终极理论之梦

对物质世界统一性的追求，是物理学研究最深层的心理动力。牛顿力学统一描述了天体和地上物体的运动。麦克斯韦的电磁场理论不仅统一描述了电和磁，而且把光作为电磁波纳入其中。爱因斯坦的狭义相对论在运动学的水平上统一了牛顿力学和麦克斯韦的电磁理论。广义相对论本质上是一种引力场理论，在其成功之后爱因斯坦致力于引力场与电磁场统一的理论，几十年的努力为获成功。但他所开辟的统一场论方向，在原子核的强力和弱力发现后，在粒子物理学的研究中承继了爱因斯坦的遗志。在夸克-轻子模型的基础上，已基本完成了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论，被称为粒子物理的标准模型。在弱电统一理论成功的激励下，把强相互作用包括在内的大统一理论和进一步再把引力纳入其中的超统一理论，再数学的水平上也获得了很大的成功，这就是朝弦理论。这与物理学家们的理想已经很接近了——从一个简单的基本原理出发，建造一座宏伟的理论大厦。

●爱因斯坦的统一场论之梦

爱因斯坦统一引力和电磁力的理论研究视为他的相对论研究发展的第三阶段，它不仅要把电磁场和引力场统一起来，而且要把相对论和量子论统一起来，为物理学的未来发展提供合理的理论基础。他孤独自信地探索了近40年，耗费去了他半生的精力也从未懊悔。

开始的一些年爱因斯坦并不孤单，有一些数学家也在想爱因斯坦所想的问题，其中包括米勒（1868—1957）的非线性电动力学统一场方案（1915年）、韦耳（1885—1955）的几何化的统一场方案（1918年）、卡鲁查（1885—1954）的出五维流形统一场方案（1919年），并且在韦耳工作的影响下1921年出现了一系列韦韦统一场的修正方案和爱丁顿的仿射统一场论。爱因斯坦1922年发表的第一篇统一场论文是关于卡鲁查五维场论的，1923年他又转向爱丁顿的仿射场研究并得出任何广义协变必要求电荷对称性。从1925年感到韦耳和爱丁顿的方向不会得到物理上有用的结果而开始另循新方向。在其后直至他逝世的30年间，爱因斯坦几乎把他科学工作的全部精力都投入到统一场论研究。1928年他转向统一场的纯数学研究，1929年完成《关于统一场论》曾使他兴奋一时。1936年他得到了一个不带奇点的场方程，认为有望达到统一场论。1945年发表《相对性引力论的一种推广》，逻辑上的成功令他满意，但物理上仍有许多困难。1948年他已意识到成功无望，“我完成不了这项工作了，它将被遗忘，但将来会被重新发现”。1950年他发表《非对称场的相对性理论》，作为统一场论30年探索的最后成果仍不具有物理意义。1953年爱因斯坦在为他74岁生日所举行的记者招待会上对他的统一场论研究作了这样的总结：“广义相对论刚一完成，也就是1916年，出现了一个内容如下的新问题。广义相对论极其自然地导出了引力场论，但是未能找到任何一种场的相对性理论。从那时以来，我尽力寻找引力定律的最自然的相对论性的概括，希望这个概括性的定律将是一个场的普遍理论。在后来的年代里，我成功地获得了这一概括，弄清了问题的形式方面，找到了必须的方程。但是数学上的困难不容许从这些方程中得出可以同观察对比的结论。在我有生之年，完成这件事希望甚微。”

1953年海森伯提出一个非线性旋量场方程，企图从它导出基本粒子的质量谱并解释它们之间的相互作用，但未成功。翌年，1954年杨振宁和米耳斯把韦耳的规范场推广，开辟了用规范原理统一各种基本相互作用的新途径。1955年2月这位几近生命尽头古稀老人，在答复老友劳厄要请他出席在柏林召开的纪念相对论50周年大会时写到：“年迈力衰与疾病缠身使我不可能出席，并且说实话，我感谢命运：一切同纪念个人有关的事，我一概都不参与。在这种场合，应该谈谈有许多人参加的并且远未完成的思想发展……如果说长期探索使我有所得的话，那就是这样一个结论：我离大部分现代人（你我不包括在内）自以为已经理解了的基本过程的理解太远了，而且隆重的庆祝同现代的形势也不相称。”

1959年，海森伯专门写了一篇评论爱因斯坦统一场研究的论文《对爱因斯坦统一场论纲要的意见》，其中分析了他的失败：“这个气势宏伟的尝试似乎一开始就注定要失败。在爱因斯坦致力于统一场论的那段时间里，新的基奔粒子不断被发现，而与此同时也发现了与之相应的新的场。其结果，对于实现爱因斯坦的纲要来说，还不具备牢固的实验基础，爱因斯坦的努力也就没有什么令人信服的成果。”这是说爱因斯坦的失败是客观的悲剧。爱因斯坦呕心沥血40年而没能成功，但他的探索也并非徒劳无益。前苏联著名物理学家约飞评价说：

