第五章 基本粒子和自然的力 亞里士多德相信宇宙中的所有物質(zhì)是由四種基本元素即土、空氣、火和水組成
的。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢；浮力，這是
指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內(nèi)容分割成物質(zhì)和力的這種做法一直沿襲至今。
亞里士多德認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，也就是說，人們可以將物質(zhì)無限制地分割成越
來越小的小塊，即人們永遠(yuǎn)不可能得到一個(gè)不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾
個(gè)希臘人，例如德漠克里特，則堅(jiān)持物質(zhì)的固有的顆粒性，而且認(rèn)為每一件東西都
是由不同種類的大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是“不可分的”）。爭
論一直持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，任何一方都沒有任何實(shí)際的證據(jù)。直至1803年英國的化學(xué)
家兼物理學(xué)家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結(jié)合而成的。這一事實(shí)
可以用來解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀(jì)初這兩種學(xué)派的
爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個(gè)重要的物理學(xué)證據(jù)。1905年，
在他關(guān)于狹義相對論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在所發(fā)表的另一篇文章里指出，
所謂的布朗運(yùn)動(dòng)——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規(guī)的、隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)——可以
解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應(yīng)。
當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學(xué)三一
學(xué)院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。電子所具有的質(zhì)
量比最輕原子小1千倍。 他使用了一種和現(xiàn)代電視顯像管相當(dāng)類似的裝置：由一根
紅熱的金屬細(xì)絲發(fā)射出電子，由于它們帶負(fù)電荷，可用一電場去將其加速飛到一個(gè)
涂磷光物質(zhì)的屏幕上。電子一打到屏幕上就會(huì)產(chǎn)生一束束的閃光。人們很快即意識(shí)
到，這些電子必須從原子里出來。英國物理學(xué)家恩斯特·盧瑟福在1911年最后證明
了物質(zhì)的原子確實(shí)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它們是由一個(gè)極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著
它轉(zhuǎn)動(dòng)的一些電子組成。他是根據(jù)從放射性原子釋放出的帶正電荷的。粒子和原子
碰撞會(huì)引起的偏折這一現(xiàn)象，以及分析了此偏折的方式后而推出這一結(jié)論的。
最初，人們認(rèn)為原子核是由電子和不同數(shù)量的帶正電的叫做質(zhì)子的粒子所組成。
質(zhì)子是由希臘文中的“第一”演化而來的，因?yàn)橘|(zhì)子被認(rèn)為是組成物質(zhì)的基本單位。
然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發(fā)現(xiàn)，原子核還包含另
外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質(zhì)子一樣大的質(zhì)量但沒有帶電荷；查德威克因
此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，并選為劍橋龔維爾和凱爾斯學(xué)院（我即為該學(xué)院的研究員）院
長。后來，他因?yàn)楹推渌瞬缓投o去院長的職務(wù)。一群戰(zhàn)后回來的年輕的研究員
將許多已占據(jù)位置多年的老研究員選掉后，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以
前發(fā)生的；在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學(xué)院，當(dāng)時(shí)另一位獲諾貝爾獎(jiǎng)的院
長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。
直到20年以前，人們還總以為質(zhì)子和中子是“基本”粒子。但是，將質(zhì)子和另
外的質(zhì)子或電子在高速度下碰撞的實(shí)驗(yàn)表明，它們事實(shí)上是由更小的粒子構(gòu)成的。
加州理工學(xué)院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由于對夸克的研究，他獲得
1969年的諾貝爾獎(jiǎng)。 此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語： “Three quarks
