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<title>书路--黑洞、婴儿宇宙及其他</title>
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黑洞、婴儿宇宙及其他
七、理论物理已经接近尾声了吗？[9]
我要在这几页讨论在不太远的将来，譬如讲本世纪末实现理论物理学目标的可能性。
我这里是说，我们会拥有一套物理相互作用的完整的协调的统一理论，这一理论能描述
所有可能的观测。当然，人们在做这类预言之时必须十分谨慎。以前我们至少有过两回
以为自己濒于最后的综合。人们在本世纪初相信，任何东西都可以按照连续体力学来理
解。所要做的一切只不过是测量一些诸如弹性系数、粘滞性和传导性等等参数。原子结
构和量子力学的发现粉碎了这一希望。又有一回，在本世纪二十年代末，马克斯·玻恩
对一群访问哥廷根的科学家说：“尽我们所知，物理学将在六个月内完结。”这是在保
罗·狄拉克发现狄拉克方程之后不久讲的。狄拉克是卢卡逊教席的一位前任。以他命名
的方程制约电子的行为。人们预料类似的方程会制约质子，质子是另一种当时仅知的假
设为基本的粒子。然而。中子和核力的发现又使那些希望落空。现在我们已经知道，事
实上不管是质子还是中子都不是基本的，它们是由更小的粒子构成的。尽管如此。我们
近年来取得了大量的进步，而且正如我将要描述的，存在某些谨慎乐观的根据，相信在
某些阅读这篇文章的读者有生之年我们能看到一套完整的理论。 [9]作者注：1980年4月29日我在剑桥就职为卢卡逊数学教授。这篇文章即是我
的就职讲演，由我的一名学生宣读。
即使我们的确得到了完整的统一理论，我们除了最简单的情形外，仍然不能作任何
细节的预言。例如，我们已经知道制约我们日常经历的任何事物的物理定律。正如狄拉
克指出的，他的方程是“大部分物理学以及全部化学的基础”。然而，我们只有对非常
简单的系统，包括一颗质子和一颗电子的氢原子才能解这个方程。对于具有更多电子的
更复杂的原子，且不说具有多于一个核的分子，我们就只能借助于近似法和直觉猜测，
其有效性堪疑。对于由大约10↑23颗粒子构成的宏观系统，我们必须使用统计方法而且
抛弃获得方程准确解的任何幻想。我们虽然在原则上知道制约整个生物学的方程，但是
不能把人类行为的研究归结为应用数学的一个分支。
我们说的物理学的一个完整的统一理论是什么含义呢？我们对物理实在的模型通常
由两个部分组成：
1.一族各种物理量服从的局部定律。这些定律通常被表达成微分方程。
2.一系列边界条件。这些边界条件告诉我们宇宙某些区域在某一时刻的状态以及后
来从宇宙的其他部分传递给它的什么效应。
许多人宣称，科学的角色是局限于这两个部分的第一个，也就是说一旦我们得到局
部物理定律的完整集合，理论物理也就功德圆满了。他们把宇宙初始条件的问题归入形
而上学或者宗教的范畴。这个看法在某种方面像本世纪以前劝阻科学研究的那些人的观
点，他们说所有自然现象都是上帝的事务，所以不应加以探索。我认为，宇宙的初始条
件和局部科学定律可以同样地作为科学研究和理论的课题。只有在我们比仅仅宣称“事
情现在之所以如此是因为它过去是过去的那种样子”更有作为时，我们才算有了一个完
整的理论。
初始条件的唯一性问题和局部物理定律的任意性问题密不可分：如果一个理论包含
有一些诸如质量或者偶合常数的人们可以随意赋值的可调节参数，则我们不把它当成是
完整的。事实上，无论是初始条件还是理论中的参数值似乎都不是任意的，它们是被非
常仔细地选取或者挑选出来的。例如，质子——中子质量差若不为两倍电子质量左右，
人们就不能得到大约二百种稳定的核，这些核构成元素，并且是化学和生物的基础。类
似的，如果质子的引力质量非常不同，就不能得到这些核在其中合成的恒星。此外，如
果宇宙的初始膨胀稍微再慢一些或稍微再快一些，则宇宙就会在这种恒星演化之前就坍
缩了，或者会膨胀得这么迅速，使得恒星永远不可能由引力凝聚而形成。
的确，有些人走得如此之远，他们甚至把对初始条件和参数的这些限制提高到原理
的地位，这就是人择原理，可以把它叙述如下：“事物之所以如此是因为我们如此。”
根据这一原理的一种版本，存在非常大量不同的分开的宇宙，它们具有不同的物理参数
值和初始条件。这些宇宙中的大多数不能为智慧生命所需要的复杂结构发展提供恰当的
条件。只有在少数具有和我们自己宇宙的类似的条件和参数的宇宙中，才可能让智慧生
命得以发展，并且询问道：“宇宙为何像我们所观测的那样？”其答案当然是，如果宇
宙换一种样子，就不存在任何人去问这个问题。
人择原理的确为许多令人注目的数值关系提供了某种解释，我们在不同的物理参数
值之间可以观察到这些关系。然而，它不是完全令人满意的。人们不禁觉得应该存在某
种更深刻的解释。此外，它不能解释宇宙中的所有区域。例如，我们太阳系肯定是我们
存在的先决条件，先决条件还包括更早代的邻近恒星，重元素可由核聚变在这些恒星中
形成。甚至我们整个银河系也是必须的。但是似乎其他星系没有必要存在，更不用说在
整个能观测到的宇宙中大体均匀分布的我们看得见的亿万个星系了。宇宙的大尺度均匀
性使如下的论证非常难以使人信服，像在一颗小行星上的某种复杂的分子结构这么外在
的微不足道的东西决定了宇宙的结构，这颗行星绕着一颗在相当典型的螺旋星系的外部
区域的一颗非常平凡的恒星公转。
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了（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
服从泡利不相容原理，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，这些场不服从泡利不相容原理。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。但是经典理论预言，电子会辐射电磁波。这些波会携带走能量，并因此使电子以
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
场具有无限数目的自由度，粗略地讲，时空的每一点都具有两个自由度。这些自由度可
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