的能量。尽管如此，在实验室
中仍能检验大统一理论的一些低能下的预言。例如，理论预言质子不应是完全稳定
的，它必须以大约1031年的寿命衰减。现在这个寿命的实验的低限为1030年，这应
该可以得到改善。

　　另一个可观测的预言是宇宙中的重子光子比率。物理定律似乎对粒子和反粒子
一视同仁。更准确地讲，如果粒子用反粒子来替换，右手用左手来替换，以及所有
粒子的速度都反向，则物理定律不变。这被称作CPT定理，并且[它是在任何合理的
理论中都应该成立的基本假设的一个推论。然而地球，其实整个太阳系都是由质子
和中子构成，而没有任何反质子或反中子。的确，这种粒子和反粒子间的不平衡正
是我们存在的另一个先决条件。因为如果太阳由等量的粒子和反粒子所构成，它们
相互湮灭殆尽，而只遗留下辐射。我们可以从从未观测到这种湮灭辐射的证据得出
结论，我们的星系完全是由粒子而不是由反粒子组成的。我们没有其他星系的直接
证据，但是它们似乎很可能是由粒子构成的，而且在整个宇宙中存在粒子比反粒子
的大约每108个光子─颗粒子的过量。人们可以采用人择原理对此进行解释，但是
大统一理论实际上提供了一种可能的机制来解释这个不平衡。虽然所有相互作用似
乎都在C（粒子用反粒子来取代），P（右手改变成左手）以及T（时间方向的反演
）的联合作用下不变，人们已经知道，有些作用在T单独作用下不是不变。在早期
宇宙，膨胀给出非常明显的时间箭头。这些相互作用产生的粒子就会比反粒子多。
然而它们产生的数量太过依赖于模型，使得和观测的相符根本不能当作大统一理论
的证实。

　　迄今为止的大部分努力是用于统一前三种物理相互作用，强核力、弱核力以及
电磁力。第四种也就是最后一种的引力被忽略了。为这么做的一个辩护理由是，引
力是如此之微弱，以至于量子引力效应只有在粒子能量远远超过任何粒子加速器的
能量下才会显著起来。另一种原因是，引力似乎是有可重正化的。人们为了得到有
限的答案，就必须作无限个无限扣除，并相应地留下无限个不能确定的有限余量。
然而，如果人们要得到完全统一的理论，就必须把引力包括进来。此外，广义相对
论的经典理论预言，在时空中必须存在引力场在该处变成无限强大的奇性。这些奇
性在过去发生在宇宙的现在膨胀的起点（大爆炸），在将来会发生在恒星还可能宇
宙本身的引力坍缩之中。关于奇性的预言表明经典理论将会失效。然而，在引力场
强到使量子引力效应变得重要以前，似乎没有理由认为它会失效。这样，为了描述
早期宇宙并对初始条件给出有别于仅仅借助于人择原理以外的解释，则量子引力论
具有根本的重要性。

　　这样的一种理论对于回答如下问题也是不可或缺的：时间是否正如经典广义相
对论所预言的那样，真的有起始而且可能有终结吗？抑或在大爆炸和大挤压处的奇
性以某种方式被量子效应所抹平？当空间和时间结构本身必须服从不确定性原理时
，这是个很难给出确切含义的问题。我个人的直觉是，奇性也许仍然存在，虽然人
们在某种数学意义上可以把时间延拓并绕过这些奇点。然而，任何和意识或进行测
量能力相关的时间的主观概念都会到达终点。　　

　　获得量子引力论并和其他三类相互作用统一的前景如何呢？人们寄最大希望于
把广义相对论推广到所谓的超引力。在这个框架中，携带引力相互作用的自旋为2
的粒子，引力子可由所谓的超对称变换和其他一些具有更低自旋的场相关联。这种
理论具有一个伟大的功绩，即它抛弃由半整数自旋粒子代表的”物质”和整数自旋
粒子代表的“相互作用”之间的古老的二分法。它还具有伟大优点是，量子理论中
产生的许多无穷大会相互作用抵消。它们是否完全被抵消掉而给出一种不用做任何
无限扣除的有限理论尚在未定之天。人们希望事情果真如此。因为可以证明，包含
引力的理论要么是有限的，要么是不可重正化的，也就是说，如果人们要做任何无
限扣除，那么你就要做无限个无限扣除，并且留下无限个相应的不能确定的余量。
这样，如果在超引力中所有的无穷大都被相互抵消掉，我们就得到一种理论，它不
仅完全统一了所有的粒子和相互作用，而且在它不再有任何未确定的重正化参数的
意义上是完整的。