for Muster Mark！ ”夸克這個(gè)字應(yīng)發(fā)夸脫的音，但是最后的字母是k而不是t，通
常和拉克（云雀）相押韻。
存在有幾種不同類型的夸克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱
之為上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍(lán)。（必須
強(qiáng)調(diào)，這些術(shù)語僅僅是記號(hào)：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有
任何顏色。這只不過是現(xiàn)代物理學(xué)家更富有想像力地去命名新粒子和新現(xiàn)象而已—
—他們不再將自己限制于只用希臘文?。┮粋€(gè)質(zhì)子或中子是由三個(gè)夸克組成，每個(gè)
一種顏色。一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克；一個(gè)中子包含兩個(gè)下夸克和一
個(gè)上夸克。我們可用其他種類的夸克（奇、魅、底和頂）構(gòu)成粒子，但所有這些都
具有大得多的質(zhì)量，并非?？斓厮プ兂少|(zhì)子和中子。
現(xiàn)在我們知道，不管是原子還是其中的質(zhì)子和中子都不是不可分的。問題在于
什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬物的最基本的構(gòu)件？由于光波波長比原子的
尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個(gè)原子的部分，而必須用某些
波長短得多的東西。正如我們在上一章所看到的，量子力學(xué)告訴我們，實(shí)際上所有
粒子都是波動(dòng)， 粒子的能量越高，J則其對應(yīng)的波動(dòng)的波長越短。所以，我們能對
這個(gè)問題給出的最好的回答，取決于我們的設(shè)想中所能得到多高的粒子能量，因?yàn)?br>這決定了我們所能看到的多小的尺度。這些粒子的能量通常是以稱為電子伏特的單
位來測量。（在湯姆遜的電子實(shí)驗(yàn)中，我們看到他用一個(gè)電場去加速電子，一個(gè)電
子從一個(gè)伏特的電場所得到的能量即是一個(gè)電子伏特。）19世紀(jì)，當(dāng)人們知道如何
去使用的粒子能量只是由化學(xué)反應(yīng)——諸如燃燒——產(chǎn)生的幾個(gè)電子伏特的低能量
時(shí)，大家以為原子即是最小的單位。在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)中，α粒子具有幾百萬電子伏
特的能量。更近代，我們知道使用電磁場給粒子提供首先是幾百萬然后是幾十億電
子伏特的能量。這樣我們知道，20年之前以為是“基本”的粒子，原來是由更小的
粒子所組成。如果我們用更高的能量時(shí)，是否會(huì)發(fā)現(xiàn)這些粒子是由更小的粒子所組
成的呢？這一定是可能的。但我們確實(shí)有一些理論的根據(jù)，相信我們已經(jīng)擁有或者
說接近擁有自然界的終極構(gòu)件的知識(shí)。
用上一章討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。
這些粒子有一種稱為自旋的性質(zhì)。自旋可以設(shè)想成繞著一個(gè)軸自轉(zhuǎn)的小陀螺。但這
可能會(huì)引起誤會(huì)，因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子并沒有任何很好定義的軸。粒子的
自旋真正告訴我們的是， 從不同的方向看粒子是什么樣子的。一個(gè)自旋為0的粒子
像一個(gè)圓點(diǎn)： 從任何方向看都一樣（圖5.1－i）。而自旋為1的粒子像一個(gè)箭頭：
從不同方向看是不同的（圖5.1-ii） 。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)過完全的一圈（360°）時(shí)，
這粒子才顯得是一樣。 自旋為2的粒子像個(gè)雙頭的箭頭（圖5.1－iii）：只要轉(zhuǎn)過
半圈（180°） ，看起來便是一樣的了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉(zhuǎn)了整圈的
更小的部分后，看起來便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當(dāng)，但驚人的事
實(shí)是，有些粒子轉(zhuǎn)過一圈后，仍然顯得不同，你必須使其轉(zhuǎn)兩整圈！這樣的粒子具
有1／2的自旋。
圖5.1
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質(zhì)的自旋為1／2的粒子；
在物質(zhì)粒子之間引起力的自旋為0、 1和2的粒子。物質(zhì)粒子服從所謂的泡利不相容
原理。這是奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)?#183;泡利在1925年發(fā)現(xiàn)的，他并因此獲得1945年
的諾貝爾獎(jiǎng)。他是個(gè)模范的理論物理學(xué)家，有人這樣說，他的存在甚至?xí)雇怀?br>市里的實(shí)驗(yàn)出毛??！泡利不相容原理是說，兩個(gè)類似的粒子不能存在于同一個(gè)態(tài)中，
即是說，在不確定性原理給出的限制內(nèi)，它們不能同時(shí)具有相同的位置和速度。不
相容原理是非常關(guān)鍵的， 因?yàn)樗忉屃藶楹挝镔|(zhì)粒子在自旋為0、1和2的粒子產(chǎn)生
的力的影響下不會(huì)坍縮成密度非常之高的狀態(tài)的原因：如果物質(zhì)粒子幾乎在相同位
