引 言

1956年当我开始搞理论物理的时候，基本粒子的研究就像一条百衲被。电动力学、弱作用、强作用是几门截然不同的学科，教学和研究都是分别进行的，没有一个和谐协调的理论能够把它们合在一起描述。观察到宇称破缺、量子电动学的成功、强子共振的发现、奇异性的出现之类发展，是这幅图像中明确的一些部分，但是不容易把它们并合在一起。

事物已经有了变化，今天我们已有了一个基本粒子物理的“标准理论”，在这个理论中，强作用、弱作用及电磁作用都是由一个局部对称性原理产生的。在某种意义上，这是个完整并且显然正确的理论，它为一切粒子的现象提出了定性描述，并在许多情况下提出了精确的定量预测。没有任何实验资料违背这种理论，如果不在实际上，那么至少在原则上，所有的实验资料都能用少数几个“根本”质量和耦合常数来表示，我们现有的理论是件完整的艺术品，百衲被已变成了织锦。

织锦是由许多工匠协力织成的，在完工的织物中，难以区分出每个工匠的贡献，而错漏的线脚也给遮盖了，在我们粒子物理的图像中也是如此。图像的一部分是弱电作用的统一与存在有中性流的预言，现在正为授予诺贝尔奖而举行庆祝；另一部分是夸克假设，从纯粹是个怪念头经由推理而演化为确立的教义；还有一部分是量子色动力学发展成为一种有预测能力的有效的强作用理论，所有这些在织锦中都交织在一起。没有其它部分，任何一部分都很少意义。即使弱电作用理论的发展也不是那么简单直截，它不是在某一位，甚至也不是在三位物理学家的头脑中蕴育成熟的，它同样也是许多科学家（其中有搞实验的也有搞理论的）集体努力的成果。

让我强调一下，我并不相信这个标准理论作为一幅正确而完备的物理图像会永远存在下去，所有的相互作用可能都是规范相互作用，但是肯定地它们一定处于一个统一的群之内，这就意味着存在有—种新的非常弱的相互作用，它引起质子的衰变。因此，所有的物质都有固有的不稳定性，可以观察到会衰变，这种弱作用、强作用和电磁作用的合一，被称为“巨统一理论”，但是一种理论如果不描述引力现象，就既算不上是“巨”的，也称不上“统一”，我们离开爱因斯坦的真正的宏大设想还很远。

上一世纪的物理学的特征是时常有伟大而无法预见的实验发现。如果标准理论是正确的，那么，这种时代就将结束了。只有少数几个重要粒子有待发现，而它们的许多性质据说都是事先知道的。事物肯定不会这样，自然界一定还为我们藏匿着一些令人惊异的东西。

不管怎样，标准理论在今后若干年内是会有用的，过去的紊乱状态目前已为优美而简单的统一所取代。标准理论也许会作为终极理论的一部分而存在下去，也许终于证明是根本错误的。不管是哪一种情况，它始终是个重要的中转站，而以后的理论会更好。

在这个讲演中，我并不想把织锦全面地描述一番，甚至也不想描述弱电合一以及实验上取得胜利这一部分，而我想描述几根古老的线头，其中绝大部分已被掩盖了，但是和我们的研究是密切相关的，我们的意图并不在说明谁在什么时候干了什么事，而是去探讨事物为什么会这样这个困难得多的问题。此外，我还要注意几根新的线头，这可能预示着织锦的未来发展。

早期模型

在二十年代，人们还相信只有两种基本的力：引力和电磁力，为了试图把它们统一起来，爱因斯坦曾想建立一个普通的物理理论。但是原子核的研究立即表明还要加上两个力：使原子核合在一起的强力和使原子核衰变的弱力，汤川秀树（Yukawa）提出在这些新的力和电磁力之间是否有什么深刻的相似性。他说，一切力都是由交换介子产生的，他所设想的介子原来是想既传递强相互作用又传递弱作用的，它们和核子是强耦合，和轻子是弱耦合，这个统一强、弱作用的第一次尝试整整早熟了四十年，不仅如此，汤川还预言了中性流的存在。他的中性介子，在说明核力的电荷无关性上是很重要的，也是和轻子对弱耦合的。

