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<title>書路--黑洞、嬰兒宇宙及其他</title>
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黑洞、嬰兒宇宙及其他
七、理論物理已經接近尾聲了嗎？[9]
我要在這幾頁討論在不太遠的將來，譬如講本世紀末實現理論物理學目標的可能性。
我這里是說，我們會擁有一套物理相互作用的完整的協調的統一理論，這一理論能描述
所有可能的觀測。當然，人們在做這類預言之時必須十分謹慎。以前我們至少有過兩回
以為自己瀕于最后的綜合。人們在本世紀初相信，任何東西都可以按照連續體力學來理
解。所要做的一切只不過是測量一些諸如彈性系數、粘滯性和傳導性等等參數。原子結
構和量子力學的發現粉碎了這一希望。又有一回，在本世紀二十年代末，馬克斯·玻恩
對一群訪問哥廷根的科學家說：“盡我們所知，物理學將在六個月內完結。”這是在保
羅·狄拉克發現狄拉克方程之后不久講的。狄拉克是盧卡遜教席的一位前任。以他命名
的方程制約電子的行為。人們預料類似的方程會制約質子，質子是另一種當時僅知的假
設為基本的粒子。然而。中子和核力的發現又使那些希望落空。現在我們已經知道，事
實上不管是質子還是中子都不是基本的，它們是由更小的粒子構成的。盡管如此。我們
近年來取得了大量的進步，而且正如我將要描述的，存在某些謹慎樂觀的根據，相信在
某些閱讀這篇文章的讀者有生之年我們能看到一套完整的理論。 [9]作者注：1980年4月29日我在劍橋就職為盧卡遜數學教授。這篇文章即是我
的就職講演，由我的一名學生宣讀。
即使我們的確得到了完整的統一理論，我們除了最簡單的情形外，仍然不能作任何
細節的預言。例如，我們已經知道制約我們日常經歷的任何事物的物理定律。正如狄拉
克指出的，他的方程是“大部分物理學以及全部化學的基礎”。然而，我們只有對非常
簡單的系統，包括一顆質子和一顆電子的氫原子才能解這個方程。對于具有更多電子的
更復雜的原子，且不說具有多于一個核的分子，我們就只能借助于近似法和直覺猜測，
其有效性堪疑。對于由大約10↑23顆粒子構成的宏觀系統，我們必須使用統計方法而且
拋棄獲得方程準確解的任何幻想。我們雖然在原則上知道制約整個生物學的方程，但是
不能把人類行為的研究歸結為應用數學的一個分支。
我們說的物理學的一個完整的統一理論是什么含義呢？我們對物理實在的模型通常
由兩個部分組成：
1.一族各種物理量服從的局部定律。這些定律通常被表達成微分方程。
2.一系列邊界條件。這些邊界條件告訴我們宇宙某些區域在某一時刻的狀態以及后
來從宇宙的其他部分傳遞給它的什么效應。
許多人宣稱，科學的角色是局限于這兩個部分的第一個，也就是說一旦我們得到局
部物理定律的完整集合，理論物理也就功德圓滿了。他們把宇宙初始條件的問題歸入形
而上學或者宗教的范疇。這個看法在某種方面像本世紀以前勸阻科學研究的那些人的觀
點，他們說所有自然現象都是上帝的事務，所以不應加以探索。我認為，宇宙的初始條
件和局部科學定律可以同樣地作為科學研究和理論的課題。只有在我們比僅僅宣稱“事
情現在之所以如此是因為它過去是過去的那種樣子”更有作為時，我們才算有了一個完
整的理論。
初始條件的唯一性問題和局部物理定律的任意性問題密不可分：如果一個理論包含
有一些諸如質量或者偶合常數的人們可以隨意賦值的可調節參數，則我們不把它當成是
完整的。事實上，無論是初始條件還是理論中的參數值似乎都不是任意的，它們是被非
常仔細地選取或者挑選出來的。例如，質子——中子質量差若不為兩倍電子質量左右，
人們就不能得到大約二百種穩定的核，這些核構成元素，并且是化學和生物的基礎。類
似的，如果質子的引力質量非常不同，就不能得到這些核在其中合成的恒星。此外，如
果宇宙的初始膨脹稍微再慢一些或稍微再快一些，則宇宙就會在這種恒星演化之前就坍
縮了，或者會膨脹得這么迅速，使得恒星永遠不可能由引力凝聚而形成。
的確，有些人走得如此之遠，他們甚至把對初始條件和參數的這些限制提高到原理
的地位，這就是人擇原理，可以把它敘述如下：“事物之所以如此是因為我們如此。”
根據這一原理的一種版本，存在非常大量不同的分開的宇宙，它們具有不同的物理參數