置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會(huì)長時(shí)間存在于同一處。如果世界
創(chuàng)生時(shí)不相容原理不起作用，夸克將不會(huì)形成不相連的、很好定義的質(zhì)子和中子，
進(jìn)而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定義的原子。所有它們都會(huì)坍縮形成
大致均勻的稠密的“湯”。
直到保爾·狄拉克在1928年提出一個(gè)理論，人們才對電子和其他自旋1／2的粒
子有了相當(dāng)?shù)睦斫狻５依撕髞肀贿x為劍橋的盧卡遜數(shù)學(xué)教授（牛頓曾經(jīng)擔(dān)任這一
教授位置，目前我擔(dān)任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學(xué)又和狹義相
對論相一致的理論。它在數(shù)學(xué)上解釋了為何電子具有1／2的自旋，也即為什么將其
轉(zhuǎn)一整圈不能、而轉(zhuǎn)兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它并且預(yù)言了電子必須有它
的配偶——反電子或正電子。1932年正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克的理論，他因此獲
得了1933年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?，F(xiàn)在我們知道，任何粒子都有會(huì)和它相湮滅的反粒子。
（對于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構(gòu)成的整個(gè)反世
界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會(huì)在一個(gè)
巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多？這是一個(gè)極端重要
的問題，我將會(huì)在本章的后部分回到這問題上來。
在量子力學(xué)中，所有物質(zhì)粒子之間的力或相互作用都認(rèn)為是由自旋為整數(shù)0、1
或2的粒子承擔(dān)。 物質(zhì)粒子——譬如電子或夸克——發(fā)出攜帶力的粒子，由于發(fā)射
粒子所引起的反彈，改變了物質(zhì)粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質(zhì)粒子碰撞
從而被吸收。這碰撞改變了第二個(gè)粒子的速度，正如同兩個(gè)物質(zhì)粒子之間存在過一
個(gè)力。
攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個(gè)重要的性質(zhì)。這表明它們
能被交換的數(shù)目不受限制，這樣就可以產(chǎn)生根強(qiáng)的力。然而，如果攜帶力的粒子具
有很大的質(zhì)量，則在大距離上產(chǎn)生和交換它們就會(huì)很困難。這樣，它們所攜帶的力
只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子質(zhì)量為零，力就是長程的了。在物質(zhì)
粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子，因?yàn)樗鼈儾幌?#8220;實(shí)”粒子那樣可以用粒
子探測器檢測到。但我們知道它們的存在，因?yàn)樗鼈兙哂锌蓽y量的效應(yīng)，即它們引
起了物質(zhì)粒子之間的力， 并且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實(shí)粒子而存
在，這時(shí)它們可以被直接探測到。對我們而言，此刻它們就呈現(xiàn)出為經(jīng)典物理學(xué)家
所說的波動(dòng)形式，例如光波和引力波；當(dāng)物質(zhì)粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而
相互作用時(shí)，它們有時(shí)就可以被發(fā)射出來。（例如，兩個(gè)電子之間的電排斥力是由
于交換虛光子所致，這些虛光子永遠(yuǎn)不可能被檢測出來；但是如果一個(gè)電子穿過另
一個(gè)電子，則可以放出實(shí)光子，它以光波的形式為我們所探測到。）
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強(qiáng)度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必
須強(qiáng)調(diào)指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便于建立部分理論，
而并不別具深意。大部分物理學(xué)家希望最終找到一個(gè)統(tǒng)一理論，該理論將四種力解
釋為一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。確實(shí)，許多人認(rèn)為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標(biāo)。最
近，將四種力中的三種統(tǒng)一起來已經(jīng)有了成功的端倪——我將在這章描述這些內(nèi)容。
而關(guān)于統(tǒng)一余下的另一種力即引力的問題將留到以后再討論。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量
而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有