电磁力不仅是由光子传递的，而且是由局域规范不变性的要求产生的，1954年这概念被推广用于非阿贝尔局域对称群¹。立即很清楚，在电磁力和其他力之间可能存在着更为深远的相似性，其他力也可能出自规范原理。

在这点上引起了一些问题，一切规范介子必须是无质量的，然而光子是仅有的无质量介子，那么其他的规范玻色子是如何得到质量的？直到温伯格（Weinberg）和萨拉姆（Salam）的工作²由特霍夫特（'t Hooft）³（对自发破缺的规范粒子）以及格罗斯（Gross）、威尔采克（Wilczek）玻利策（Polizer）⁴（对不破缺的规范理论）证明后，这个问题才有满意的答案，在这个工作完成之前，规范介子的质量完全是特别放进去的。

樱井（Sakurai）在I960年提出，强相互作用应该由规范原理产生⁵。把杨 - 米尔斯（Yang-Mills）理论应用于同位旋 - 超荷对称群，他预言有ρ. ω矢量介子存在，这就是最早的唯象的SU(2)×U(1)规范理论，盖尔曼（Gell-mann）和尼曼（Ne'eman）⁶在1961年把他扩充到局域SU(3)群，但是，这种过早地建立强作用的规范理论的企图是注定要失败的，用现在的“行话”来说，他们用“味”而不是当时未知的隐变量“色”作为有关的动力变量。尽管如此，这项工作为十年后出现量子色动力学铺平了道路。

原子核β衰变的早期工作似乎表明有关的相互作用是S、T、P的混合；只是在发现宇称不守恒并且消除几个错误的实验之后，方才清楚弱作用实际上是V-A相互作用。费曼（Feynman）和盖尔曼（Gell-mann）以及马夏克（Marshak）和苏达山（Sudarshan）的综合工作，对弱作用的规范理论的概念来说是个必要的前驱⁷。勃鲁特曼（Bludman）在1958年提出了第一个弱作用的SU(2)规范理论⁸，没有打算把电磁作用也包括在内，这个模型除包含了通常的荷电流相互作用之外，还有一组中性流耦合项，在弱耦合角为零的情况下，它和现在的理论有同样的强度和形式。当然单有弱作用的规范理论是无法做到可重正化的，为此，弱作用和电磁作用必须统一起来。

早在1956年，许温格（Schwinger）相信弱作用和电磁作用应该结合在一个规范理论之中，有质量的带电矢量介子和无质量的光子是规范介子。作为他的学生，我接受了这个信念，在1958年哈佛大学的论文中，我写道：“没有可重正化的电动力学的可能性，而有β衰变过程的重正化潜在可能的理论是没有什么价值的，我们必须提出，只在这些相互作用合起来考虑处理时，才能达到一种完全可接受的理论……”¹⁰。我们应用了杨和米尔斯的原始的SU(2)规范相互作用。事情只能这样处理，使荷电流（而不是中性流）破坏宇称和奇异数，要建立这种理论在技术上是可以做到的，但是它既不优美而又和实验不符合¹¹。我们现在知道中性流确是存在的，而且弱 - 电规范群一定要比SU(2)大。

另外一个没有中性流的弱电合一理论是萨拉姆和瓦德（Ward）在1959年提出的¹²，他们也无法使理论反映好宇称不守恒的实验事实。顺便提一下，在1961年他们工作的续篇中，他们提出了一个强、弱电磁相互作用的规范理论用的是SU(2)×SU(2)的局域对称群¹³，这是现在大家接受的SU(3)×SU(2)×U(1)模型的值得注意的前兆。

我们谈一谈我们自己1960年在哥本哈根做的工作¹⁴，和萨拉姆与瓦德独立进行的工作¹⁵。我们终于发现要描述弱 - 电相互作用，规范群必远大于SU(2)。而萨拉姆和瓦德是在规范理论无比优美的促使下做的。我想我找到了一条可通向可重正化方案的道路，由于和表示强作用的近似同位旋 - 超荷群的类比，我用了SU(2)×U(1)群。在这模型中有二个电中性的传递粒子，无质量的光子和有质量的中性矢量介子，这个中性矢量介子，那时我命名为B，但是目前都称之为Z。弱混合角取决于生成元B对应于哪一个SU(2)×U(1)的线性组合。所预言的中性流相互作用的精确形式已为最近的实验资料所证实，但是，中性流的强度没有规定，并且这个模型实际上不是可重正化的。这些重大的错失，已由萨拉姆和温伯格的工作和相继的可重正化性的证明所改正。还有，这个模型是个轻子模型，它不能直接推广于处理强子。

