爱华网《方励之选集》连载（19）
理论物理学的前景
《百科知识》的编者出题，要我谈一谈对理论物理的前景的看法。这是件困难的事。
这使我想起，今年4月的中旬，当我正准备离开英国剑桥去美国访问时，在卡文迪许实验室里，看到一张特别醒目的告示。上写着，应用数学及理论物理系的霍金[S. W. Hawking]将做一次学术报告，题目是：
“理论物理学的终点是否已经在望？”
这使受过中国近30年的正统哲学教育的我，心中不免一震。一种本能的反应就是：
终点？！怎么可能有终点呢？按照“标准”的评价，这乃是没落资产阶级心理的一种反映。
然而，如果不是用本能而是用思考来自问一下：为什么终点观一定是反科学的？为什么不可穷尽观又一定是科学的？就至少会感到，答案并不是显而易见的。今天，既然在经济学领域我们已经从社会生活的发展中，对马克思的绝对贫困化等理论提出怀疑，那么，在物理学中，似乎再没有必要把列宁的“电子和原子一样，也是不可穷尽的”视为当然的结论了，因为它从来就没有被证明过。
因此，我想，在讨论理论物理的前景时，认真介绍一些“非标准”观点，或许是值得的。由于行期所限，霍金的报告我未能去听，但其观点，还是推测得到的。因为，在剑桥学派中，目前“终结观”是流行的。
霍金所谓的终结，意思是我们在不久的将来就可发现一组完全的、自洽的、统一的物理相互作用理论，它能描写所有可能的物理观测。
如果说一门学科之成其为一门学科，应当在于它有独特的目的、自己的方法，那么，理论物理的目的和方法就是力图发现各种物理现象之间的统一，找到支配各种过程的统一的规律。理论物理学家的基本信念之一，就是相信存在着支配整个物理世界的统一规律。的确，回顾理论物理的发展，就会看到，它是由一系列越来越普适的规律的发现所构成的。这种发现进程会不会有终结的时候？这决定于下列三种情况会不会出现：一、我们最终发现了支配所有物理现象的统一规律；二、我们遇到了一个界限，在此之后不存在物理的因果规律；三、我们达到了“所有可能的观测”的极限。
过去的历史似乎表明，这三种情况都不会出现。事情似乎是，随着相互作用能量的提高，我们不断发现物质结构的新层次，也不断建立新的统一规律。
理论物理学上的第一次统一，就是牛顿在17世纪发现了支配天体运行和地面落体运动的共同规律，即他的力学和万有引力定律。在这一层次中，相互作用能量是很低的，如果以沿地球轨道运行的核子在太阳引力场中的束缚能来标志，则能量量级为10-11尔格，相当于6电子伏。
第二次的大进展是由19世纪的麦克斯韦完成的，他建立了电磁理论，使电、磁及光学现象得到了统一。
很快发现，牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学这两大领域在根基上是互不相容的。在前者中，各种匀速运动是平权的，而在后者中，却含有一个地位特殊的速度，即光速。爱因斯坦毕生企图把这两个领域统一起来，虽然没有得到最后的成功，但却走了极其重要的一步，找到了能与麦克斯韦电磁学相协调的引力理论——广义相对论。
作为引力理论的广义相对论和作为电磁理论的麦克斯韦理论构成了经典物理学。它的正确性为大量的实验所证实。这是上世纪末和本世纪初的情况。就在同一时期里，开始证实物质并不是连续的，而是由原子所构成。例如，布朗运动已可显示原子性，它的能量尺度约为10-2电子伏。
当利用经典理论来构造原子模型时，遇到很大困难。因为，实验证明原子的基本结构是：中心有一几乎等于整个原子质量的带正电的核，它的周围由电子围绕。可是，按经典理论，这种旋转电子应发射电磁波，由此消耗能量而将堕入原子核中。也就是说，用经典理论得不到一种稳定的原子模型。
这个困难被量子论所克服。量子论比经典理论更为普适。量子论的基本点之一是“削弱”了经典的因果律。在经典物理的传统中，我们相信，只要知道了一个体系的初始条件，那么，在原则上就可以无限精确地预言该体系此后的发展。相反，量子理论则认为，决定论式的预言在原则上是不可能的。只能有统计性的预言。
量子力学应用于原子、分子体系是极其成功的。但用于电磁场时，遇到新的困难。这主要是由于电磁场具有无限多的自由度，以致在计算结果中会出现许多无限大的量。
40年代末发展的重整化方法巧妙地克服了上述困难。在这种方法中，要引进一系列无限大的但并不直接可以观测的量，这样使可观测量是由无限大量之间的相减而成的有限量。尽管重整化方法并没有足够坚实的数学基础，但计算结果与实验符合，使量子的电磁理论——量子电动力学成为最成功的一个物理理论。