兩個(gè)特別的性質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會(huì)作用到非常大的距離
去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個(gè)巨大的物體中，所有的粒
子之間的非常弱的引力能迭加起來而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。另外三種力或者由于是短
程的，或者時(shí)而吸引時(shí)而排斥，所以它們傾向于互相抵消。以量子力學(xué)的方法來研
究引力場， 人們把兩個(gè)物質(zhì)粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子
所攜帶。它自身沒有質(zhì)量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以
歸結(jié)為構(gòu)成這兩個(gè)物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們
確實(shí)產(chǎn)生了可測量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽公轉(zhuǎn)！實(shí)引力構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)
家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——并且要探測到它是如此之困難，以致于
還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和
不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。 它比引力強(qiáng)得多：兩個(gè)電子之間的電
磁力比引力大約大100億億億億億（在1后面有42個(gè)0） 倍。然而，共有兩種電荷—
—正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一
個(gè)大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子
之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個(gè)物體之間純粹的電磁力非常小。然
而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中
的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球繞著太陽
旋轉(zhuǎn)一樣。 人們將電磁吸引力描繪成是由于稱作光子的無質(zhì)量的自旋為1的粒子的
交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個(gè)允許軌道改
變到另一個(gè)離核更近的允許軌道時(shí)，以發(fā)射出實(shí)光子的形式釋放能量——如果其波
長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。
同樣，如果一個(gè)光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動(dòng)到較遠(yuǎn)的
軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1／2的物質(zhì)粒
子， 而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝
國學(xué)院的阿伯達(dá)斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)
一理論后， 弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動(dòng)，可與100年前
馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。溫伯格——薩拉姆理論認(rèn)為，除了光子，還
存在其他3個(gè)自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色子的粒子， 它們攜帶弱力。它們叫W＋
（W正）、W－（W負(fù)）和Z0（Z零），每一個(gè)具有大約100吉電子伏的質(zhì)量（1吉電子
伏為10億電子伏）。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對稱破缺的性質(zhì)。它表明在低能量下
一些看起來完全不同的粒子，事實(shí)上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所
有這些粒子都有相似的行為。這個(gè)效應(yīng)和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能
量下（當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時(shí)），這球的行為基本上只有一個(gè)方式——即不斷地滾動(dòng)
著；但是當(dāng)輪子慢下來時(shí)，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的
一個(gè)里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個(gè)不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，
我們只能在低能下觀察球，我們就會(huì)認(rèn)為存在37種不同類型的球！
