把全部物理学都汇合在一个大综合体里一直是理论物理学家长期以来梦寐以求的神圣事业。现在一种至少把基本粒子形形色色的相互作用统一起来的理论已初步形成。这种理论很快便可以靠实验加以检验。

阿瑟，来自遥远的一颗行星的一位聪慧侨民，降临地球后便偷偷地察看地球上的两个人在弈棋。他给自己提出二个问题：确定下棋的规则并探索取胜的策略。我的这个隐喻描述自然科学的两大部门。在诸如原子物理学、固体物理学或化学这些学科中，其法则是人们完全通晓的；其结构单元是电子和原子核，把它们结合在一起的力是电磁力，其规律则是量子力学。它们的问题“仅仅”是把这些规律运用于遇到的复杂问题。不过，仍然要努力获得新的、激动人心的发现。仅了解下棋的规则当然不足以成为一名棋坛上的大师。

在基本粒子物理学和宇宙论方面，情形就颇为不同。我们并不了解所有的规则，即使它们是可知的，我们也并不完全认识。“大统一”这一学科便处于这种纯理论的前沿。在基本粒子物理学形形色色的组成部分当中，要找到根本的统一真可谓是一种雄心勃勃的尝试。它也许是沿着正确的方向而走的一步，也许是很错误的一步。不过，这种理论很快便可以得到决定性的实验检验。这些对于我来说确是非常激动人心的时刻。我真想与你们共享这种兴奋。

大多数物理学家对于自然界潜在的简单性都怀有不可动摇的信念。这种信念是我们探讨大统一理论的最强有力的指导原则之一。这种盲目的信念已一再被证明是正确的。自然界许多令人迷惑不解的奥秘已得到解释。还有什么可能比磁、电和光更各不相同的呢？然而，在十九世纪，詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦（J. C. Maxwell）就证明了这些现象只不过是同一些基本规律的不同表现形式罢了。他用一个独特的、优雅的方程组解释所有这些现象以及无线电波、雷达和辐射热。麦克斯韦的电磁力乃是支配我们所看、所听、所嗅、所感觉或所尝到的一切东西的起作用的力。

艾伯特 · 爱因斯坦（Albert Einstein）曾就自然界的各种力都可以用单一种理论加以论述的极端简单性进行探讨，却未能成功。他试图把电磁场和引力场统一起来。我们仍然在探求这样一种统一的理论，但我们现在知道爱因斯坦失败的一些原因。天地间的各种力就是要比在爱因斯坦的哲学中所梦想的多。爱因斯坦不肯思考曾经是原子核的难解的奥秘的那些事。他可能以为“如果仅仅引力场和电磁场可以汇合在一起的话，这些问题总会真相大白的。”

今天，原子核不再是这样神秘了。但我们已认识到，还需要另外二种力去解释它的状态。一种正确的统一理论必须包括对于原子核的强力和弱力的描述，正是这两种力促成把原子核的基本组元结合在一起并使得一种化学元素可能嬗变为另一种元素。爱因斯坦还有另一个关键性的疏忽。他从未完全接受他应部分尽责的量子理论。爱因斯坦说：“上帝不玩骰子。”但我们现在确信他是玩的。

今天，构成一种统一的理论的曾经依赖于两种基本的理论结构：爱因斯坦关于相对性的特殊理论和量子力学。这两种理论是廿世纪早期物理学的两大革命支柱。过去半个世纪中物理学的任何发展都不能与这些伟大成就相比拟。这些学科的综合称为“量子场论”所有的基本粒子物理学正是在这个奥秘的范围内加以表达的。

第一个成功的“量子场论”称为“量子电动力学”（QED）。它解释电子和光子之间的相互作用。它并非基本粒子物理学的一种完整理论，因为它不描述原子核的结构。然而，它对于某些现象提供格外精确的解释。例如，电子的磁特性被精确地述到小数点后十位——达到目前实验精确度的极限。QED通常被认为是能够对于包括强、弱（核）力解释的一种更完整的理论的范例。

让我开始介绍强（核）相互作用。大家知道，原子核是由称为核子的更基本粒子组成的。有两种核子：质子，构成最简单的原子的原子核，如氢的原子核；中子，当它们在原子核内部时才能生存的不稳定粒子。质子带有一个与电子的电荷恰好相等，但电性却相反的电荷。异性电荷相吸，因此，一个质子与一个电子结合就构成一个氢的原子。中子，像氢原子那样，是中性的。中子和质子与它们协助组成的原子相比是非常小的粒子。它们曾经被认为是完全点状似的基本结构。过去，人们曾普遍以为质子、中子和电子是物质不能再分的结构单元。