其他的物理相互作用理论则还没有如此成功。由于加速器能量的不断提高，到60年代末，我们已经得到了如下的物质结构的图像：宇宙中的所有物理对象可以分成两大类，一类称为“物质”，如夸克、电子、μ子等等；另一类称为“相互作用”，如引力、电磁力等等。物质粒子都由半整数自旋粒子的场所描写，而相互作用则由整数自旋粒子的场所表证。在目前的宇宙中，有四类基本的相互作用，按其强度顺序的排列是：强子参与的强相互作用；荷电粒子和光子参与的电磁相互作用；强子及轻子都参与的弱相互作用；以及最弱的，任何粒子都参与的引力相互作用。在50及60年代，各种相互作用的理论独自发展，那时的弱作用及强作用理论都是不可重整化的，或者说，在这些理论中必须引入无限多的无限大量才能使计算得到有限的结果。这当然不能令人满意，因为这实际上是得不到有限结果的。
1967年，温伯格、萨拉姆和格拉·肖的工作开始改变这种状态。他们再次着眼于统一，相互独立地提出了电磁作用与弱作用二者统一的理论。特别是，到1971年，又证明这一理论是可重整的，更增强了人们对这一理论的信心。尽管目前只在低能范围内对弱电统一理论进行过实验检验，但可能部分由于它在统一、重整等根本问题上带来极有意义的启示，这一工作获得1979年度的物理诺贝尔奖。
这一启示，促使人们去寻找可重整的及统一的强作用理论。比较成功的可重整理论是所谓量子色动力学，它认为参与强作用的基本粒子是由夸克组成的，夸克带“色”，夸克之间通过自旋为一的色胶子相互作用，就像电子之间通过光子相互作用一样。目前还不能声称这一理论已被实验证实，但已有的实验与量子色动力学理论不矛盾。
有了这个基础，就可以试图发展把电磁作用、弱作用及强作用都包含在内的统一理论了，通常称它为“大统一理论”。目前大统一的方案有很多，而在低能范围内，许多大统一理论有一个重要预言，即质子是不稳定的，它会自发衰变，因而其寿命是有限的（过去质子通常被认为是绝对稳定的）。现在实验已给出质子寿命的下限为1030年，进一步的实验可望得到能对理论进行检验的数据。
不过，像对弱电统一理论一样，对大统一理论的关键性的检验应当是在高能。大统一理论中有一个基本观念，即认为强作用的耦合强度随着能量的增高而逐渐减小；另一方面，在弱电理论中，电磁作用的耦合强度随能量增加基本不变；而弱作用耦合强度则随能量提高而变大。三者达到相等时的能量约为1024电子伏。这就是大统一理论所要求的能量标度。
1024电子伏是太高了，指望用加速器来做这种高能实验，似乎是永远没有可能的。今天的加速器在质心系统中的能量约为l010电子伏，下一代可望达到1012电子伏，这个能量对检验温博格-萨拉姆的弱电统一理论是很有意义的，但对大统一理论来说仍是太小太小了。因此，从推进理论物理（即发现统一的物理规律）的意义上来讲，目前这类加速器的原理和方法可能已接近它的晚期。
正因为如此，一些粒子物理的工作开始从加速器转向其他，例如宇宙学。也许，我们生存于其中的宇宙只有在大爆炸的极早期曾经有过能量尺度为1024电子伏的粒子过程。这样，极早期宇宙，即宇宙年龄小于10-8秒的一瞬间，可能是检验大统一理论的高能行为的唯一的“实验室”。这就是这两年来粒子宇宙学迅速发展的直接的原因。
然而，宇宙实验室也不是取之不尽的。因为，今天的宇宙年龄已有约100亿年了，许多早期发生过的事，已经难于考查。特别是，如果在演化过程中曾经经过一些热平衡态，那么，由于热平衡是会“遗忘”历史的，故在原则上，从我们今天对宇宙的观测，已很难推知宇宙早期的某些情况。
总之，如果我们认为，只有随着能量的提高，才能不断地发现物质结构的新层次，则问题就是，可能不再找得到具有更高能量的有效的实验室了，我们已经面临着达到“所有可能的观测”的极限。
大统一理论其实既不够“大”，也不够“统一”。不够大，因为引力相互作用并没有被包括在大统一理论之中。不够统一及完整，因为其中还含有许多重整化参数，例如各种耦合常数以及质量。
为什么大自然选择这些常数为这个值而不是另外的值?这同样是科学应当回答的问题。与此有紧密联系的是初始条件问题。为什么我们的宇宙选择这种而不是另一种初始条件？如果我们不回答这些问题，就等于默认我们只能以下列的方式说明世界：“事情现在之所以是这样，那是因为它过去是那样”，或者“事情现在之所以是这样，那是因为第一推动会是那样”。显然，这还只是一半的科学。