在溫伯格——薩拉姆理論中， 當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100吉電子伏時(shí)，這三種新粒子
和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對
稱就被破壞了。W＋、W－和Z0得到了大的質(zhì)量，使之?dāng)y帶的力變成非常短程。薩拉
姆和溫伯格提出此理論時(shí)，很少人相信他們，因?yàn)檫€無法將粒子加速到足以達(dá)到產(chǎn)
生實(shí)的W＋、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里，在低
能量下這個(gè)理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好，以至于他們和也在哈佛的謝爾登
·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎(jiǎng)。格拉肖提出過一個(gè)類似的統(tǒng)一電磁和
弱作用的理論。由于1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發(fā)現(xiàn)了具有被正確預(yù)言的
質(zhì)量和其他性質(zhì)的光子的三個(gè)帶質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會(huì)避免了犯錯(cuò)誤的難
堪。領(lǐng)導(dǎo)幾百名物理學(xué)家作出此發(fā)現(xiàn)的卡拉·魯比亞和發(fā)展了被使用的反物質(zhì)儲(chǔ)藏
系統(tǒng)的cERN工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎(jiǎng)。（除非你已經(jīng)是巔
峰人物，當(dāng)今要在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)上留下痕跡極其困難?。?br>
第四種力是強(qiáng)作用力。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)
子和中子束縛在一起。一般認(rèn)為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強(qiáng)作用力。
它只能與自身以及與夸克相互作用。強(qiáng)核力具有一種稱為禁閉的古怪性質(zhì)：它總是
把粒子束縛成不帶顏色的結(jié)合體。由于夸克有顏色（紅、綠或藍(lán)），人們不能得到
單獨(dú)的夸克。反之，一個(gè)紅夸克必須用一串膠子和一個(gè)綠夸克以及一個(gè)藍(lán)夸克聯(lián)結(jié)
在一起（紅＋綠＋藍(lán)＝白）。這樣的三胞胎構(gòu)成了質(zhì)子或中子。其他的可能性是由
一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的對（紅＋反紅，或綠＋反綠，或藍(lán)＋反藍(lán)＝白）。這
樣的結(jié)合構(gòu)成稱為介子的粒子。介子是不穩(wěn)定的，因?yàn)榭淇撕头纯淇藭?huì)互相湮滅而
產(chǎn)生電子和其他粒子。類似地，由于膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單
獨(dú)的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團(tuán)，其迭加起來的顏色必須是白的。這
樣的團(tuán)形成了稱為膠球的不穩(wěn)定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個(gè)孤立的夸克或膠子，這事實(shí)使得將夸克和膠子當(dāng)
作粒子的整個(gè)見解看起來有點(diǎn)玄學(xué)的味道。然而，強(qiáng)核力還有一個(gè)叫做漸近自由的
性質(zhì)，它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強(qiáng)核力確實(shí)很強(qiáng)，
它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實(shí)驗(yàn)指出，在高能下強(qiáng)作用力
變得弱得多， 夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣。圖5.2是張一個(gè)高能質(zhì)子和一
個(gè)反質(zhì)子碰撞的照片。碰撞產(chǎn)生了幾個(gè)幾乎自由的夸克，并引起了在圖中可以看到
的“噴射”軌跡。
圖5.2 一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子在高能下碰撞，產(chǎn)生了一對幾乎自由的夸克。
對電磁和弱力統(tǒng)一的成功，使許多人試圖將這兩種力和強(qiáng)核力合并在所謂的大
統(tǒng)一理論（或GUT） 之中。這名字相當(dāng)夸張，所得到的理論并不那么輝煌，也沒能
將全部力都統(tǒng)一進(jìn)去，因?yàn)樗⒉话ΑＫ鼈円膊皇钦嬲暾睦碚?，因?yàn)樗?br>們包含了許多不能從這理論中預(yù)言而必須人為選擇去適合實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。盡管如此，
它們可能是朝著完全的統(tǒng)一理論推進(jìn)的一步。 GUT的基本思想是這樣：正如前面提
到的，在高能量時(shí)強(qiáng)核力變?nèi)趿?；另一方面，不具有漸近自由性質(zhì)的電磁力和弱力
在高能量下變強(qiáng)了。在非常高的叫做大統(tǒng)一能量的能量下，這三種力都有同樣的強(qiáng)