值和初始條件。這些宇宙中的大多數不能為智慧生命所需要的復雜結構發展提供恰當的
條件。只有在少數具有和我們自己宇宙的類似的條件和參數的宇宙中，才可能讓智慧生
命得以發展，并且詢問道：“宇宙為何像我們所觀測的那樣？”其答案當然是，如果宇
宙換一種樣子，就不存在任何人去問這個問題。
人擇原理的確為許多令人注目的數值關系提供了某種解釋，我們在不同的物理參數
值之間可以觀察到這些關系。然而，它不是完全令人滿意的。人們不禁覺得應該存在某
種更深刻的解釋。此外，它不能解釋宇宙中的所有區域。例如，我們太陽系肯定是我們
存在的先決條件，先決條件還包括更早代的鄰近恒星，重元素可由核聚變在這些恒星中
形成。甚至我們整個銀河系也是必須的。但是似乎其他星系沒有必要存在，更不用說在
整個能觀測到的宇宙中大體均勻分布的我們看得見的億萬個星系了。宇宙的大尺度均勻
性使如下的論證非常難以使人信服，像在一顆小行星上的某種復雜的分子結構這么外在
的微不足道的東西決定了宇宙的結構，這顆行星繞著一顆在相當典型的螺旋星系的外部
區域的一顆非常平凡的恒星公轉。
如果我們不準備借助于人擇原理，就需要某種統一理論來解釋宇宙的初始條件和各
種物理參數值。然而，要一蹴而就地杜撰出一種包羅萬象的完整理論是太困難了（雖然
這似乎不能阻止某些人這么做，我每周都從郵政收到兩三種統一理論）。相反的，我們
要做的是尋找部分理論，它能描述在忽視或以簡單方式去近似某些相互作用下的情形。
我們首先把宇宙的物質內容分成兩個部分：“物質”即為諸如夸克、電子和繆介子等粒
子，以及“相互作用”諸如引力和電磁力等等。物質粒子由具有半自旋的場來描寫，它
服從泡利不相容原理，該原理保證同一狀態下最多只能有一顆同類的粒子。這就是我們
能有不坍縮成一點或輻射到無窮遠去的固體的原因。物質要素又分成兩組：由夸克組成
的強子，以及包括其余的輕子。
相互作用被唯象地分成四個范疇。它們按照強度依序為：強核力，這只是強子之間
的相互作用；電磁力，它是在帶電荷的強子和輕子之間的相互作用；弱核力，它是在所
有強子和輕子之間的相互作用；最后還有迄今為止最弱的，即引力，它是在任何東西之
間的相互作用。這些相互作用由整自旋的場所表示，這些場不服從泡利不相容原理。這
表明它們在同一態上可有許多粒子。在電磁力和引力的情形下，其相互作用還是長程的，
這表明由大量物質粒子產生的場可以疊加起來，得到在宏觀尺度上能被檢測到的場。正
因為這些原因，它們首先獲得為之發展的理論：十七世紀牛頓的引力論，以及十九世紀
馬克斯韋的電磁理論。牛頓理論在整個系統被賦以任何均勻的速度時保持不變，而馬克
斯韋理論定義了一個優越的速度——光速，所以這兩種理論在本質上是相互矛盾的。人
們最后發現，牛頓引力論必須被修正，使之和馬克斯韋理論的不變性相協調。愛因斯坦
在1915年提出的廣義相對論達到了這種目的。
引力的廣義相對論和電磁力的馬克斯韋理論是所謂的經典理論。經典理論牽涉到至
少在原則上可以測量到任意精度的連續變化的量。然而，當人們想用這種理論去建立原
子的模型時產生了一個問題。人們發現，原子是由一個很小的帶正電荷的核以及圍繞它
的帶負電荷的電子云組成的。自然的假定是，電子繞著核公轉，正如地球繞著太陽公轉
一樣。但是經典理論預言，電子會輻射電磁波。這些波會攜帶走能量，并因此使電子以
螺旋軌道撞到核上去，導致原子坍縮。
量子力學的發現克服了上述的困難。它的發現無疑是本世紀理論物理的最偉大的成
就。其基本假設是海森堡的不確定性原理，它是講某些物理量的對，譬如講一顆粒子的
位置和動量不能同時以無限的精度被測量。在原子的情形下，這表明處于最低能態的電
子不能靜止地呆在核上。這是因為在這種情形下，其位置是精確定義的（在核上），而
且它的速度也被精確地定義（為零）。相反的，不管是位置還是速度都必須圍繞著核以
某種概率分布抹平開來。因為電子在這種狀態下沒有更低能量的狀態可供躍遷，所以它
不能以電磁波的形式輻射出能量。
在本世紀的二十年代和三十年代，量子力學被極其成功地應用到諸如原子和分子的
只具有有限自由度的系統中。但是，當人們嘗試將它應用到電磁場時引起了困難，電磁
場具有無限數目的自由度，粗略地講，時空的每一點都具有兩個自由度。這些自由度可
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