欧洲核子研究中心(CERN)和别处的实验或许已使我们完成了粒子物理的标准模型，但一切作用力的统一理论可能需要一些完全新颖的观念。

　　物理学研究的一个主要目标就是：了解自然界如何以一种统一的方式发生奇妙的变化。过去一些最伟大的成就已向着这个目标步步靠近：伊萨克 · 牛顿于十七世纪统一了地面物体的力学和天体力学；詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦于十九世纪统一了光学和电磁理论；阿尔伯特 · 爱因斯坦于1905~1916年统一了时空几何和引力理论；化学和原子物理亦因量子力学于二十年代诞生而统一起来。

　　爱因斯坦花费其生命的后三十年精力于统一场论的研究，未获成功；此场论旨在使广义相对论一爱氏自己创建的时空以及引力的理论，和麦克斯韦的电磁理论相统一。统一工作延续到晚近，然而是沿着不同的方向。我们关于基本粒子及其作用力的晚近理论，即所谓粒子物理的标准模型，已经实现电磁相互作用和弱相互作用的统一；这两种作用力促成放射性过程里和星球里中子和质子的相互转化。标准模型对于强相互作用给出另外一种相似的描绘；这种作用力把质子?中子内的夸克维系在一起，也把原子核内的质子和中子维系在一起。

　　我们已经考虑如何使强作用理论得以与弱-电磁作用理论统一(这往往称为大统一)，然而无与比拟的工作是把引力也包括进来，但表现出极度的困难。我们猜测，这些作用力之间的明显差别是由“大爆炸”的极早期历史状况造成的，但倘若没有关于引力和其他作用力的更好理论，就不可能搞清宇宙极早期历史的细节。统一工作在2050年之前或许会出现转机；但对此我们不能肯定。

量子场

　　标准模型是一种量子场理论。场论的基本要素是场，包括十九世纪电动力学所涉及的电场和磁场在内。场内的微小波动把能量和动量从一个地方传到另一个地方；量子力学表明，这样的微小波动形成波色或量子，在实验中量子作为基本粒子被辨认。例如，电磁场的量子是一种被称作光子的粒子。

　　标准模型囊括高能物理实验室里已发现的每一种粒子相应的场。有轻子场：其量子为我们熟悉的电子(由以形成普通原子的外部结构)?性状与电子类似的所谓μ子和τ子，及其相关的电中性粒子——称为中微子；还有各种夸克场，某几种夸克在构成普通原子核的质子和中子内耦合一起。这些粒子之间的作用力因交换光子和与此类似的基本粒子而产生：W⁺?W^-和Z⁰传递弱作用力；八种胶子产生强作用力。

　　这些粒子展示很宽广的质量取值范围，难于证认；譬如电子比最重的夸克轻350000倍，中微子甚至更轻。在标准模型里没有解释这些质量的机理，除非我们补充以附加的场——属于所谓标量场的类型。“标量”一词意指，此场没有方向性；标量场不像标准模型所涉及的电场?磁场和其他一些场那样。从而揭示下述可能性：这些标量场弥漫于全空间；这与物理学里确立的最佳原理中的一条——空间看来沿一切方向都一样——不相抵触。(相反，譬如说，空间到处有一个值得注意的磁场，我们则可能用普通的罗盘辨认出一个优越的方向。)人们相信，这些弥漫于全空间的标量场与标准模型的其他场相互作用，会给标准模型的粒子提供以质量。

超越顶夸克

　　为了完善标准模型，必须证实这些标量场是存在的?并探明有多少种标量场。事情在于发现新的基本粒子——常常称作希格斯粒子，可认定为这些标量场的量子。我们有充足的理由猜测，在2020年之前，，届时CERN——欧洲的粒子物理实验室，位于日内瓦附近——的那台称为大型强子对撞机的加速器将已运转了十余年，这个发现希格斯粒子的任务或许会完成。

