不同尺度和能量的相互融合

某一日，希望你会成为我们的一员，世界将会更简单。

约翰·列侬（John Lennon）

力的影响力取决于你在哪儿

阿西娜常常觉得，她总是最后一个才知道发生了什么有趣的事。艾克开车的冒险经历，都快过去一个月了，阿西娜才听说，而且还不是艾克直接告诉她的——她是从朋友那儿听说的；朋友是听迪特尔的表哥的同学说的；同学是听迪特尔的表哥说的；迪特尔的表哥是听迪特尔说的。

就这么七绕八绕，阿西娜听到了艾克的话：“力的影响取决于你在哪儿。”这句古怪的话可把阿西娜弄糊涂了，不过到最后她才意识到，原话一定被误传了。想了一会儿后，她断定，艾克原话一定是：“保时捷的表现要看它是什么车型。”

我们会看到，阿西娜最初听到的言论是对的，粒子间的距离不同，发生的物理过程也不同。本章的内容是，这些在距离不同的粒子间发生的物理过程是怎样联系起来的，为什么像粒子质量、作用强度等物理量都要依赖于粒子的能量？这种对能量和距离的依赖关系，超出了经典力学中力对距离的依赖关系。例如，在经典物理学里，像引力强度一样，电磁场强度与作用物体间距离的平方成反比（平方反比定律）。但量子力学通过影响相互作用的强度，使得不同距离（以及能量）的粒子似乎在以不同的电荷相互作用，从而改变了距离依赖关系。

力随着距离的增大变弱或变强，从而产生虚粒子。所谓虚粒子是一种短暂存在的粒子，是量子力学和不确定性原理的结果。它会与规范玻色子相互作用并改变力，使得力的作用要依赖于距离。这就好像是阿西娜从朋友那里听到的艾克的话一样，随着传播路途的延长而被改变了。

量子场论告诉我们怎样计算虚粒子对力与距离和能量的依赖关系的影响。这些计算的一大成就是，解释了强力为何如此强大；还有另一有趣的发现：一定潜藏着一个大统一理论。在这一理论中，除引力之外的其他三种力尽管在低能量上差别巨大，但在高能量上却可能融合在一起，成为一个统一的力。我们即将探索这两个成果以及作为其基础的量子场论的思想和计算。

在看随后的几章时，请记住我们要讨论的不同的能标：大统一能标大约是1 000万亿GeV；而普朗克能标，比它还要大1 000倍，在这一能量上，引力变得强大起来；弱力能标则相对要小得多，当今的实验就在此能量上进行，它只有100～1 000 GeV。弱力能标相比大统一能标，就如一个玻璃球的直径与地球和太阳之间的距离相比。因此，有时我会称弱力能标为低能量[47]，尽管从实验角度来讲，这已经很高了，但相比大统一能标和普朗克能标，它实在是太小了。

从大到小

有效场理论将我们第1章讨论的有效理论的思想应用到量子场论，它们只集中研究有望探测到的能量和距离尺度。在特定能量或距离尺度适用的有效场理论，“有效地”描述了我们需要考虑的能量和尺度。它只关心那些当粒子具有某一特定（或更低）的能量时可能出现的力和相互作用，而忽略了不可达到的高能量。如果物理过程或粒子只出现在高不可攀的能量中，那么它便不会追根究底。

有效场理论的一大优点在于，即便你不知道在小距离上发生了什么相互作用，你仍可以研究在你感兴趣的尺度上有意义的物理量。实际上，你只需要考虑（在理论上）能探测的物理量即可。调颜料时，你并不需要知道颜料的分子结构，但也许你想了解它那些比较容易得到的基本属性，如颜色和质地。有了这些信息，即便你不知道颜料的微观结构，仍可以根据它们的相关属性分类，并预知当你将这些颜料涂在画布上时，会呈现出什么颜色。

但是，如果你知道了颜料的化学构成，物理规律就会让你推测出它们的一些属性。作画（使用有效理论）的时候，你不需要这些信息；但是，如果是要制作颜料（从一些更为基本的理论得出有效理论的参量），你就会发现它们非常有用。

同样的道理，如果不知道小距离（高能量）的理论，你就不能得出可测量的量。可是，如果你了解了微观领域的详情，量子场理论就会告诉你如何联系适用于不同能量的不同的有效理论。它让你从一种有效理论的量导出另一有效理论的量，如质量或作用强度。

