Astronomy 版 (精华区)

　　如果我们不准备借助于人择原理，就需要某种统一理论来解释宇宙的初始条件
和各种物理参数值。然而，要一蹴而就地杜撰出一种包罗万象的完整理论是太困难
的（虽然这似乎不能阻止某些人这么做，我每周都从邮政收到两三种统一理论）。
相反的，我们要做的是寻找部分理论，它能描述在忽视或以简单方式去近似某些相
互作用下的情形。我们首先把宇宙的物质内容分成两个部分：“物质”即为诸如夸
克、电子和缪介子等粒子，以及“相互作用”诸如引力和电磁力等等。物质粒子由
具有半自旋的场来描写，它服从包利不相容原理，该原理保证同一状态下最多只能
有一颗同类的粒子。这就是我们能有不坍缩成一点或辐射到无穷远去的固体的原因
。物质要素又分成两组：由夸克组成的强子，以及包括其余的轻子。

　　相互作用被唯象地分成四个范畴。它们按照强度依序为：强核力，这只是强子
之间的相互作用；电磁力，它是在带电荷的强子和轻子之间的相互作用；弱核力，
它是在所有强子和轻子之间的相互作用；最后还有迄今为止最弱的，即引力，它是
在任何东西之间的相互作用。这些相互作用由整自旋的场所表示，这些场不服从包
利不相容原理。这表明它们在同一态上可有许多粒子。在电磁力和引力的情形下，
其相互作用还是长程的，这表明由大量物质粒子产生的场可以叠加起来，得到在宏
观尺度上能被检测到的场。正因为这些原因，它们首先获得为之发展的理论：十七
世纪牛顿的引力论，以及十九世纪马克斯韦的电磁理论。牛顿理论在整个系统被赋
以任何均匀的速度时保持不变，而马克斯韦理论定义了一个优越的速度──光速，
所以这两种理论在本质上是相互矛盾的。人们最后发现，牛顿引力论必须被修正，
使之和马克斯韦理论的不变性相协调。爱因斯坦在1915年提出的广义相对论达到了
这种目的。

　　引力的广义相对论和电磁力的马克斯韦理论是所谓的经典理论。经典理论牵涉
到至少在原则上可以测量到任意精度的连续变化的量。然而，当人们想用这种理论
去建立原子的模型时产生了一个问题。人们发现，原子是由一个很小的带正电荷的
核以及围绕它的带负电荷的电子云组成的。自然的假定是，电子绕着核公转，正如
地球绕着太阳公转一样。但是经典论预言，电子会辐射电磁波。这些波会携带走能
量，并因此使电子螺旋轨道撞到核上去，导致原子坍缩。

　　量子力学的发现克服了上述的困难。它的发现无疑是本世纪理论物理的最伟大
的成就。其基本假设是海森堡的不确定性原理，它是讲某些物理量的对，譬如讲一
颗粒子的位置和动量不能同时以无限的精度被测量。在原子的情形下，这表明处于
最低能态的电子不能静止地呆在核上。这是因为在这种情形下，其位置是精确定义
的（在核上），而且它的速度也被精确地定义（为零）。相反的，不管是位置还是
速度都必须围绕着核以某种概率分布抹平开来。因为电子在这种状态下没有更低能
量的状态可供跃迁，所以它不能以电磁波的形式辐射出能量。

　　在本世纪的二十年代和三十年代，量子力学被极其成功地应用到诸如原子和分
子的只具有有限自由度的系统中。但是，当人们尝试将它应用到电磁场时引起了困
难，电磁场具有两个自由度。这些自由度可被认为是一个谐振子，每个谐振子具有
各自的位置和动量。因为谐振子不能有精确定义的位置和动量，所以不能处于静止
状态。相反的，每个谐振子都具有所谓零点起伏和零点能的某一最小的量。所有这
些无限数目的自由度的能量会使电子的表现质量和电荷变成无穷大。

　　在本世纪四十年代晚期，人们发展了一种所谓的重正化步骤用来克服这个困难
。其步骤是相当任意地扣除某个无限的量，使之留下有限的余量。在电磁场的情形
，必须对电子的质量和电荷分别作这类无限扣除。这类重正化步骤在概念上或数学
上从未有过坚实的基础，但是在实际中却相当成功。它最大的成功是预言了氢原子
某些光谱线的一种微小位移，这被称为蓝姆位移。然而，由于它对于被无限扣除后
余下的有限的值从未做出过任何预言，所以从试图建立一个完整理论的观点看，它
不是非常令人满意的。这样，我们就必须退回到人择原理去解释为何电子具有它所
具有的质量和电荷。

　　在本世纪五十年代和六十年代，人们普遍相信，弱的和强的核力不是可重正化
的，也就是说，它们需要进行无限数目的无限扣除才能使之有限。这样遗留下无限
个理论不能确定的有限余量。因为人们永远不能测量所有这些无限个参量，所以这
样的一种理论没有预言能力。然而，1971年杰拉德·特符夫证明了电磁和弱相互作
用的一个统一模型的确是可重正化的，只要做有限个无限扣除。这个模型是早先由
阿伯达斯·萨拉姆和史蒂芬·温伯格提出的。在萨拉姆──温伯格理论中，光子这
个携带电磁相互作用的自旋为1的粒子和三种其他的自旋为1的称为W+，W-，Z0的伙
伴相联合。人们预言，所有这四种粒子在非常高的能量下的行为都非常相似。然而
，在更低的能量下人们所谓的自发对称破缺来解释如下事实，光子具有零静质量，
而W+、W-和Z0都具有大质量。该理论在低能下的预言和观测符合得十分好，这导致
瑞典科学院在1979年把诺贝尔物理奖颁给了萨拉姆、温伯格和谢尔登·格拉肖。格
拉肖也建立了类似的理论。然而，因为我们还没有足够高能量的粒子加速器，它能
在由光子携带的电磁力以及由W+、W-和Z0携带的弱力真正发生相互统一的范畴内检
验理论，所以正如格拉肖自己评论的，诺贝尔委员会这次实际上冒了相当大的风险
。人们在几年之内就会拥有足够强大的加速器，而大多数物理学家坚信，他们会证
实萨拉姆──温伯格理论。

　　萨拉姆──温伯格理论的成功诱使人们寻求强作用的类似的可重正化理论。人
们在相当早以前就意识到，质子和诸如π介子的其他强子不能是真正的基本粒子，
它们必须是其他，叫做夸克的粒子的束缚态。这些粒子似乎具有古怪的性质，虽然
它们能在一颗强子内相当自由地运动，人们却发现得不到单独夸克自身。它们不是
以三个一组地出现（如质子和中子），就是以包括夸克和反夸克的对出现（如π介
子）。为了解释这种现象，夸克被赋予一种称作色的特征。必须强调的是，这和我
们通常的色感无关，夸克太微小了，不能用可见光看到，它仅是一个方便的名字。
其思想是夸克带有三种色──红、绿和蓝──但是任何孤立的束缚态，譬如讲强子
必须是无色的，要么像是在质子中是红、绿和蓝的组合，要么像在π介子中是红和
反红、绿和反绿以及蓝和反蓝的混合。