在过去的六十年里，自从量子力学诞生后，量子革命已经从原子物理的原有领域渗透到物理学、化学、生物学的各领域，并且扩展到所有其他已知的自然力。但是却有一个例外，即，爱因斯坦于1916年曾用广义相对论重新阐述过的“万有引力”。
在过去的几年中，物理学家们对引力的兴趣逐渐增加，在这个物理科学中的最后一道战线上进行了研究与探索。然而在过去，他们曾经以为这方面的课题与致力于另外三种基本自然力研究的高能物理学家的关心所在还相去甚远。在最近几年中这种日益增长的兴趣来源于物理学家们成功地弄清了核粒子之间的弱相互作用，这在日内瓦的欧洲核研究组织（CERN），通过W和Z粒子的生成和测定，已十分令人信服地证明了。
现在，许多物理学家深信，他们对包括核夸克子的强核力的基本理论至少大体上是弄清了。最重要的是，理论家们已经开始认识到他们将不应单独看待四种自然力——电磁力、弱核力、强核力和引力。CERN的成功完全在于关于弱力和电磁力的一种统一理论。
已经作出了巨大努力来建立一系列理论，对电弱力和强核力给出统一的描述，这些理论就是所谓“大统一理论”，也被称为GUT。从实验上看，我们对大统一知之甚少。但是有一点是明确的。要验证这些理论所需要的能量是CERN或者任何其他现存的或可想象的粒子加速器都不可能产生的。只有在一种条件下，这样巨大的高能粒子才可能得到，这就是在宇宙开端大爆炸的一刹那。
由于要涉及宇宙大爆炸的知识，于是粒子物理学家们不得不又成为宇宙学家了。这不仅仅是因为引力是大爆炸中最重要的作用力，物理学家要想弄明白核力就必须研究引力。另外，我们突然领悟到我们所必须做的是，将引力、弱作用力、强作用力和量子力学等放在一起，一揽子加以研究，而不是仅仅把它们俩俩统一起来就行了，同时还要弄清大爆炸。毫不足怪，物理学家们开始提到包罗一切的理论（即TOE）的可能性问题。
什么样的理论才可以称为TOE呢？要描述宇宙，TOE必须包括一个时间和空间的理论。牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中，对时间和空间作了基本假设。他假定他称为“绝对的，实在的和数学的时间”是存在的，这种时间“自身独立地，出自本性而与外部没有丝毫关系地均匀流逝着”。第二，他假设空间的几何学是与欧几里得几何学的普通规律一致的。对牛顿来说，空间和时间显然是完全确定的实体，这种观点曾经统治世界200多年。1905年，阿尔伯特 · 爱因斯坦指出，如果我们承认光速是独立于观察者的恒定常数，那么不可能有两个观察者能一致认定某个过程发生的时间。他认为时间的量度不是绝对的而是相对的。
1908年，数学家赫尔曼 · 闵可夫斯基（Herman Minkovski）指出，理解狭义相对论的最好方法是，把一个事件发生的时间和空间坐标看作是在所谓“时空”的四维空间中给出它的位置。不同的观察者可以使用不同的坐标来描述同一事件，他们可对同一事件指定不同的空间坐标，毫无疑问他们也可以对此指定不同的时间坐标。由此，爱因斯坦和闵可夫斯基将我们的时间与空间的概念十分出色地统一了起来。令人吃惊的是爱因斯坦对光速不变的信念部分地建立在麦克斯韦方程组之上，而这个方程组本身实际上是把旧的电和磁的理论统一成一种理论的结果。
虽然爱因斯坦的狭义相对论由于抛弃了一部分牛顿的基本原理而引起了巨大的反响，但它却没有涉及引力问题。十年以后，爱因斯坦的广义相对论成功地把引力包含在内。为了达到这一点，他假定空间和时间的几何是弯曲的，它不像我们所熟知的平直的几何，根据他的理论，恒星和行星运动的明显弯曲的路径，是他的弯曲空间中的“直线”。爱因斯坦首次令人满意地描述了整个宇宙的几何和动力学。以后，他的理论发展成为一幅以大爆炸为开端的，正在膨胀的宇宙的图景。
爱因斯坦广义相对论达到了我们称为经典物理学的高峰。虽然他已经修正了牛顿关于时空的大多数假设，给出了不同的宇宙引力定律，但是他仍旧保留了牛顿的最基本前提，即，物理学定律是决定性的而不是概率性的。牛顿和爱因斯坦两人都会同意：如果在某一给定时间，一颗行星出现在某一位置，那么它就一定会在晚些时候出现在另一位置上，它必定沿着某条唯一的完全确定的轨迹，从这一位置到达另一位置。他们在如何计算轨迹上会有分歧，但是他们都不会怀疑这个轨迹是肯定存在的。
确定性地终结