计算物理量是如何依赖于能量或距离的方法是由肯尼斯·威尔逊（Kenneth Wilson）在1974年首次提出的，它有一个非同寻常的名字：重整化群。物理学除了对称以外，还有两个最为强大的工具，那就是有效理论的概念和重整化群，它们都涉及不同长度和能量尺度的物理过程。“群”是一个突出的数学名词，不过其数学根源与此并不相干。

“重整化”指的是，每到一个你感兴趣的距离尺度，都暂停下来，总结自己的所得。你决定哪些粒子和哪些相互作用是与你感兴趣的特定能量相关的，然后对理论的所有参量使用一个新的标准——即重新标定计量单位。

重整化群的观点类似于第2章的观点，当时，我们讨论了以低维语言解释高维理论的可行性，并把含有一个卷曲维度的两维理论看作只有一维。维度卷曲时，我们忽略发生在额外维度内部的所有细节，并假设所有事物都可以用低维语言来描述。我们的新“重整化”就是可以在关注大尺度时使用的四维描述。

通过类似的过程，我们可以由任意适用于微小尺度的理论导出一个适用于较大尺度的理论：确定你所关心长度的最小值，然后“洗掉”与更小尺度相关的物理量。这样做的一种方法是，找到你准备忽略的量的平均值，这些量的细节只有在你决定忽略的更小尺度上才会产生影响。如果有一张方格纸布满了刻度模糊的小点，你可以很精确地知道一些小点的平均阴影密度，然后找到大一些的点来产生同样的阴影效果。在日常生活中粗略观察时，我们的眼睛会自动地完成这一步骤。

如果你的观察精确度有限，为了作出可观测量的有用计算，你也不需要知道在更小距离上发生了什么。最为有效的办法是在理论中选择与你的精度水准相一致的“像素大小”。这样，你就可以忽略那些不能生成的重粒子和不可能发生的小距离相互作用，而集中精力来计算在能达到的能量上会产生的粒子和相互作用。

但如果你确实知道适用于更小距离的更精确理论，那么你就可以用这些理论算出你感兴趣的有效理论的量——即精确度要求较低的有效理论。就如用刻度模糊的小点一样，当你从一个精确度很高的微观的有效理论转向另一个精确度稍低的理论时，从根本上来讲，你是变换了理论分析的“像素大小”。重整化群告诉我们如何计算这些小距离的相互作用可能对长距离理论的粒子所产生的影响。这样，你就将物理过程从一个长度或能量尺度外推到了另一个。

虚粒子，真实粒子鬼魅般的孪生兄弟

重整化群作出这种推想，靠的是把量子力学过程和虚粒子的作用考虑在内。作为量子力学的结果，虚粒子是真实粒子鬼魅般的孪生兄弟，它们神出鬼没，倏忽即逝。虚粒子与真实粒子有着相同的电荷、相同的相互作用，但能量看上去却不同。例如，高速运动的粒子会携带巨大的能量，但虚粒子的速度可以高得惊人却没有能量。事实上，虚粒子可以具有任意能量，只是与相对应的真实的物理粒子所携带的能量不同。如果能量相同，它就成了真实粒子，而非虚粒子了。虚粒子是量子场论的一个奇异特征，要作出正确预言，它是不可或缺的。

虚粒子

作为量子力学的结果，虚粒子是真实粒子鬼魅般的孪生兄弟，它们神出鬼没，倏忽即逝。虚粒子与真实粒子有着相同的电荷、相同的相互作用，但能量看上去却不同。事实上，虚粒子可以具有任意能量，只是与相对应的真实的物理粒子所携带的能量不同。如果能量相同，它就成了真实粒子，而非虚粒子了。

那么，这一显然不可能存在的粒子为何会出现？倘若不是不确定性原理，外借能量的虚粒子根本不可能存在。不确定性原理允许粒子的能量产生错误，只要它的存在时间短到根本无法测量。

不确定性原理告诉我们，如果要无限精确地测量能量（或质量），那么我们必须花费无限长的时间——粒子的寿命越长，对其能量的测量就越准确。但是，倘若粒子寿命太短，而其能量不可能被无限精确地测定，那么它的能量与一个真实的、短暂存在的粒子就可以产生暂时的偏离。事实上，由于不确定性原理，粒子做什么都不会受到管辖，只要它们能做到。只要没人观察，虚粒子就会无所顾忌，为所欲为（阿姆斯特丹的一个物理学家甚至建议称它们为荷兰人）。