然而，这一切都发生了变化。现在知道核子是由三种夸克组成的一种复合系统。现在看来，夸克是核物质的最基本组元。有两类夸克：称为“上”夸克与“下”夸克，它们是构成核子所必需的。夸克的电荷是通常被当作“单位电荷”的电子的电荷的几分之几：上夸克带2/3单位电荷，下夸克带_1/3单位电荷。一个质子是一个含有二个上夸克和一个下夸克的复合系统；一个中子则含有二个下夸克和一个上夸克。含有三个上夸克或三个下夸克的粒子的寿命极短促，但它们却已在实验室里被找到了。

—次把三个夸克结合在一起而组成核子这种夸克之间的基本相互作用称为“量子色动力学”（QCD）。虽然QED和QCD解释很不同类型的力，但它们之间却有某些奥妙的相似之处。它们俩都是那种称为“规范理论”的“量子场论”QED导致电子和核子这类带电粒子之间的相互作用，正是QED把它们结合在一起而组成原子。同样，QCD导致把夸克结合在一起的相互作用而组成核子。与QED的电荷相似的定量称为QCD中的“颜色”。夸克是有色的。更准确地说，每一种味道的夸克（上夸克与下夸克）都以三种颜色（比方说，红、绿、蓝）出现。但核子都是无色的。它们含有一种夸克的每种颜色，当这些松散的言语被译成精确的数学语言时，我们发现为什么是三个夸克，而不是二个或四个夸克能结合在一起而形成一个可探测到的粒子。我们也明白为什么不能产生自由的夸克，即单独存在的夸克。夸克是有色的，但只有无色的系统才能作为孤立的粒子而存在。夸克只有作为它们所组成的粒子的基本组元才存在。

在过去几年中，进行过有关QCD的若干成功的实验检验。就像QED是一种关于电磁相互作用的正确理论那样，我们似乎有了一种关于强相互作用的正确理论，虽然我们还不能凭借QCD而对精确到小数点后十位的核技术进行预测。

现在我来谈谈原子核的弱相互作用——那些负责原子核的β衰变过程的相互作用。我已经提到，单一个中子是不稳定的。只消几分钟，它就会衰变成三个稳定的粒子：一个质子，一个电子和一个反中微子（中微子和反中微子是无质量或近乎无质量的粒子，它们既不具有强相互作用，也不具有电磁相互作用。它们像鬼魂似地能穿过几公里厚的物质而不遭遇碰撞。）直到最近，还不存在关于弱相互作用的理论上令人满意的一种理论，但现在已经有了。

每一类型的力都是由一种特殊的粒子运载的。电磁力是由光子传递的：两个带电粒子之间的力可以认为是由于这些光子的转换而形成的。同样，强相互作用是由胶子传递的。不像光子那样，胶子不能直接看见，因为它们像夸克一样是有色的。但却有一种确实的、间接的实验证据可以证明它们的存在（参阅《新科学家》杂志1980年9月11日一期第786页）。自从三十年代以来，物理学家一直推测有一种传递弱相互作用的特别粒子：“中间矢量玻色子”（遵从玻色统计法的粒子）或W粒子。

β衰变的过程被认为是逐步进行的：首先由一个中子发射一个W^-而变成一个质子；然后W^-变成一个反中微子和一个电子。虽然这一过程产生一幅关于弱相互作用的有用的、征兆的图像，但它并不是一幅独立完整的图像。

在过去十年中，已意识到弱相互作用的一种切合实际的理论要求把弱相互作用和电磁相互作用统一起来。已经发展了一种“电一弱理论”，这种理论在实验上已经取得了许多大成功。最重要的是，它预测一类新的、称为“中性流”的物理现象的存在。这些中性流已被探测到并与该理论所预测的在定量上完全一致。

像QCD—样，这种电弱理论是一种规范理论。因此，有关基本粒子的所有三种基本的力现在都可以包括在一种独创的、具有高度预见性的“量子场论”里。这种“规范理论”对于除引力以外的各种现象都提供一种显然正确与完整的解释。然而，从美学的观点看来，还缺少某种东西。

QCD是一种仅涉及一个任意参数（两个电子之间的电排斥力）的理论。而“规范理论”却涉及17个这类任意参数。这显然是一个太大的数字，不可能都是基本的。此外，规范理论并不解释“电荷量子化”的事实，即不解释电子的电荷恰好等于质子的电荷，而电性却相反这一事实。