　　将会发现的最小的新东西是一种简单的电中性标量粒子。如果这就是2020年以前所能发现的一切，那可真是一种不幸，因为这就使我们没有线索可去解决一个可怕的难题，此难题有关物理学里牵涉到的一些特征能量，称作阶层问题。

图1粒子物理的标准模型用量子场描绘了每一种物质粒子和每一种作用力。物质的基础粒子是费米子，并组成三代(a)，每代粒子的性质相仿佛。基础作用力由玻色子(b)引起，玻色子按三种密切相关的对称性而编排。再则，一种或几种希格斯粒子或场(c)产生其他粒子的质量。

　　标准模型里最重的粒子是顶夸克，其质量相当于175京电子伏(GeV)。(1GeV略大于一个质子质量里所包含的能量。)猜测那种还没有发现的希格斯粒子具有与此相近的质量：在一百GeV到几百GeV之间。但有证据表明其质量尺度会大得多，还未成为形式化系统的统一理论的方程将显示这一点。标准模型的胶子场，W?Z粒子场和光子场；以及其他场，携带的相互作用在强度上有很大的不同；由交换胶子而产生的作用力比通常条件下的其他作用力约强一百倍，而引力非常弱：氢原子内的电子与质子之间的引力作用约比其电作用力弱10³⁹倍。

　　然而，所有这些相互作用的强度都取决于它们被测量到的能量。令人惊奇的是，推测标准模型里的一些相互作用场，在路大于10¹⁶Gev的一个能量尺度上，其强度变成彼此相等，而能量再高出不多，大约为10*GeV，引力亦有相同的强度。(改进引力理论，则已表明，甚至约为10¹⁸GeV时，引力的强度与其他作用力就已相等。)我们采用粒子物理某一相当大的质量比值，比如顶夸克与电子的质量之比350000：1，比起统一能量尺度10¹⁶GeV(或许10¹⁸GeV)与标准模型的特征能量尺度——约100GeV之巨大比值来，就微乎其微了。阶层问题的关键在于理解这个巨大比值——乃指在能量尺度阶梯上从一个台阶大大地跃起，到高一级台阶；并在于恰恰不是用调节我们那些正确地给出此比值的理论中的一些常数的方式去理解之，而是使其成为基本原理的一个自然结果。

　　理论物理学家为了自然地解决阶层问题而提出几个有趣的概念，包括称作超对称性的新对称原理(藉此还改善了能量尺度的准确度，各相互作用的强度在10¹⁶GeV时便趋于一致)?或一些新的强作用力——称为彩色(technicolor)作用力?抑或二者皆而有之。所有包含附加作用力的理论，均使其与强作用力?弱作用力和电磁作用力在约为10¹⁶GeV的一个能量尺度上统一起来，新作用力在远低于10¹⁶GeV的某个能量尺度上变强，但我们不能直接观察到，因为新作用力不作用到标准模型的已知粒子上；而是作用在另外一些粒子上，其质量太大，以致在我们的实验室里还不能产生。这些“很重”的粒子由新作用力获得质量，尽管如此，还比10¹⁶GeV轻得多；就作用力在远低于10¹⁶GeV的能量尺度上已很强。在这样的图像描绘中，标准模型的已知粒子或许与很重的粒子相互作用，其质量会作为这比较弱的相互作用的一种副效应而产生。此机制可能解决阶层问题，它使已知粒子比那些很重的粒子轻，而后者比10¹⁶GeV还轻得多。

　　所有这些观念共同导致另一个结局：要求存在新粒子动物园，新粒子的质量比1000GeV并不高出很多。如果观念正确，那末这些粒子或许会于2020年之前在大型强子对撞机上被发现；其中一部分新粒子甚至更早一些就在费米实验室或CERN露脸。纵然可能多花费几十年时间，但新加速器显示新粒子性质更充分。一旦发现了这些粒子并观测到它们的性状，我们将会明白它们是否幸存于大爆炸的早期；尔今是否能保证星际空间存在“暗物质"，由此暗物质提供宇宙现存的大部分质量。无论如何，看来截止2050年，我们将探明自然界里所能遇到的能量尺度之巨大比值的起因。