你可以把真空看成能量库——虚粒子就是暂时借来一些能量而在真空出现的。它们倏忽一闪，很快又消失在真空里，带走借来的能量。这些能量可能会重回它们起源的地方，也可能会转移到其他位置的粒子。

量子力学的真空可是一个繁忙之地，即使从定义来讲真空是空的，但量子作用却使它产生了大量的、时隐时现的虚粒子和反粒子——虽然稳定、持久的粒子并不存在。所有粒子-反粒子对在原则上都可能生成，尽管其存在时间短暂，短到无法直接看见。无论多么短暂，我们仍很在意虚粒子的存在，因为它们毕竟在长寿粒子的相互作用中留下了印迹。虚粒子有其可测量的结果，因为它们影响了进入和离开作用区域的真实粒子的相互作用。在其短暂的生命里，虚粒子会穿行于真实粒子间，然后消失，将能量归还真空。因此，虚粒子就像中间媒介，影响着稳定、持久粒子的相互作用。

例如，前文图7-1中的光子实际上就是一个虚光子，它的交换产生了经典的电磁力。它不具备一个真实光子的能量，当然也不必具备，它只需存在足够的时间来传递电磁力，并使真实的带电粒子发生相互作用。图11-1给出了另一例虚粒子。在这里，光子进入作用区域，产生了一个虚拟电子-正电子对，然后，这一正负电子对在另一位置被吸收；就在它们被吸收的地方，真空出现另一光子，带走由中介的正负电子对暂时借来的能量。现在，我们来研究这种由相互作用产生的引人注目的结果。

图11-1　粒子-虚粒子转化图。一个真实的物理粒子可以转化成一个虚电子和一个虚正电子，然后，它们再转回成一个光子。左边简图和右边费米图示都诠释了这一过程。

相互作用强度为什么会依赖于距离

我们知道，力的强度依赖于粒子相互作用中涉及的能量和距离，虚粒子在这一依赖中发挥了作用。例如，两个电子相隔很远时，电磁力的强度就小（记住，量子力学中，力的下降要超出经典力学中电磁力对距离的依赖）。虚粒子的作用和力对距离的依赖都是真实的，理论预言与实验恰好相符。

有效理论的量，如力或作用强度，取决于参与粒子的能量和距离，这是由量子场论的一个特点引起的，物理学家乔纳森·弗林（Jonathan Flynn）将其戏称为“无政府主义原理”（anarchic principle）[48]。这一原理是量子力学的结果，它告诉我们所有可能发生的粒子相互作用都会发生。在量子场论里，不被禁止的所有事情都会出现。

每一个特定的粒子群相互作用的单独物理过程，称为一个路径。一个路径可能会涉及、也可能不涉及虚粒子。涉及时，我称这一路径为量子贡献。量子力学告诉我们，所有可能的路径都会对相互作用的最终强度作出贡献。例如，真实粒子可以转化成虚粒子，它们会相互作用，然后再转换成其他的真实粒子。在这一过程里，原来的真实粒子可能会重新出现，也可能变成另外的真实粒子。虽然虚粒子存在的时间非常短暂，我们无法直接观察，但它们仍会影响真实、可观察粒子间相互作用的方式。

想阻止虚粒子促进相互作用，就如同把秘密告诉朋友而又不想让另一个朋友知道一样。某个“共同的”朋友迟早会泄露你的秘密，把这消息告诉另一个朋友。即使你已经把这个秘密告诉了那个朋友，但当你们共同的朋友与他讨论这一秘密时，仍旧会影响他对这件事的看法。事实上，他的看法就是每个人与他谈论后形成的最终结果。

在传递力时，不仅真实粒子间的直接作用，有虚粒子参与的间接作用同样扮演了重要的角色。就如你朋友的看法会受到与他谈论的每个人的影响，粒子间的最终作用是所有可能贡献的总和，包括来自虚粒子的贡献。由于虚粒子的重要性要取决于涉及的距离，因此，力的强度也就要取决于距离。重整化群会告诉我们怎样计算虚粒子在相互作用中的影响，所有中间虚粒子的影响会叠加起来，要么增强、要么减弱规范玻色子的相互作用强度。