“如果说这献身于统一场论的最后30年并未留下一些有用的成果的话，但却激发了许多深邃的思想而且为此后的物理学提出了一系列的问题。

由于爱因斯坦受到当时物理学发展水平的限制，他的统一场没有取得富有物理意义的结果。但他对自然作一个统一描述的梦想，已经照亮了当代物理学家探索宇宙规律，找出最根本最简单本质的道路。”

从1960年代开始，在统一场论思想指导下探索弱相互作用和电磁相互作用的统一描述，经许多物理学家20多年的努力终于获得了成功。这种成功又激励着物理学家们致力于包括强相互作用在内的大统一理论以及进一步把引力作用也统一进来的超统一理论。

●弱电统一理论

统一场理论研究是在量子场论和规范原理指导下前进的。所谓量子场论，简单地说就是每一种粒子对应一种量子场，真空是量子场的基态，而激发态则表现为粒子。因而粒子之间的相互作用，就用相应的量子场间的相互作用来描述。而所谓的规范原理，简单地说就是，粒子之间的任何相互作用都要以一种规范场为媒介，而严格地说，指理论从普遍对称转到局部对称要引进新场。

在探求引力和电磁力统一的几何场论中，韦耳首先使用了规范场的方法，把电磁场处理成阿贝尔规范场，光子就是规范场量子，带电粒子间的相互作用通过交换光子实现。韦耳对后世的启发不在于他的理论结论，而在于他的理论的规范场方法。1954年杨振宁与罗伯特·米尔斯把电磁场的阿贝尔规范理论推广为非阿贝尔规范理论，迈出统一基本相互作用的决定性一步。但是，杨-米尔斯理论在10年以后才受到物理学家们的普遍重视，成为建立弱相互作用理论、强相互作用理论以及各种基本相互作用统一理论等一系列工作的起点。

物理学家们明确了建立规范场理论的基本方向，弱相互作用、强相互作用和引力相互作用，也要像电磁相互作用交换光子那样交换相应的规范场量子。但是，在非阿贝尔规范理论中，规范场量子的零质量要求，成为电磁相互作用以外的其他三种基本相互作用描述的主要困难。统一基本相互作用的进展，同克服这类困难密切相关。对于弱相互作用，由于黑格斯机制的提出而得以解决，并从而实现了弱相互作用和电磁相互作用统一的理论描述。

早在1934年费米就提出了弱相互作用理论。在李政道和杨振宁关于弱相互作用宇称不守恒被吴健雄的实验证实以后，1958年费曼和盖尔曼等人又提出新的普适的弱相互作用理论，即V-A理论。这理论仍然费米型的，但区分了V和A两种矢量流。弱流是相当于电流的矢量V和轴矢量A的叠加。在唯象水平上，在低能近似下，这理论能成功地描述轻子—轻子、轻子—强子和强子—强子三类弱相互作用过程。在1960年代初，许多人注意到弱相互作用和电磁作用的类似性，类比电荷和电场引进弱荷和弱流来描述弱相互作用，与电磁相互作用传递者只有光子一种不同，弱相互作用需要三种质量非零的，自旋为1的规范玻色子—中间玻色子W+、W–和Z0。在数学上弱相互作用理论与电磁相互作用的不同在于，描述电磁相互作用对称群是U（1），而描述弱相互作用的对称群是SU（2）群。玻色子质量非零化是建立弱相互作用理论的拦路虎。在1961年，日本物理学家南部一郎等人把超导唯象理论中的自发破缺概念引入量子场论，而哥德斯通证明要系统的拉是函数自发破缺须有零质量和零自旋的粒子存在。1964年英国爱丁堡大学的黑格斯提出一种消除零质量粒子的方案，使得问题有所进展。

在对称自发破缺和黑格斯机制思想的基础上，哈佛大学的温伯格（Stenven Weinberg，1933—）于1967年，国际理论物理学中心的巴基斯坦物理学家萨拉姆（Abdus Salamm，1926—）于1968年，分别提出了只描述轻子的弱电统一理论。它要求四个矢量玻色子，其中的一个对应电磁光子，其余三个都对应弱相互作用，其中的两个荷电，另一个对应于预言为弱中性流。在数学SU（2）U（1）群描述。这个模型包含四个基本规范场，在自发破缺发生前，它们都是无质量的，自发破缺使它们使得三个玻色子获得质量。1970年格拉肖（Shenldon Glachow，1932—）等人将温伯格和萨拉姆的理论推广到包括强子的相互作用，表明强子的弱流和电磁可以用四夸克模型正确地加以描述。从而形成了一个比较完善的温伯格—萨拉姆—格拉肖弱电统一理论。1973年理论预言的中性流为欧洲核子中心发现，1974年布鲁克海文实验室和斯坦福直线加速器中心发现的J/Ψ粒子证实了四夸克模型的正确性。温伯格、萨拉姆和格拉肖分享了1979年的诺贝尔物理学奖。1983年，C.鲁比亚实验小组又在高能质子-反质子对撞机中发现了三种规范玻色子，弱电统一理论得到了充分的实验支持。