度， 所以可看成一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。在這能量下，GUT還預(yù)言了自旋為1／2
的不同物質(zhì)粒子（如夸克和電子）也會(huì)基本上變成一樣，這樣導(dǎo)致了另一種統(tǒng)一。
大統(tǒng)一能量的數(shù)值還知道得不太清楚， 可能至少有1千萬億吉電子伏特。而目
前粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞， 計(jì)劃建造的機(jī)器的能
量為幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統(tǒng)一能量的機(jī)器，其體積必須和太
陽系一樣大——這在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)環(huán)境下不太可能做到。因此，不可能在實(shí)驗(yàn)室里直接
證實(shí)大統(tǒng)一理論。然而，如同在弱電統(tǒng)一理論中那樣，我們可以檢測它在低能量下
的推論。
其中最有趣的是預(yù)言是，構(gòu)成通常物質(zhì)的大部分質(zhì)量的質(zhì)子能自發(fā)衰變成諸如
反電子之類更輕的粒子。其原因在于，在大統(tǒng)一能量下，夸克和反電子之間沒有本
質(zhì)的不同。正常情況下一個(gè)質(zhì)子中的三個(gè)夸克沒有足夠能量轉(zhuǎn)變成反電子，由于測
不準(zhǔn)原理意味著質(zhì)子中夸克的能量不可能嚴(yán)格不變，所以，其中一個(gè)夸克能非常偶
然地獲得足夠能量進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變，這樣質(zhì)子就要衰變?？淇艘玫阶銐蚰芰康母怕?br>是如此之低， 以至于至少要等100萬億億億年（1后面跟30個(gè)0）才能有一次。這比
宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1后面跟10個(gè)0） 要長得多了。因此，
人們會(huì)認(rèn)為不可能在實(shí)驗(yàn)上檢測到質(zhì)子自發(fā)衰變的可能性。但是，我們可以觀察包
含極大數(shù)量質(zhì)子的大量物質(zhì)，以增加檢測衰變的機(jī)會(huì)。（譬如，如果觀察的對象含
有1后面跟31個(gè)0個(gè)質(zhì)子， 按照最簡單的GUT，可以預(yù)料在一年內(nèi)應(yīng)能看到多于一次
的質(zhì)子衰變。）
人們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，可惜沒有一個(gè)得到質(zhì)子或中子衰變的確實(shí)證據(jù)。有
一個(gè)實(shí)驗(yàn)是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦里進(jìn)行的 （為了避免其他因宇宙射
線引起的會(huì)和質(zhì)子衰變相混淆的事件發(fā)生）。由于在實(shí)驗(yàn)中沒有觀測到自發(fā)的質(zhì)子
衰變，因此可以估算出，可能的質(zhì)子壽命至少應(yīng)為1千萬億億億年（1后面跟31個(gè)0）。
這比簡單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長。然而，一些更精致更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論
預(yù)言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。
盡管觀測質(zhì)子的自發(fā)衰變非常困難，但很可能正由于這相反的過程，即質(zhì)子或
更簡單地說夸克的產(chǎn)生導(dǎo)致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然
的方式——夸克并不比反夸克更多的狀態(tài)下產(chǎn)生的。地球上的物質(zhì)主要是由質(zhì)子和
中子，從而由夸克所構(gòu)成。除了由少數(shù)物理學(xué)家在大型粒子加速器中產(chǎn)生的之外，
不存在由反夸克構(gòu)成的反質(zhì)子和反中子。從宇宙線中得到的證據(jù)表明，我們星系中
的所有物質(zhì)也是這樣：除了少量當(dāng)粒子和反粒子對進(jìn)行高能碰撞時(shí)產(chǎn)生出來的以外，
沒有發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和反中子。如果在我們星系中有很大區(qū)域的反物質(zhì)，則可以預(yù)料，
在正反物質(zhì)的邊界會(huì)觀測到大量的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞、互
相湮滅并釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據(jù)表明其他星系中的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子還是由反質(zhì)子、反
中子構(gòu)成，但二者只居其一，否則我們又會(huì)觀察到大量由涅滅產(chǎn)生的輻射。因此，
我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構(gòu)成；看來，一些星系為物質(zhì)而另一
些星系為反物質(zhì)也是不太可能的。
為什么夸克比反夸克多這么多？為何它們的數(shù)目不相等？這數(shù)目有所不同肯定
使我們交了好運(yùn)，否則，早期宇宙中它們勢必已經(jīng)相互湮滅了，只余下一個(gè)充滿輻
射而幾乎沒有物質(zhì)的宇宙。因此，后來也就不會(huì)有人類生命賴以發(fā)展的星系、恒星