大统一理论试图克服这些障碍。更详细地说，这类理论注意到观察基本夸克和轻子（不由夸克组成的粒子）似乎出现在简单的“家族”中。第一家族包括带有2/3个电荷的上夸克；带有-1/3个电荷的下夸克；带-1个电荷的电子和带0电荷的中微子。第一家族包括所有需要运转“宇宙飞船似的地球”并供给太阳燃料的粒子。可是，看来有三个这类家族的基本粒子。另外两个家族的成员是由宇宙射线或在粒子加速器中产生的不稳定粒子的基本组元。每一家族是由二个夸克和二个轻子组成的。它们都具有相同的电荷结构。我们不明白自然界为什么有三个家族而不是仅仅一个家族。

在大统一理论中，这些家族中的每一家族都可看作是单一个结构单元。像夸克和轻子那样不同的粒子都聚集在一起。夸克和轻子的电荷暗示这是切合实际的：如果我们记住夸克以三种颜色出现的话，我们就明白每一家族中粒子的电荷总数恰好等于0。我还必须说说把各不相同的粒子或力“聚集在一起”是啥意思。

一系统的对称度常常取决于该系统的温度：通常，高温时比低温时更对称。例如，一液体是“各向同性的”，即各个方向都是相等同的。当它冷却时，它可能形成晶体，这些晶体根本不是各向同性的，但却具有小于总的各向同性现象那样轮廓分明的对称性。永久磁铁则提供另一例子。当磁体受热而失去它的磁性时，因各自南北极的存在所反映的不对称性便消失。

因此，粒子物理学家把所观察到的自然界的不对称性看作是由于宇宙占优势的低温而形成的产物。温度较高时，宇宙固有的对称性表现得更为明显。不幸的是，这里的“高”意味着的确非常高。有三个范畴：

热。我在这里所指的“热”指温度超过开氏（Kelvin，即绝对温度）10²⁹度或能量超过10¹⁶ GeV（千兆电子伏）。在这些条件下，存在着完整的对称性。夸克和轻子无质量并且彼此都是不可辨认的。强、弱和电磁的相互作用显然都是大统一理论具有相同意义的组成部分。这样高的温度在今天是很难达到的，只有在“大爆炸”的最初瞬间才可能达到。自从那时以来，宇宙已冻结，因而失去它的对称性。

微温。这是介于开氏10²⁹度与10¹⁵度之间，或介于能量100 GeV与10¹⁶ GeV之间的区域。其较低量级的能量不久就可以为现正在欧洲和美国建造的加速器所达到。在这些温度下，弱相互作用和电磁相互作用之间的对称性该是明显的。这是电弱统一论可付诸精确检验的能量范围。

冷。能量较低时，宇宙的所有对称性，除强相互作用的基础“色”和产生电磁的“电荷”外，都丧失了。由于日常的能量范围比100 GeV的电弱标度小如此之多，因而发现弱相互作用是弱的。

最简单的大统一理论是以称为SU（5）的数学群为基础的。这是一种独特的统一论，在这种理论中，粒子的基本家族就是已知的夸克和轻子。其中恰好有24个其交换会产生力的粒子：光子，传递电磁相互作用、无质量却可探测到；三个弱介子，它们引起弱相互作用、可观察到、重约100 GeV、具有质量的粒子（W⁺，W^-，Z⁰），——借助于下一代的加速器可看到这些粒子；八个胶子，它们传递“色动力学”的强相互作用、有色、孤立时探测不到的，虽然可相当清晰地看到它们的间接“轨迹”，还有十二个质量很重（约10¹⁶ GeV）、寿命极短，因而很难探测到的粒子。最后的这些粒子产生一种新的、比普通的弱相互作用弱10²⁸倍的力。这种新的力能把夸克转换成轻子，因而能导致质子的衰变——大统一理论最富戏剧性的预言。如果是这样的话，所有物质都会衰变，虽然衰变的半衰期很长。普通质子衰变的时间为10³¹年，或取10的倍数。

这种理论预测，在一吨的物质里，每十年应有一个质子衰变。虽然这似乎是一种很稀罕的效应，但却是可以探测到的。现正在地下矿里使用千百吨或上万吨的物质进行实验：在印度/美国的犹他州、俄亥俄州、明尼苏达州，也许还在欧洲的阿尔卑斯山底下（据《新科学家》杂志第85卷1016页）正在进行这种实验。在一、二年内，我们就该知道质子是否衰变，“金刚石永恒”是否是真的。

大统一理论不仅预言所有物质的死亡，它也可以对物质的创生提供解释。科学家长期以来弄不明白为什么宇宙含有物质而不含有反物质，但只有今天，我们才正在找到这一问题的答案。在宇宙非常年轻的时期，产生并破坏质子的力比今天的这种力要强得多。据认为，会导致质子衰变的同一种力曾是原先物质产生的原因。