量子力学结束了经典物理学的统治，在量子力学中讨论粒子所遵循的路径是不合适的。我们只能说，粒子的路径可能是怎样的。当然，在某些条件下，一颗行星沿某一条路径运动的可能性比另外的路径大得多，这就是爱因斯坦和牛顿要计算的那一条路径。不管怎么说，在理论上，这颗行星沿另外一条路径运动的情况是完全有可能的。
对于像行星那样的大客体来说，量子力学的影响是微不足道的，但是对原子和基本粒子来说，他们显然具有决定性的意义。无论如何，如果量子力学要构造出一种无所不包的理论，那么它必须能应用于引力并且由此推广到时空几何。由于现在量子力学是建立在概率性上的，因而所有物理量一定有涨落。举例来说，一个局限在盒子中的粒子位置是受量子不确定性支配的，这就意味着它永远不可能完全静止，它的能量也永远不会减小到零。由此就可推得，如果将量子力学应用于引力，由此再推广到时空，那么，时间和空间的几何一定也要受涨落的支配。假如我们遵从爱因斯坦展现给我们的图景，试图估计一下这些涨落的量，我们发现它远不是微小的，而是无限的。
于是我们遇到了一个危机。我们最精确、最光辉的经典的引力和时间理论与量子力学产生了矛盾，而这些理论都曾被我们视为无所不包的。解决问题的办法有两种，要么是修改量子力学，要么是修改相对论。大多数物理学家选择了后者。
1976年，斯坦雷 · 迪瑟（Stenley Deser），塞克奥 · 费拉拉（Sergio Ferrara），丹尼尔 · 弗里德曼（Daniel Freedman），彼得 · 凡 · 纽文惠森（Peter Van Nieuwenhuisen）和布鲁诺 · 朱密诺（Bruno Zumino），他们建立了“超引力理论”，在这个方向上迈出了重要的一步。这个理论是根据量子力学对爱因斯坦相对论的一种修正。在量子力学中，涨落与粒子相对应，万有引力场的涨落与一个以光速运动的零质量粒子相对应。这个粒子——引力子，携带着两个量子单位的角动量，角动量的方向与粒子运动方向在一条直线上（平行或者逆平行）。
引力子与电磁学中的光子类似，光子携带一单位的角动量，两者都是一种被称之为玻色子的粒子。与玻色子相反的叫做费米子，它总是携带半个单位的角动量（如1/2或者3/2个单位）。物理学家一直认为费米子和玻色子是性质完全不同的。但是在七十年代中，物理学家发现费米子和玻色子的基础是一样的，而且是互相对称的。这种统一理论被叫作“超对称”理论。
超引力理论是超对称的，除引力子外，它们还引入了一个或者多个“引力微子”，“引力微子”就是3/2单位角动量的费米子。有多少费米子就有多少玻色子是一条定律。理论只允许不多于8个引力子，这条定律就使我们不得不引入28个一单位自旋的粒子，35个零单位自旋的粒子与64个1/2单位自旋的粒子。全部128个粒子在这个理论中具有相同的基础，这被称为“N=8扩展了的超引力理论”或者简单称为“N=8”。通过引入这些超粒子把费米子和玻色子统一起来，理论家原先希望因此能使量子涨落变得有限。尽管我们至今还不能肯定，但是物理学家最终普遍地感到这好像是不可能的。不管怎样，“N=8”也还有其他的问题。这项理论预言粒子可能通过非万有引力（如电磁力）相互作用，不过这只有在时空十分弯曲且宇宙非常小（大约在10-33cm）时才有可能。
超引力理论的另一个问题是它们不能解释粒子的手征性以及它们的相互影响。除了零单位自旋的粒子以外，其他所有的粒子都可能有一部分是左旋的另一部分是右旋的。例如零质量粒子以光速运动，它的自旋运动方向就可能是左螺旋的也可能是右螺旋的。基本粒子之一的中微子只参与弱相互作用。它具有1/2单位的自旋，可它看来是没有右旋的，因而它全是左旋的而它的反粒子是右旋的。电子既可能右旋也可能左旋，反电子或者正子也是这样。不可思议的是，弱核力只能对左旋电子和中微子起作用，对右旋电子却毫无影响。
最简明的超引力理论对称地处理粒子中的左旋和右旋部分，但是却不能解释手征性。这个缺陷加上以上提到的其他问题；促使物理学家去寻求更加普适的理论，在这个理论中“手征性”在一开始就预先作了假设。比方说，设引力微子纯粹是左旋的或者是纯右旋的。可是这又导致了另一些困难，不过我不准备在这里叙述它们，而是要转入另一个有关统一的问题。