　　下一步该怎么办？实际上我们不可能做包含诸如10¹⁶GeV那样的粒子能量尺度过程的实验。就目前的技术状况而论，加速器的直径正比于给予被加速粒子的能量。给予粒子的能量若达到10¹⁶GeV，或许就要求加速器的直径竟长达几个光年。即使有人发现某种其他方式：把可观的能量集中在单个粒子上，但如此能量尺度上有意义的过程进行得太慢，以致尚未见到有价值的报道。然而我们尽管不可能直接考察诸如10¹⁶GeV能量尺度上的过程，还是很有可能使这些过程在可达到的能量尺度上产生一些效应，此效应能通过实验被证认，因为它们超出了标准模型所允许的范围。

　　标准模型是一种特殊类型的——所谓“重整化”的量子场理论。对于这“重整化”术语，要追溯到二十世纪四十年代；当时物理学家研究如何用第一个量子场理论去计算原子能级的微小移动。他们发现，用量子场理论计算总是产生无限大量，此情况往往意味着理论有缺陷?或者超出了理论成立的限度。后来他们便找到一种处理无限大量的方式，即把无限大量吸收到对只不过少数几个物理常数(譬如电子的电荷和质量)的重新定义或“重整化"的形式中。(在标准模型的那个极小型式里，只不过带有一个标量粒子，就有十八个这样的常数。)凡进行这样处理的理论称为重整化了的，其结构比非重整化理论简单。

被遏止的相互作用

　　标准模型的简单重整化结构使我们得出对于实验结果的定量性具体预言，预言成功则已证明理论的正确性。尤其，标准模型的重整化原理与其各种对称性原理，排除诸如孤立质子衰变那样的不可观察的过程?并禁止中微子具有质量。物理学家一般都相信，量子场理论必须重整化，才是正确的。这个要求有力地促使理论物理学家从形式体系上完善标准模型。很不顺当的是，出于基本的缘由，看来不可能系统地表述重整化的量子引力场理论。

　　尔今我们的观点已经改变。粒子物理各理论显得不同，这取决于所考察的过程和反应的能量高低。由交换很重粒子而产生的作用力，在与交换粒子之质量相比而言较低的能量尺度上一般都很弱。其他效应可能同样都被遏止，那末所谓有效场理论涉及低能量；在此理论中这些相互作用可忽略不计。理论物理学家已经认识到，任何与狭义相对论协调的基本量子理论看来都像是在低能量尺度上的可重整化理论。虽然有效场理论中的无限大也抵消了，但它们并无在经典意义上可重整化理论那样的简单结构；存在一些附加的复杂相互作用；它们并非完全被排除，而是在某一特征能量以下的能量尺度上被强烈地遏止。

　　引力本身正是这样一种被遏止的不可重整化的相互作用。它在低能时很弱；所谓低能乃与我们所推测其约为10¹⁸GeV的基本能量尺度相比而言。另一种被遏止的不可重整化的相互作用或许使质子不稳定，其半衰期在10³¹~10³⁴年范围内；因其衰变太慢，以致于到2050年也不会被观测到。还有别的被遏止的不可重整化的相互作用可能给出中微子的微小质量，约为10^-11GeV。关于中微子具有如此数量级的质量，已经有了一些证据。

图2下一步该怎么办？有几种使物理学统一起来的可能性，均超出标准模型。由彩色模型(a)导致类似于把夸克结合起来的“色作用力”的一些相互作用。伴随这些相互作用的乃是不同于三代已知粒子的一些新粒子代。超对称性(b)把费米子与玻色子关联起来，并把每种已知粒子的超对称伴侣粒子添入标准模型。M理论和弦理论(c)以诸如细弦?环和薄膜等作为新款实体(其性状在低能时类似于粒子)来改造这整个模型。