大统一理论还仅经受几个实验的检验。它预测我所提出的、但称为温伯格角的一个参数的值。五年前，这一推测与实验极不一致。由于有了更精确的单独实验，实验人员已改变了调子。温伯格角的实验数值今天与SU（5）所预测的数值极其一致。不久，我们将看到质子是否如SU（5）所预言的一定会衰变。

大统一理论的贡献几乎是难以估量的。它显然是实现爱因斯坦把所有的相互作用都统一起来的梦想的先兆。它解释光子是一种无质量的粒子这一事实。在规范（而不是统一）的理论中，认为光子本来可能会具有质量，只是它决意不要。在大统一理论中就不存在这样的可能性。电荷量子化的事实也得到同样的解释。质子电荷和正电子电荷等同以及夸克奇异的分数电荷和中微子的0电荷都强加给我们。在SU（5）中，简直就没有其他方案。夸克和轻子的每一家族都是对于带有必须如同所观察到的特性的SU（5）的一种轮廓分明的表示。我们甚至明白为什么强相互作用比电动力学强如此之多。当宇宙年轻时，这些相互作用是具有相同力量的。在今天，变成冷“结晶体”的宇宙中，它们已以一种可计算的、为人们所充分了解的方式相分离。

也许大统一理论的最伟大贡献就在于它预测一类新的、可观察到的现象。在US（5）中或在它的较简单的阐述中，质子（因而包括所有的核物质）一定会以可探测到的寿命衰变。事实上，所预测的寿命仅稍长于所规定的较低极限10²⁹年（附带提一提，我们意识到“在我们的骨头里”，质子的寿命长于10¹⁶年。假如它是如此短暂的话，我们就会被我们人体内正在衰变的物质所产生的放射性所杀死！）这一预测是在一个非常偶然的时刻发生的。我们也许正在接近我们正在寻求的越来越高的能量的那条线的终端、大型的电子 - 正电子（LEP）装置将耗费欧洲大约二亿五千万英镑并将消耗大量的电力。还可建造更大型的装置，但显然是不需要的。我们肯定永远也不能获得大统一所需要的近似能量：这样一部装置要消耗的能量比太阳产生的能量还要多。

多么幸运，大自然为我们提供了至少两个进入高温世界的观察窗口：宇宙作为一个整体，在创生期间在这样的高温下被烧固以及物质可能的衰变。为什么会有物质？它会衰变吗？

大统一理论认为（而不真正要求）存在可离开高能前沿而加以研究的其他形式的物质。这样的一种形式就是磁单极，即几十年前由保罗 · 迪拉克（Paul Dirac）首先论证的粒子。这些粒子对于磁性就像电子对于电那样是孤立的磁体南、北极，而不像其他会有南、北极的磁铁或其他已知的磁性体系那样。在大统一理论中，这类粒子应该存在，不像基本粒子那样，而像量子场结构中的“拓扑凝聚”或不可解开的结那样。

大统一理论所预测的单极是重的，其重约10¹⁶ GeV，它们转换成运动的能量的质量就是一辆公共汽车高速行驶时的质量。人们一直在寻找单极，但绝不是这一类的单极。当把它们放在一张桌子上时，它们重到会落下穿到地心。单极可能是采取宇宙射线的形式投射在地球上的，也许多达每天每平方米上就有一个单极。

大统一理论认为，中微子应该具有可测量的质量并且容易遭受振荡。这意味着它们前进时，可能改变其本体。就这类效应而论，有若干实验可加以解释（《新科学家》1980年6月19日一期第308页）。投射在我们上头的太阳中微子的数量存在着众所周知的不足。也许这些中微子已变更了它们的位置，变成不为我们可探测的。在欧洲原子核研究委员会（CERN）的新近加速器的实验以及在美国的一个反应堆中的实验认为中微子混合。苏联新近的一次实验声称已观察到中微子的质量不等于0。这一切不仅对于物理学，而且对于宇宙论都具有重大意义。有些天体物理学家正开始相信，中微子不仅具有质量，而且是宇宙中具有占支配形式的质量。而质子和中微子是我们和我们的星体得以形成的稀少、奇异的物质。

正如我已说过的，大统一理论也许结果证明只是黄铜矿（而不是金矿那么有价值）。但它不久就会得到检验。它在粒子物理学方面可望获得一些离开耗资巨大的高能物理的前沿也能得到的激动人心的发现。它论及物质的诞生、物质的死亡以及今天宇宙的根本特性。对于物理学的单一种理论，我们还能询问些什么呢？

〔New Scientist，1980年9月18日〕