爱因斯坦曾在闵可夫斯基的帮助下把时间作为一个外加的维度。在此之前，人们也已经在考虑是否存在外加的空间维度。在爱因斯坦发表了他的广义相对论后，西奥多 · 卡鲁泽（Theoder Kaluza）假定时空是5维的，有一个外加的空间维，于是把经典万有引力理论和电磁学统一在一起。粒子的电荷相当于这外加的第五维上的动量。几年以后，奥斯卡 · 克莱因（Oska Klein）应用简洁的量子力学证明了为什么电荷总是一个基本单位的整倍数。同样原因角动量也是不连续的量子化的。卡鲁泽和克莱因的统一理论有许多问题，但是多半是由于它可以同超引力理论结合起来，所以只是在最近，物理学家又把它们重新提了出来。
如果我们想把卡鲁泽和克莱因时空有多于三个空间维的思想和费米子应当是手征的（比如纯左旋的）观点结合起来，我们会发现一个新的甚至更棘手的问题。量子力学是基于概率性的，必须满足概率论的基本法则：所有的概率应在0与1之间，一组两两互斥事件概率的总和应该等于1。
在量子力学中，这些基本要求被称为归一性，高维时空中的手征性费米子可能破坏归一性。总的说来，物理学家们对新观点总是十分开放的，但是对于违背归一性的观点就没有兴趣了。幸运的是，有一些手征理论在10维时空中能够满足归一性。然而，两项最受重视的满足归一性的理论，SO(32)和E8×E8却仍然苦于量子涨落是无限的这一问题。也许一种更激进的理论才能克服这个问题。
我们看到，按照爱因斯坦的理论，引力只是时空曲率存在的体现。我们可以通过研究整个宇宙的曲率、来弄清它的动力学。我们如果引入手征性，希望获得一个满意的结果——一个适于概率性的统一图景，我们就必须考虑具有6个外加空间维度的10维时空。如果我们考虑在10维时空中的粒子，我们就有引力子、其他一些玻色子、引力微子和一些1/2单位的费米子。它们表出了10维时空的涨落。现在，米歇尔 · 格林（Michael Green）和约翰 · 舒瓦茨（John Schwarz）用一种单一的客体——超弦，来代替这一切。
我们通常想象一个粒子是只有针尖一般大的物体。严格地说，它根本没有尺寸。而正是粒子趋向消失的尺度使得S子涨落趋于无穷。弦理论的基本观念，是用最简单的延展的客体——弦，来代替粒子。弦的量子力学有许多惊人之处。在十多年前，物理学家认为普通的弦理论是矛盾的且违反归一性的：他们预言，除非弦是在26维平直时空中运动，否则它们会给出负的概率值。格林和舒瓦茨曾经构造了弦的超对称理论，它能满足10个时空维度中的严格的概率归一性要求。最近，戴维 · 格劳斯（David Gross）、吉姆 · 哈维（Jim Harvey）、艾米尔 · 玛蒂内克（Emil Martinet？）和瑞安 · 罗姆（Ryan Rohm）在普林斯顿大学提出了令人赞叹的超弦理论的观点。这种理论预言，宇宙除了可见的行星、恒星和银河外，还可能包含一个与我们所拥有的完全不同的“影子”世界，里面有人不可见的行星、恒星和银河，但是这个影子世界只通过极弱的引力与我们的世界相互作用。
许多物理学家承认，超弦理论是目前最有希望求得TOE的理论。不过还有许多事要做。甚至在较成熟的卡鲁泽 - 克莱因理论中，也出现了一些显而易见的问题，例如，为什么目前的宇宙表现为四维，它实际上是不是10维的呢？物理学家已经找到了一部分答案。在外加的维度中，空间的尺度非常之小，也许只有10-33 cm。在这些小尺度空间中充斥着巨大的能量。也许这就是为什么我们还没看到它们的原因。这些外加的维度怎么会这样小，这仍然是没有回答的问题。这尤其令人迷惑不解，因为我们知道我们熟悉的三维空间的尺度自大爆炸起一直在膨胀。
量子力学的惊人特征之一是它趋向于用更为抽象更不易想象的数学结构来代替我们已习惯的简单而具体的图景。原来很自然要问的问题，现在变得没有意义了。当然，最终我们会变得熟悉它们，用新的图景来替代旧的。量子力学的奠基人之一狄拉克（Dirac）本人经历了这样的变迁，他说过：“我们必须拓宽'图景'这个词的含义，让它包含所有能够处理自我相容的定律的方法。”弦理论肯定将修正我们总的时空概念，至少像相对论改变了我们原先的时间与空间概念一样。
自我相容性在量子力学中比在其他的物理领域里更为重要，因为它缺乏直接的实验证据。有一些有力的证明认为超弦理论是自我相容的。但是它们还必须清晰地表达基本物理原理，以及和时空弯曲几何及宇宙大尺度结构的关系。
[New Scientist，1985年10月]
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* Gary Gibbons博士是剑桥大学应用数学与理论物理系讲师。