　　由这样的观测会得出关于所有作用力的统一理论之有价值的线索，但如果没有一些全新的观念或许就不可能探索到这个统一理论。某些有希望的研究成果已在传播。有五种关于称作弦的一维细微实体的不同理论。弦在低能时以不同的振动模式呈现为各种粒子，并显然是由以提供有关十维时空形式的引力和其他作用力的圆满的有限理论。我们不是生活在十维空间里，但似可相信：六个空间维可能被卷得十分细微，以致不可能在低于每个粒子10¹⁶GeV的能量过程中被观测到。过去几年里已有证据表明，这五个弦理论(以及十一维空间里的量子场理论)是所有不同构型的单一基本理论(有时称为M理论)，它们在不同近似条件下被应用。

在时空之外

　　完成这项任务有两项困难：困难之一是我们不知道有哪些物理原理支配基本理论。爱因斯坦发展广义相对论时，从已知的引力性质引入一条原理——引力与诸如离心力那样的惯性效应等效。所谓的规范对称性原理促使标准模型发展。

　　但我们没有发现任何支配M理论的基本原理。与M理论相近的如有不同维数时空空间里的弦理论或场理论；但看来可能这样：基本理论不完全是凭依时空的表示形式。量子场理论严密受制于一些关于四维时空之本质的原理，这些原理属于狭义相对论的内容。当起源于时空中的日常生活的一切直觉在基本理论所描绘的领域里变得不再适用时，我们如何能得到正确表示该理论所需要的一些观念？

　　另一个困难是，即使我们能系统表示基本理论，也不了解如何用它作出预测以证明其有效性。标准模型的大部分成功的预测都基于所谓微扰论的计算方法。在量子力学中，物理进程的速率通过对促使该进程由以产生的中间过程的一切可能结果累加而给定。利用微扰论，起先只是计及一些最简单的过程，尔后是余下来的最简过程，如此等等。唯有当愈来愈复杂的中间过程对于速率的贡献愈益减弱时，此计算工作才能奏效；这通常是指所涉及的作用力足够微弱的情况。有时关于甚强作用力的理论与其他可用微扰论方法解决的关于甚弱作用力的理论相等效。某些配对——十维空间中的五个弦理论和较早注意到的十一维空间中的场理论——看来是正确的。遗憾的是，基本理论的作用力既不很强?又不很弱，从而排除了微扰论对它的适用性。

结 语

　　还不可能说定这些问题何时得以解决。它们可能被一位年轻的理论家在明天就以非正式出版的形式解决了；也可能到2050年或甚至到2150年也未解决。但一旦解决，尽管我们不能做能量尺度高达10¹⁶GeV的实验或不能透视高维空间，但我们对于确认基本统一理论的正确性便毫无疑惑了。将要检验该理论是否成功地解释标准模型的物理常数的测量值?以及超出标准模型的其他效应到那时是否可能被发现。

　　可能是，我们一旦最终理解了粒子和作用力在至高达10¹⁸GeV的能量尺度上的行为如何，就恰恰会在远离10¹⁸GeV处以终极统一性的探索方式发现新的奥秘；但我对此有疑问。还没有超出10¹⁸GeV的任何基本能量尺度的征兆；弦理论甚至表明，更高的能量是没有意义的。

　　发明一个描述自然界在一切能量尺度上的性质的统一理论，会使我们以适当的方式回答如下含义深刻的宇宙学问题：我们称之为大爆炸的那一团膨胀着的星系云是否在过去一个确定时刻有一个开端？大爆炸是否恰恰是一个大得多的宇宙——其中大爆炸?小爆炸继续不断地发生——里的一个事件？如果是这样，我们称之为自然常数的?或甚至自然规律，会在一次大爆炸到另一次大爆炸之间发生变化吗？

　　物理学不会终止。物理学甚至还不会有助于弄明白诸如湍流和高温超导那样的?尚未被今日物理解决了的问题。但这或许标志某一类物理学研究——探讨以一个统一理论承担物理科学的其他一切事实——行将结束。

　　[Scientific American，1999年第12期]