和行星。慶幸的是，大統(tǒng)一理論可以提供一個(gè)解釋，盡管甚至剛開始時(shí)兩者數(shù)量相
等，為何現(xiàn)在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經(jīng)看到的，大統(tǒng)一理論允許夸克
變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變
成反夸克和夸克。早期宇宙有一時(shí)期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉(zhuǎn)
變發(fā)生。但是，為何導(dǎo)致夸克比反夸克多呢？原因在于，對于粒子和反粒子物理定
律不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個(gè)叫做C、P和T的對稱。C（電荷）
對稱的意義是， 對于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇稱）對稱是指，對于任何
情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）定律不
變； T（時(shí)間）對稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運(yùn)動(dòng)方向，系統(tǒng)應(yīng)回到原
先的那樣；換言之，對于前進(jìn)或后退的時(shí)間方向定律是一樣的。
1956年， 兩位美國物理學(xué)家李政道和楊振寧提出弱作用實(shí)際上不服從P對稱。
換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發(fā)展。同一年，他們的一位同事吳健雄
證明了他們的預(yù)言是正確的。她將放射性元素的核在磁場中排列，使它們的自旋方
向一致，然后演示表明，電子在一個(gè)方向比另一方向發(fā)射出得更多。次年，李和楊
為此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 人們還發(fā)現(xiàn)弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構(gòu)
成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。盡管如此，看來弱力確實(shí)服從CP聯(lián)合對稱。也
就是說，如果每個(gè)粒子都用其反粒子來取代，則由此構(gòu)成的宇宙的鏡像和原來的宇
宙以同樣的方式發(fā)展！但在1964年，還是兩個(gè)美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費(fèi)
茲——發(fā)現(xiàn)， 在稱為K介子的衰變中，甚至連CP對稱也不服從。1980年，克羅寧和
費(fèi)茲為此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。（很多獎(jiǎng)是因?yàn)轱@示宇宙不像我們所想像的那么簡單而
被授予的?。?br>
有一個(gè)數(shù)學(xué)定理說，任何服從量子力學(xué)和相對論的理論必須服從CPT聯(lián)合對稱。
換言之，如果同時(shí)用反粒子來置換粒子，取鏡像和時(shí)間反演，則宇宙的行為必須是
一樣的?？肆_寧和費(fèi)茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，并且采用鏡像，但不
反演時(shí)間方向，則宇宙的行為于保持不變。所以，物理學(xué)定律在時(shí)間方向顛倒的情
況下必須改變——它們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：當(dāng)時(shí)間往前走時(shí)，宇宙膨脹；如果它往后退，
則宇宙收縮。 而且，由于存在著不服從T對稱的力，因此當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，相對于將
電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然后，當(dāng)宇宙膨脹并冷卻下來，
反夸克就和夸克湮滅，但由于已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。
正是它們構(gòu)成我們今天看到的物質(zhì)，由這些物質(zhì)構(gòu)成了我們自己。這樣，我們自身
之存在可認(rèn)為是大統(tǒng)一理論的證實(shí)，哪怕僅僅是定性的而已；但此預(yù)言的不確定性
到了這種程度，以至于我們不能知道在湮滅之后余下的夸克數(shù)目，甚至不知是夸克
還是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我們可以簡單地稱反夸克為夸
克，夸克為反夸克。）
大統(tǒng)一理論并不包括引力。這關(guān)系不大，因?yàn)橐κ侨绱酥?，以至于我們?br>理基本粒子或原子問題時(shí)，通?？梢院雎运男?yīng)。然而，它的作用既是長程的，
又總是吸引的，表明它的所有效應(yīng)是迭加的。所以，對于足夠大量的物質(zhì)粒子，引
力會(huì)比其他所有的力都更重要。這就是為什么正是引力決定了宇宙的演化的緣故。
甚至對于恒星大小的物體，引力的吸引會(huì)超過所有其他的力，并使恒星自身坍縮。
70年代我的工作是集中于研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強(qiáng)大
的引力場所產(chǎn)生的。正是黑洞研究給出了量子力學(xué)和廣義相對論如何相互影響的第
一個(gè)暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。
