Astronomy 版 (精华区)

　　尽管我们还没有一种合适的量子引力论，且不说把它和其他相互作用统一起来
的理论，但是我们的确知道这种理论应有的某些特征。其中之一和引力影响时空的
因果结构的事实相关，也就是引力决定哪些事件可以是因果相关的。黑洞便是广义
相对论的经典理论中的一个例子。黑洞是时空的一个区域，这个区域中的引力场是
如此之强大，以至于任何光线或者其他信号都被拖曳回到这个区域，而不能逃逸到
外部世界去。黑洞附近的强大的引力场引起粒子反粒子对的创生，粒子对中的一颗
粒子落进黑洞，而另一颗逃逸到无穷远去。逃逸的粒子显得是从该黑洞发射出来似
的。在离开黑洞远处的观察者就只能测量到发射出来的粒子，而且由于他不能观察
到落到黑洞中去的粒子，所以不能把这两者相关联。这表明逃逸的粒子具有超越通
常和不确定性原理关联的额外的随机性和不可预见性。在正常情况下，不确定性原
理的含义是，对于一颗粒子人们要么能明确预言其位置，要么能明确预言其速度，
要么能明确预言其位置和速度的组合。这样，粗略地讲，人们做明确预言的能力被
减半了。但是在从黑洞发射出的粒子的情形，就人们不能观察在黑洞中会发生什么
而言，人们既不能明确预言发射出的粒子的位置，也不能明确预言其速度。人们所
能给出的一切只是以一定模式发射出的粒子的概率。

　　因此，即便我们找到了一种统一理论，我们似乎也只能作统计的预言。我们还
必须抛弃只存在我们所观测的唯一宇宙的观点。相反的，我们必须采纳这样的一幅
图像，存在所有可能的宇宙的系综，这些宇宙具有某种概率分布。这也许可以解释
为什么宇宙在大爆炸时以一种几乎完美的热平衡的状态开始。这是因为热平衡对应
于最大数目的微观形态，因此具有最大的概率。我们可以修正伏尔泰的哲学家潘格
洛斯的名言：“我们生活在所有可以允许的最有可能的世界中。”

　　我们在不太远的将来找到一种完整的统一理论的前景如何呢？在我们每一次把
自己的观测推广到更小尺度和更高能量时，我们总是发现了新的结构层次。本世纪
初，具有3×10-2电子伏典型能量的粒子的布朗运动表明，物体不是连续的，而是
由原子所组成的。之的不久，人们发现原先以为看不见的原子是由绕着一个核的电
子所构成，其能量为几电子伏。人们接着发现核子是由所谓的基本粒子质子和中子
组成，它们由数量级为106电子伏的核键捆绑在一起。这个故事的最新插曲是，我
们发现质子和中子是由夸克所组成，它们由能量为数量级109电子伏的键捆绑在一
起。现在我们需要极其庞大的机器并花费大量金钱去进行结果不能预言的实验，理
论物理在这条路上已经走得如此之远，真是令人不用感慨。

　　我们过去的经验暗示，在越来越高的能量下也许存在结构层次的无限序列。这
种盒子套盒子的无限层次正是中国在“四人帮”时代的正统说法。然而，引力似乎
应提供一种极限，但那只是在10-33厘米的非常短的距离尺度或者1028电子伏的非
常高的能量下。在比这更短的尺度下。人们预料时空行为不再像光滑的连续统那样
，由于引力场的量子起伏，它会采取一种泡沫状的结构。