可重正化性

在五十年代后期，部分归功于萨拉姆的工作，已经知道量子电动力学和赝标量介子理论是可以重正化的。没有一个通用的弱相互作用模型，不管是荷电中间矢量玻色子模型或是四费米子直接耦合模型，满足这一基本的准则。在许温格的指导下，我在哈佛大学的论文追随着我的导师在统一弱电规范理论方向的信念而从事研究。我找到了几条理由，相信这种理论比其他理论更少奇异性。范伯格（Feinberg）在荷电中间矢量介子方面进行工作，发现在介子的反常磁矩的某一特定值某种发散会抵销¹⁶，这并不相应于“最小电磁耦合”，但相应于规范理论要求的磁学性质，邹国兴研究了荷电矢量介子电动子学的零质量极限¹⁷，同样，只在磁偶极矩和电器极矩的特定值，也就是规范理论中所取的值下，才有有意义的结果。是否荷电介子电动力学在规范理论中毛病最少，仅是一种巧合呢？

由于这些特殊性质的启发，我写了一篇出了名的文章¹⁸，我主张一种软破缺的规范理论，即明显的质量项引起对称破缺的，是可以重正化的。很快就发现这是错误的。

还有，在1970年，依辽普勒斯（Iliopoulos）和我证明在这种规范理论中有很多类发散项会抵销¹⁹。我们证明，(2Λ⁴)ⁿ阶的原始发散项可以降到仅为(2Λ²)ⁿ阶，这儿Λ为截断动量。这也许是依辽普勒斯和我所证明过的最难的定理。但是我们的劳动是白化了。1971年春，凡尔特曼告诉我们，他的学生盖哈特 · 特震夫特已经建立了自发破缺规范理论的可重正化性。

在探索可重正化性方面，我辛勤地工作，但却完全失去了时机，规范对称性是种精确的对称性，但是，又是种隐蔽的对称性。我们不应当随便放入质量项。问题的关键是自发对称破缺的概念：哥尔斯东（Goldstone）的工作，1964年希格斯（Higgs）和基勃尔（Kibble）把它推广到规范理论²⁰。这些工作者从未想到把他们在正规场论方面的工作用到唯象模型上去，在1960年我和哥尔斯东和希格斯有过多次交谈，是我没有告诉他们我的SU(2)×U(1)模型，还是干脆就是他们忘记了呢？

萨拉姆和温伯格两人都在正规场论方面有着相当经验，而且他们都和哥尔斯东在自发对称破缺方面合作过。回顾起来，他们两位首次运用了这个关键是不足为奇的，他们的SU(2)×U(1)规范对称是自发破缺的，W和Z的质量和中性流效应的性质和一个可测参数有关（不像我的不可重正化的模型中要二个参数），正确地预言了中性流的强度。温伯格 - 萨拉姆的可重正化的大胆猜测在1971年证实了，中性流在1973年发现了，但是直到1978年才清楚它正好具有所预言的性质。

奇异数改变的中性流

在1961年至1970年期间，我多少有点放弃了弱 - 电规范理论的想法，原因之一是在可重正化性上我初战失利，其次是出现了实验上很成功的强相互作用的描述法——盖尔曼、尼曼的SU(3)么正对称方案，这个理论原来也称为规范理论，ρ、ω、κ*是规范介子。完全不能想象强作用和弱作用都是规范理论，简直无法容纳弱流和强流的对易结构。谁能预见夸克模型的成功以及SU(3)的活动地盘从“味”转向“色”呢？么正对称的预言被证实了，所预言的Ω^-粒子在1964年发现了，流代数被成功地运用，强作用主宰着舞台。当我在1960年想到SU(2)×U(1)模型时，我猜测可以推广到把强子也包括进去。光建立一个轻子模型好像没有什么意义：原子核衰变终究是首要的问题。有件事似乎是明确了，荷电流破坏奇异数的事实迫使中性流也破坏奇异数。已经知道奇异数改变的中性流不是受强烈抑制就是不存在，我作出结论说，应使Z°远重于W^±。在那时这是种任意而又允许的做法；对称破缺的机制尚不清楚。我用抑制一切中性流的方法“解决”了奇异数改变的中性流问题：小孩和洗澡水一起倒掉。