在相距较远的粒子间作用时，间接作用扮演了更重要的角色。距离的增大就好比你把秘密告诉了更多的“虚”朋友，尽管你并不确信哪个朋友会泄露你的秘密，但你告诉的朋友越多，秘密泄露的可能性就越大。虚粒子会影响相互作用的最终强度，量子力学告诉我们，只要存在一个包含虚粒子的路径，它们就一定会产生影响，且虚粒子对强度的影响取决于力被传递的距离远近。

但实际的重整化群计算更为聪明，因为它还加上了朋友之间互相谈论的贡献。与虚粒子贡献更为相似的比喻是，在一个庞大的官僚机构里传播一条信息。最高层领导下达一条信息，很快就会被传播开来。但低层的人想要传达一个信息，可能就要经过上司的审查：若是一个较低职位的人发出一条书面信息，那么它可能还会辗转多个部门，层层盖章，最终才能到达目的地。在这种情况下，官僚机构的每一层次都要把这一信息传阅一遍，然后才能送达更高的一层。只有最后传到高层主管那里，信息才会被发布。在这种情况下，最终出现的信息早已不再是原来的样子——它已经过了多个官僚的层层过滤。

如果你把虚粒子当作官僚连，那么更高级别的官僚对应的就是一个具有更高能量的虚粒子——高层的信息会被直接传播，而低层信息却要经过层层关卡的审查。量子力学的真空就是一个光子要遭遇的“官僚机构”，每一次相互作用都要经过虚粒子的层层审查，结果是能量变得越来越小。

就如在官僚机构中一样，在各个层次（或距离）上都有一些岔路，有些路径会绕过由虚粒子设置的“官僚”关卡，而有些会遭遇许多虚粒子，使传播距离越来越长。较短距离（较高能量）相比那些较长距离的传递会遭遇更少的虚粒子过程。但是，在虚粒子过程与官僚层次间存在着一个明显区别：无论路径有多复杂，官僚机构中，任何一条信息都只有一条特定的路径；而量子力学却认为会有多种路径，而且作用的最终强度应是所有可能发生的路径共同贡献的结果。

设想一个光子从一个带电粒子行驶到另一带电粒子，在途中它会转换成一个虚电子-正电子对（见图11-2），量子力学告诉我们它往往会发生。而有虚电子-正电子对参与的路径，就影响了光子传递电磁力的效能。

这还不是量子力学会出现的唯一过程。每对虚电子-正电子本身就可以发出光子，光子也会转化成其他虚粒子，依此类推。交换光子的两个带电粒子间的距离决定了“信使”光子在真空里会与粒子发生多少次这样的相互作用，以及这些作用的影响会有多大。电磁力的强度就是将所有的“官僚障碍”（在或远或近的距离上，虚粒子可能参与的量子力学过程）考虑在内后，光子可能采取的多条路径的最终结果。由于光子可能遇到的虚粒子数量要取决于它所行驶的距离，因此，光子的作用强度就要取决于与它相互作用的带电物体间的距离。

图11-2　电子-正电子散射的虚拟修正。由左至右为：一个电子和一个正电子湮灭形成一个光子，光子接着分裂成一个虚电子-正电子对，然后再湮灭成一个光子，光子再转化成电子和正电子。中间的虚电子和正电子就影响了电磁力的强度。

计算表明，当所有可能路径的贡献都被加起来之后，真空会削弱光子由电子带来的信息。对电磁作用削弱的直观解释是：异性相吸，同性相斥。因此，一般来说，虚正电子比虚电子离电子更近，虚粒子的电荷由此削弱了初始电子电磁力的完整作用。量子力学作用屏蔽了电荷，这意味着光子和电子间的相互作用强度会随距离增加而降低。

在远距离上的真正电磁力，比经典的近距离电磁力要小，因为在近距离传递力的光子会更常采用不包含虚粒子的路径。远距离传递力的光子必须穿越虚粒子的浓雾，减弱其强度，而近距离行驶的光子则不必这样。

不仅仅是光子，所有传递力的规范玻色子，在抵达目的地的途中都要与虚粒子发生相互作用。粒子与其反粒子的虚粒子对，在真空中会自发生成并被吸收，从而影响相互作用的最终强度。这些虚粒子会暂时拦截传递力的规范玻色子，改变其总的作用强度。计算表明，弱力的强度与电磁力一样，会随距离的增大而降低。