在夸克-轻子模型基础上建立起来的弱电统一理论，被称为粒子物理学的标准模型。迄今为止，人们对物质基始所达到的可靠认识，就是由这一标准模型描述的。虽然还没有发现实验结果与标准模型理论有明显的不一致，但它也并非尽善尽美理论，仍存在很多基本疑难问题有待解决。为什么自然界中存在这么多种的轻子和夸克?为什轻子和夸克在质量上有如此大的差别?它们在相互转化中所遵从的对称性和对称性破坏规律的根源是什么?对这些问题，标准模型理论都还不能作出回答。而且，标准模型理论预言的黑格斯粒子和质子衰变，至今也没有实验上的证实。这样的一个标准模型理论作为基本理论远不能令人满意，深入探讨标准模型理论存在的基本问题和发展标准模型理论，寻找超出于标准模型的新物理和新的基本规律的努力正在进行中。

●超弦理论

在弱相互作用和电磁相互作用已经实现了理论上的统一以后，把强相互作用包括在内的大统一理论一直是物理学基础理论研究的重要目标。强相互作用的研究也是在杨-米尔斯场论的基础上发展的。1973年，霍夫特与.格罗斯（D.J.Gross）等人提出了描述强相互作用的理论——量子色动力学理论。在这个理论的数学特征是用SU（3）群描述其对称性它要求八种胶子在夸克之间传递强相互作用。胶子的交换在夸克和胶子自身之间产生的力是如此之强，以致想要把强子中的胶子和夸克分离进行单独观测是不可能的。这种夸克禁闭假说对观察不到孤立的夸克的现象给予了某种程度的解决。

大统一理论的基本思想是，建立一种把强弱电三种相互作用都包含在内的统一理论。1974年，乔治（Howard Georgi）和格拉肖，帕蒂（J.C.Pati）和萨拉姆分别提出两种不同的大统一模型，试图把统一的弱电理论与量子色动力学统一起来。大统一的基本数学特征是SU（3）U（2）U（1）。它要求12个规范场量子作为传递相互作用的玻色子，一个对应于传递电磁作用的光子，三个对应于传递弱相互作用的中间玻色子，8个对应于传递强相互作用的胶子。把引力也包含在内的统一理论称之为超统一，四种力只是一种统一力的四种不同表现方式。超统一还要求增加传递引力相互作用的引力子。1970年代发展起来的超引力理论和1980年代发展起来的超弦理论是对超统一两种探索。超引力理论提出了在费米子和玻色子之间的超对称，它将填平物质粒子和作用粒子之间的鸿沟。超弦理论认为物质的基元是一维弦，粒子是弦的振动模式。超弦理论是当今“终极理论梦”之旅的前锋，它作为一种包罗万象的理论，在数学上有着其他理论不可比拟的美学优势。

超弦理论有着非同寻常的历史。最早的弦理论是维尼齐亚诺（Gabirielle Veneziano）提出的，在1968——1970年作为解决强相互作用的一种方案问世。维尼齐亚诺的强子模型是描述一根弦的量子运动，作为连接着夸克的相互作用力的“橡皮筋”的运动。弦理论在早期一直被认为不过是粗略的近似，并且看来似乎只适合用于描述玻色子。1970年施瓦茨（John Schwarz）和尼夫厄（Andre Neveu）找到了描述费米子的弦理论，作为强子模型是它虽然取得了一定的成功，但到1974年量子色动力学提出并成功地描述了强相互作用以后，大多数人放弃了这一方向。但施瓦茨和谢尔克（Joel Scherk）合作发现弦理论描述引力子的可能性，似的它不至于由于被人完全遗弃而消亡。经过一些人10多年的努力，解决了几乎所有数学上的问题，发展成几乎所有物理学家都重视的优秀的物理学理论。因为它在协调相对论和量子力学方面迈出了重要的一步。

原始的弦理论的时空为26维，1971年经拉蒙特（Pierre Ramond）等人改进而降为10维。在这个基础上，1980年施瓦茨等人使理论具有了超对称性，使得能包含超引力理论，因而为超弦理论。弦理论的最重要的特点是，用一维弦曲线代替点（粒子），以描述四中基本相互作用。这弦可以不同的方式振动或摆动以及转动，其中的任何一种被认为是某种特殊类型的粒子，电子、光子、中微子、夸克、引力子等都不过是其中的一种振动模式。超弦理论预言存在所谓的影子（shadow matter）物质，它与我们知道的普通物质不发生相互作用，因而是不可见的。