在1961年和盖尔曼合作，我又短暂地回到弱作用的规范理论这个问题²³，从新发展的流代数概念我们指出，弱作用的规范理论不可避免地引向奇异数改变的中性流问题。我们的结论缺少了某种重要东西，确实是如此，只在发明了夸克之后，第四个夸克的想法和GIM机制才能产生。

从1961年至1964年，雪特南 · 考勒曼（Sidney Coleman）致力于发展么正对称的方案，1964年春，我在哥本哈根度过短暂的假期，在那儿，勃乔根（Bjorken）和我提出了三夸克的盖尔曼 - 茨威格（Gellmann-Zweig）体系应推广到四个夸克²⁴。（同一时期内，其他工作者也有过同样的看法）²⁵，我们把第四个夸克称为粲夸克，引入第四个夸克的部分动机是根据我们对强子谱的误解，但是，我们还希望加强弱轻子流和弱强子流的类似性，因为有两对弱轻子，我们相信应该也有两对弱夸克。

勃乔根和我在1964年引入的弱流就是GIM流。正如我们所指出的，其中中性流是奇异数守恒的。只要我们把这些流代入以前的弱电理论，就会解决奇异数改变的中性流问题。但是我们没有这样做，显然差不多已忘记了我以前的弱电合一的想法。在1961年明确提出的问题，原则上在1964年解决了，但没有人知道它，最不清楚的是我。也许大家那时都沉醉于相对论性SU(6)的妄想之中，它差不多在这个时候出现，把理论工作者的心弄糊涂了。

五年以后，约翰 · 伊辽普勒斯、露西亚诺 · 迈阿尼（Luciano Maiani）和我又回到奇异数改变的中性流问题²⁶。很难相信这个问题会完全忽视那么长久，我们论证在任何已知的弱作用模型（四费米子耦合，荷电矢量介子模型或弱电规范理论）中，会预期出现没观察到的效应（如k₁k₂质量差大，k→xvυ之类的衰变等），因为当时还没有可重正化理论，我们是用截断因子法做的，我们指出如果存在有假想的第四个夸克，那么，那些讨厌的效应就会消失。在拖了十年后，中性流的选择定则问题终于解决了。当然，并非每个人都相信存在有所预言的带粲数强子。

这件工作是在温伯格和萨拉姆的划时代的工作之后整整三年才完成，在哈佛大学和马萨诸塞理工学院的讨论会上发表。不管是我，还是我的共事人，或是温伯格，都没有发觉这二项工作的联系。在我们的论文中我们没有把温伯格 - 萨拉姆的工作列入参考文献也没有人提示我们要这样做。

只在一年之后这二者间的联系才清楚了，由于特霍夫特、凡尔特曼、李庆荣、庆 · 居斯丁（Zinn. Justin）的工作，弄清楚温伯格的陈述，实际上是个可重正化理论，和GIM方案一起，它可以从一个轻子模型轻易地推到弱作用理论。现在完全是实验工作者的事了，得看实验工作者的了。在几年之内，带粲数的强子和中性流发现了，并且都具有所预言的性质。

从加速器到矿井

发现π介子和奇异粒子用的是被动型实验，用了天然的宇宙射线。然而，近三十年来，绝大多数粒子物理的发现是用的主动型实验，用了粒子加速器的人为手段。由于缺乏资金与兴趣，被动型实验停滞了。但是最近理论粒子物理和天体物理方面的种种发展似乎标志着被动型实验会立即得到新生，把几乎是全部高能物理的努力集中在少数大加速器实验室的局面也许会即将过去。

这话并不意味着大加速器会消失，它不是高能物理的唯一工具但仍然是重要工具。不要忘记在 ~ 100 Gev处存在Z°粒子，仍然是弱电理论的一个重要而完全没有经过检验的预言。加速器上还会有一些理论家未曾事先预言过的惊人发现。建造LEP和ISABEL之类大加速器还是必要的。