　　在我们现在大约为1010电子伏和1028电子伏的引力截断之间还有一个广阔的待
探索的区域。正如大统一理论那样，假设在这个巨大的区间只有一二个结构层次也
许是天真的。然而，存在一些乐观的理由。至少在此刻情形似乎是，引力只能在某
种超引力理论中可与其他的物理相互作用统一。只存在有限数目的这种理论。尤其
是存在一种最大的理论，即所谓的N=8的推广超引力。它包括一种引力子，八种自
旋为3/2的叫做引力微子的粒子，二十八种自旋为1的粒子，五十六种自旋为1/2的
粒子，还有七十种自旋为0的粒子，它们就是具有这么大的数目，还是不足以计及
我们似乎在弱和强相互作用中观测到的所有粒子。例如，N=8的理论有二十八种自
旋为1的粒子。这对于解释携带强相互作用的胶子以及携带弱相互作用的四种粒子
中的二种已经足够，但是不能说明其余的两种。因此人们不得不相信，观测到的粒
子中的许多或者大多数，例如，胶子或者夸克不像它们此刻所显示的那样，不是真
正基本的，它们是基本的N=8粒子的束缚态。如果我们基于目前的经济趋向作计划
，在可见的将来甚至永远都不太可能拥有足够强大的加速器去检测这些复合结构。
尽管如此，这些束缚态是从很好定义的N=8理论产生的事实，可让我们做一些预言
，这些预言可以在现在或者最近的将来能够达到的能量上得到验证。这种情形和萨
拉姆──温伯格的弱电统一理论很类似。尽管我们还没有达到弱电统一应该发生的
能量，因为它的低能预言和观测符合得这么好，所以人们现在已经广泛地接受了它
。

　　关于描述宇宙中的理论必定有某些非常奇异的东西。为什么这种理论得以实现
，而其他理论只能存在于其发明者的头脑之中呢？N=8超引力理论确有一些非常独
特之处。它似乎是满足以下条件的仅有的理论：

　　1．它是在四维之中；

　　2．它把引力包括了进去；

　　3．它是有限的，不必进行任何无限扣除。

　　我已经指出过，如果我们要有一种没有参数的完整理论，第三种性质是不可缺
少的。然而，不借助于人择原理来解释性质1和性质2就很困难。似乎存在满足性质
1和3的，但是不包含引力的一种协调的理论。然而，在这样的一个宇宙中可能没有
足够的吸引力使物质结团，它对复杂结构的发展也许是必要的。时空为何是四维的
通常被认为是物理学范畴之外的问题。然而人择原理也可以为此提供一个好的论证
。三维的时空维数──我是说二维空间和一维时间──对于任何复杂机体肯定是不
够的。另一方面，如果空间维数超过三。围绕太阳公转的行星或者围绕原子核旋转
的电子的轨道就变成了不稳定，它们就会以螺旋的轨道向中心趋近。还存在时间维
数比一更大的可能性，但是我本人发现这种宇宙难以想象。

　　迄今为止，我已隐含地假定存在一种终极理论，事情真的是这样的吗？至少存
在三种可能性：

　　1．存在一种完整的统一理论。

　　2．不存在终极理论，但是存在理论的无限序列，只要采取这个理论之链的足
够远的一环，就能对任何特定种类的观测作出预言。

　　3．不存在理论。在某种程度之后，人们无法描述或者预言观测，这些观测只
不过是任意的。

　　这第三种论断是作为和十七、十八世纪的科学家相对抗的观点提出的：他们怎
么能提出定律来剥夺上帝改变主意的自由呢？尽管如此，他们这么做了，并且没有
惹到什么麻烦。因为量子力学本质是关于我们不知道和不能预言的事物的理论，所
以现在我们可以把可能性3合并到这个框架中，从而有效地消除了可能性3。

　　可能性2归结为在越来越高能量下的结构的无限序列。正如我早先说过的，这
似乎是不太可能的，因为人们预料在1028电子伏的普郎克能量处有一个截断。这样
只给我们留下可能性1。在此刻N=8超引力理论是可见的唯一候选者。人们在几年之
内会作一些关键的计算，其结果也许证明该理论不行。如果该理论经受得了这些检
验，似乎还需几年才能发展出计算方法使我们能做预言，而且能解释宇宙的初始条
件以及局部科学定律。这些将是以后二十多年内理论物理学家的突出的课题。但是
在结束之前我愿提出一个小小的警告，也许给他们留下的时光比这个也多不了多少
了。现在计算机是研究的好助手，但是它们必须服从人类的指挥。然而，如果人们
延伸它们现代发展的突飞猛进的速度，很可能会把理论物理完全取代掉。这样情形
也许会变成，如果不是理论物理已经接近尾声的话，便是理论物理学家的生涯已经
接近尾声了。