但虚粒子并不总是阻碍相互作用的，令人惊讶的是，它们有时还会反过来促进其作用。20世纪70年代初，哈佛大学的戴维·波利策（David Politzer）——当时还是西德尼·科尔曼（即提出这一问题的人）的研究生，普林斯顿大学的戴维·格罗斯（David Gross）和他的学生弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）以及荷兰的杰拉德·特·胡夫特（Gerard’t Hooft）都计算出了同样的结果，证明强力的表现与电磁力恰好相反。在远距离上，虚粒子不仅没有屏蔽强力使其变弱，反而加强了胶子（传递强力的粒子）间的相互作用，正因如此，强力在远距离上才名副其实。格罗斯、波利策及维尔切克因对强力的重要见解而获得2004年诺贝尔物理学奖。

这一现象的关键在于胶子本身的性质。胶子与光子的一个重要差别在于，胶子之间也会相互作用。胶子可以进入作用区域，转化成一对虚胶子，从而影响力的强度。与所有虚粒子一样，这些虚胶子也只是存在片刻，但是随着距离的增大，它们的影响会累积起来，直到强力变得异常强大。计算结果表明，虚胶子在相距较远的粒子间会大大地增加强力的强度，粒子间的相隔距离越远，强力越强。

强力会随着距离的增大而加强，相比电荷的屏蔽，这确实有悖于我们的直觉。粒子怎么可能相距越远，反而相互作用越强？大多数的相互作用都要屈服于距离。我们需要通过实际的计算来让大家看到这些，但现实生活中也有这样的例子。

如果有人通过一个官僚机构传达某条信息，而某个中层管理人员对其重要程度并不确信，他就有可能大张旗鼓，把本来只需一张便条传达的事，变成了一项重要指令。信息经中层领导这样篡改，其影响远远地超出了由发起者直接传达的效果。

距离越远，力反而越强，特洛伊战争也是其中一例。根据《伊利亚特》（Iliad）记载，特洛伊战争的起因是特洛伊王子帕里斯决定带走斯巴达国王墨涅拉奥斯的王后海伦。如果帕里斯当初能直接与墨涅拉奥斯决战来争夺海伦，而不是和海伦私奔到特洛伊的话，那么，希腊与特洛伊的战争也就早早结束，不会载入史册了。一旦墨涅拉奥斯与帕里斯相距遥远，中间再经别人添油加醋，大肆渲染，敌对状态就变得异常强大起来，最终演变成了旷日持久的希腊-特洛伊战争。

尽管非常令人惊讶，但强相互作用会随距离的增大而加强，这足以解释强力许多独特的特征。它解释了为什么强力这么强，能将夸克束缚在一起，形成质子和中子；为什么夸克会被困在喷射流中。强力在远距离上变得如此强大，以至于经受强力的粒子永远不可能彼此远离，像夸克这种通过强力相互作用的基本粒子从来就没有孤立存在过。

一对相距甚远的夸克和反夸克会贮存大量的能量，这些能量足以强大到在它们之间生成更多的夸克和反夸克，而不会保持孤立。如果你试图把两者之间的距离拉得更远，真空中就会生成新的夸克和反夸克，就如波士顿的交通，如果你紧跟在一辆车后面，一旦没有跟上，落下了一点距离，刚够一车长，那么必然会有车从别的车道上并进来。在最初的夸克周围，总会有一些新的夸克和反夸克在逡巡，一旦有夸克和反夸克比刚出现时随从要少些，它们必然会替补上去——别的夸克和反夸克似乎总在左右等候。

远距离上的强力非常强大，它们根本不允许通过强力作用的粒子彼此分开。强力作用下的粒子总是由许多带强力色荷的其他粒子护卫，形成强力色荷中性组合。结果就是，从来不曾出现独立的夸克，我们看到的只有紧紧束缚在一起的强子和喷射流。

大统一理论

大统一理论

1974年，乔治和格拉肖提出了一个大胆的设想：弱力、强力和电磁力这三种力会随着距离和能量而变化，当能量达到极高时，它们会融合成一个统一的力。乔治和格拉肖称这一理论为大统一理论。

上节的内容给我们讲述了有关弱力、强力和电磁力对距离的依赖关系。1974年，乔治和格拉肖提出了一个大胆的设想：这三种力随着距离和能量而变化，当能量达到极高时，它们会融合成一个统一的力。乔治和格拉肖称这一理论为大统一理论（GUT）。如第7章的讨论，强力对称可以对调三种色夸克，而大统一力的对称会作用于所有类型的标准模型粒子，使它们可以对调。