考虑一下弱电合一所得到的种种成功，以及可能的强相互作用理论也是个规范理论的事实，我们必须相信，强、弱、电磁三种相互作用最终会合一。已经有工作说明如何会把强和弱电的规范群放入一个较大的单纯规范群中²⁷。巨统一理论〔也许沿着乔治（Georgi）和我的原来的SU(5)理论的路线〕应是基本上正确的，这意味着质子，以及一切核物质应有内在的不稳定性。灵敏度极高的寻找质子衰变的实验目前已在进行。如果质子的寿命像理论者估计那样小于10³²年，则看到质子衰变的日子不会太远了。

如果一旦发现了这个效应（我深信会这样），就必须进一步做实验以确定核子衰变的精确模式，要确定一类新的四费米子耦合作用的选择定则、混合角和时空结构。发现β衰变本性时那样的黄金时代又会出现。

第一批质子衰变实验是所费不多的，但是以后几批的实验就不一定这样。主动型实验和被动型实验会竞相争夺正在缩减的财源。

在复杂的被动型实验中会出现其他新的物理结果，目前的物理理论认为质子的衰变模式使重子数和轻子数都改变1，也许满足ΔB=ΔL=1的规律，也许会看到ΔB=-ΔL的跃迁，也许如培蒂（Pati）和萨拉姆所提出的，质子衰变为三个轻子，也许在ΔB=2的跃迁中两个核子会湮灭，由于中微子质量为几分之一电子伏特而产生的中微子振荡效应也许会检测到，“超重同位素”也许以很少的含量存在于地壳中，可以通过它们的若干Gev的衰变而发现它们，也许会看到由远方的天体灾变引起的中微子猝发。这张单子开下去可能无穷无尽，也可能一个也没有，现在设想的这类大型的被动型实验是过去从未做过的，谁能说它会产生什么结果呢？

过早的正统观念

1974年发现（J/ψ）粒子，使人相信一个只有四个夸克和四个轻子的体系。之后不久，发现第三个带电轻子(τ），并出现了第三个q=-?的夸克（b quark）的迹象，这两个发现都是典型的奇迹。立即盛行把已知的费米子分为几族。

乔治（Howard Georgi）和我，还有以前的其他人，曾经搞了个设有七夸克的模型²⁸，我们相信这个非正统的看法和正统观念一样引人入胜，并且，它提出一些令人激奋的实验可能性。

我们假定b和τ分享着一种量子数，这种量子数和重子数一样，是基本上精确守恒的（当然，它也会破坏到预期重子数破坏的同样程度）。因此，假定b、τ系统和较轻的四个夸克和四个轻子是不同的，特别在b和d或s之间，没有混合，原来的GIM结构原封不动，必须要找另一种机制去传递b衰变，这在SU(3)×SU(2)×U(1)规范理论中是不存在的。

有一种可能性就是有一种附加的SU(2)规范相互作用，这种相互作用的效果我们还没有遇到过，它能在如下的b的衰变中起传递作用

B→τ⁺+(e^-或μ^-)+(d或s)。

b的一切衰变会产生一对轻子，包括τ⁺或其对应的中性粒子，同样还有其他可能性，预言b物质的同样异常的衰变方式。b夸克的衰变目前还不知道，不过不久就会清楚。

这个新的SU(2)规范理论是由于说明cp不守恒和b衰变而产生的。为了要符合实验，必须有附加的三个有质量的中性矢量介子，并且它们质量不能太重，在e⁺e^-湮灭中，除了所期望的Z°外，可以产生其中一个粒子，我们的模型有着众多的实验预言。例如，第二个Z°、较重的b和τ粒子、在ep碰撞中产生τb，还存在有重的不稳定的中性轻子，可以在e⁺e^-或vp碰撞中产生并加以检测。

这儿不是详细阐述我们观点的地方，（但是我们必须顺便说一下，我们的方案和在例外群E_b基础上的巨统一理论极为符合）。我想说一点，干脆些就是相信我们已懂得粒子物理的未来，未免为时过早。有许多方面，通常的物理图像可能是错误的，或不完整的。有三族粒子的SU(3)×SU(2)×U(1)的规范理论肯定是个良好的开始，但昜不要去全盘接受，而是去干，去扩展，去开发。我们离目的地还远呢。