根据乔治和格拉肖的大统一理论，在宇宙演变早期，温度极高，能量极大——温度要超过100亿亿亿K，能量超过1 000万亿GeV——除引力之外的三种力各自的强度都同样大，因此，这三种力便融为一体，统称为“力”。

随着宇宙的演变，温度逐渐降低，统一的力会分裂成三种各不相同的力。每种力对能量的依赖也不同，通过它们不同的能量依赖，渐渐演变为我们现在所知的三种力。尽管起初是一个统一的力，但在低能量上，由于虚粒子对它们产生的不同影响，它们就有了不同的作用强度。

这三种力就像由同一个受精卵发育成的三胞胎，最终成长为三个性格各异的青年：其中一个可能留着染了色的朋克头；一个留着水手样的小平头；而另一个则像艺术家一样扎着小辫子。但不管现在外形差异有多大，他们仍有着相同的DNA，小时候是很难让人分清的。

宇宙发展早期，这三种力也是难以区分的。但它们最终由于对称的自发破缺而分裂。正如希格斯机制使弱电对称破缺，只留下电磁力没有改变一样，它也打破了大统一力的对称，留下了我们现在看到的三种各不相同的力。

在高能量上统一的作用强度是大统一理论的一个先决条件，这就意味着，能量函数所代表的不同作用强度的三条线，肯定会在某一个能量值上相交。但我们已经知道，除引力外的三种力，其强度是怎样随着能量发生变化的，而且，量子力学告诉我们，远距离就等于低能量，而短距离则意味着高能量[49]，那么前几节的结果就可以以能量来理解。在低能量上，电磁力和弱力不如强力强大，但在高能量上，它们会增强，而强力则会减弱。

换种方式来说，除引力外的三种力的强度，到了高能量上更加和谐统一，它们甚至可能合并为一个统一的力。这就意味着：能量函数所代表的作用强度的三条线在高能量上会相交于一点。两条线相交于一点，没什么可兴奋的——彼此靠近时，它们必然会发生；但三条线相交于一点，要么是极端巧合，要么这种相交必然蕴含着某种深意。如果三种力真的相交，这一作用强度就可能表明，在高能量上只有一种力——这样，我们就有了一个统一的力。

尽管统一至今仍只是一种设想，但如果能够实现，对于我们更为简洁地描述世界必然会迈出巨大的一步。由于统一原理饶有趣味，物理学家研究了三种力在高能量上的强度，看它们究竟是否能够融合。1974年之前，没有人能够精确测得引力之外三种力的作用强度，霍华德·乔治、斯蒂芬·温伯格和海伦·奎因（Helen Quinn，当时还是哈佛大学的一位博士后，现在是斯坦福线形加速器中心的物理学家，并任美国物理学会主席）利用当时所能达到的并不完善的测量，使用重整化群计算推算了高能量上的力的强度，他们发现，代表引力之外的力的三条线似乎真的会在某一点相交。

1974年，在乔治-格拉肖有关大统一理论的著名论文里，开篇是这样的：“我们提出的一系列假设和推想，最终不可避免地会得出一个结论……所有作用于基本粒子的力（强力、弱力、电磁力）都是有着同一强度的、同一基本作用的不同表现。也许我们的假设未必正确，推想也不具备意义，但我们的理论设计独特、结构简洁，这足以引起人们的重视。”这些语言如此谦虚低调，是因为乔治和格拉肖并不真的认为独特和简洁能成为他们的理论对世界作出正确描述的充足证据，他们还希望得到实验证实。

尽管由标准模型推想超出10万亿倍的能量，需要有巨大的信心，这一能量从没有人直接探索过，但他们意识到，他们的推测会产生可验证的结果。在论文中，乔治和格拉肖解释了他们的大统一理论“预言质子会产生衰变”，而这一预言可以尝试由实验来验证。

乔治和格拉肖的统一理论预言：质子不会永远存在，经过很长一段时间后，它们会产生衰变。在标准模型里，这是不会发生的：夸克和轻子根据它们经受的力，总是能被区分开来；但在大统一理论里，力从根本上都是一样的，因此，就如上夸克通过弱力会变成下夸克一样，通过一个统一的力，夸克也能够变成一个轻子。这就意味着，如果大统一观点正确，宇宙中夸克的净数量不会保持不变，夸克可以转化成轻子，使得质子（由三个夸克合成）产生衰变。

因为在一个联结了夸克和轻子的大统一理论里，质子会产生衰变，所以，我们熟知的所有物质最终都是不稳定的。但是，质子的衰变速度相当缓慢——其寿命会远远超过宇宙的年龄。这意味着质子衰变的迹象无论有多明显，我们几乎还是没有机会能够探测到它：它的发生频率实在是太低了。

为了找到质子衰变的证据，物理学家不得不建立一些持续时间极长的大型实验来研究大量的质子，通过这种方式，即便一个质子不大可能产生衰变，但用大量的质子，便能大大地增加探测到其中某个质子产生衰变的机会。就如即使我们赢得彩票的可能性极小，但如果我们买大量彩票，中奖机会就会大大增加一样。

物理学家真的建立起了这样一些多质子的大型实验室，其中包括欧文-密歇根-布鲁克黑文（IMB）实验室，位于南达科他州的一个地下盐矿里；神冈实验室，位于日本神冈，水槽和探测仪都深藏于地下1 000米的废矿井里。虽然质子衰变过程极少发生，但是，如果乔治-格拉肖大统一理论正确，这些实验早就能发现证据了。不幸的是，这一宏大的抱负终未实现，还没有人发现这样的衰变。

这并不一定排除统一的可能。事实上，幸亏有更为精确的力的测量，我们现在知道，由乔治和格拉肖提出的最初模型几乎肯定是错误的，而只有标准模型的一个延伸版本才可能将力统一起来。结果，在这些模型里质子的寿命甚至更长，质子衰变不可能被探测到。

现在，我们并不确信力的统一是否是自然界的一个真实特征。如果是，它又有什么意义呢？计算表明，在后面将讨论的模型里，有好几个都会发生力的统一，其中包括超对称模型，霍扎瓦-威滕额外维度模型，以及我和拉曼·桑卓姆创建的弯曲的额外维度的模型。额外维度模型尤其引入入胜，因为它有可能将引力也兼并进来，真正实现四种已知力的统一。这些模型之所以重要，还因为最初的统一模型认为，在弱力级别之上不会再发现新的粒子，而只有具有大统一质量的粒子，[50]而另外这些模型则显示，即便在弱力能量级别之上产生许多新粒子，统一仍旧可能发生。

但是，无论力的统一有多么神奇，物理学家还是因其理论贡献分为两大阵营：有的喜欢自上而下的研究方式，有的选择自下而上的研究。大统一理论的观点体现了自上而下的方法，乔治和格拉肖作出了一个大胆的假设：在1 000～1 000万亿GeV之间不存在有质量的粒子，并在此假设之上推想出一个理论。在粒子物理学界，大统一是争议的第一步，而弦理论的争议至今一直甚嚣尘上，两种理论都是由测得能量的物理定律去推想至少超出1 000万亿倍的能量。乔治和格拉肖后来开始怀疑弦理论和大统一理论所体现的自上而下的方法，此后，他们转变观念，扭转方向，开始专注于低能物理的研究。

尽管大统一理论有一些吸引人的特征，但我并不确信它们的研究最终形成对自然的正确认识。在我们已知的能量和推想的能量之间存在着一条巨大的鸿沟，这中间究竟会发生什么，有太多可能供我们想象。无论哪种情形，除非我们发现质子衰变（或其他一些预言）——如果它存在，否则我们都不可能确定力在高能量上是否真的会统一起来。在此之前，这一理论只能是一个伟大的理论设想。

●虚粒子与真实的物理粒子有着相同的电荷，但其能量不同。

●虚粒子只能存在短暂的时间，它们从真空中暂时借得能量，真空是没有任何粒子的宇宙状态。

●物理过程中的量子贡献，源自虚粒子和真实粒子的相互作用。这些虚粒子时而出现，时而消失，作为真实粒子间的媒介，其贡献会影响真实粒子的相互作用。

●由无政府主义原理我们得知，在探讨粒子属性时，必须将量子贡献考虑在内。

●在大统一理论中，一个单一的高能量的力转化成低能量上除引力外的三种已知力。三种力要统一，它们在高能量上必须有着相同的强度。