有些人企图改变上述的说明方法，其中重要的一种就是所谓“人择原理”。它主张以下述方式说明世界：事情现在之所以是这样，那是因为现在有人存在。意思是说，可能存在许多不同类型的宇宙，它们各自具有不同的物理参数和初始条件。然而，只有在参数取特定值的宇宙中，才能演化出人类。这样，并不是不允许自然界选择其他的物理常数和初始条件，而是人只能存在于具有特定参数值的宇宙之中。因之，人也就只能看到具有特定参数的宇宙了。就如同那些春生秋灭的昆虫，只能“观测”到温暖的气候，而看不见严寒，虽然严寒是客观存在的。
利用人择原理可以相当好地说明一些物理常数之间的关系，例如，只要中子与质子的质量差稍有变化，就可能使上百种核素变成不稳定的，这将直接影响到化学和生物演化的根基。人之所以能存在，的确是与物理常数的巧妙配合分不开的。
人择原理也有它的弱点，它暗含地假定，物理常数的任何其他配合，都不可能或很少可能演化出人，或演化出具有自我认识能力的生物，而这一点实际上是无法用观测来加以检验的。所以，我们并不希望用人择原理去解释太多的常数值，而更希望能用进一步的统一来减少自由参数的数目。
在大统一之后，等待统一的只有引力了。引力十分弱，在目前实验室的能量范围内还没有直接看到引力的量子效应。引力的量子理论还没有解决重整化问题。再有，按照经典引力理论，宇宙不可避免地要存在“奇点”。也就是说，或者整个宇宙起源于奇点，或者终结于奇点，或者二者都出现在这种质量、密度、时空曲率等许多物理量均成为无穷大的点上。在遇到奇点的地方，我们不再可能在事件之间确定因果联系，作为经典理论基础之一的引力理论，是基于因果律的，但奇点定律表明，其中必有因果律不再适用的地方。当然，也可以采取另外的解释，即认为，奇点并不真的存在，相反，是在奇点附近经典引力理论本身已经失效。例如，考虑到引力的量子效应或许就能避免奇性。
姑且不论量子化后是否确实可以避免奇性，而引力的量子效应却会带来一个新的能量尺度，在能量大于此值的范围，时空本身不再是一个描述运动进行的连续背景，而是有明显的引力场的量子涨落，因此不可能再谈更深层次的物理结构。这个能量界限是1028电子伏。这样，无论在经典的或量子的引力中，我们都会遇到使理论物理终结的界限，或者是在奇点之处不再存在物理因果律，或者是在10-33厘米之下不再有更深的物质结构层次。
引力的统一化和量子化的最有希望的一个途径是把广义相对论推广到超引力理论。这种理论有一个非常诱人的性质，它把物理学中传统的“物质”与“相互作用”之间的界限也打破了，即用半整数自旋粒子所表示的“物质”，与用整数自旋所表示的“相互作用”之间也统一了。超引力的另一个优点是，在量子论中出现的许多无限大都相互抵消了。因而这种理论不但在统一了所有物理粒子和相互作用的意义上是完整的，而且在没有任何不确定的重整化参数的意义上也是完整的。不必要再用人择原理来解释物理常救的取值。
至于宇宙的初始条件，在统一的完整的理论中，也不希望全由人择原理来解释，而是更倾向于伏尔泰的哲学：我们生活在所有可能的世界中的最可几的那一个。我们已经说过，从经典理论进入量子理论时，伴随着因果律的“削弱”，从一般的量子理论进入有引力的量子理论后，因果律会进一步的削弱。在经典理论中，我们可以确定地预言粒子的位置和动量；在量子理论中，按测不准原理，我们只能确定地预言它的位置或它的动量，即预言的能力减小了一半。在黑洞周围的量子发射过程中，粒子的位置和动量都不能确定地预言，我们只能给出粒子在某个模式上的几率。因此，具有引力的宇宙，也是在各种不同的状态上按一定几率分布着。我们所生活的大爆炸宇宙，在初始时刻之所以具有理想的热平衡条件，那是因为热平衡态相应于几率最大的状态。就在这种意义下，我们是生活在那个最可几的世界之中。
总之，我们希望这种最终的统一理论只基于极少的出发点。例如，从以下的三点就可能唯一地确定整个理论结构：一、时空是四维；二、其中包含有引力；三、它是有限的，没有附加的无限项。显然，如果要求一个完整的理论是没有不确定的参数的，则它必须有第三点性质。至于第一及第二点，则只有求助于人择原理了。比如，如果有一种世界是由满足第一及第三点理论所支配的，则其中不含有引力。在这种宇宙中，没有足够的吸引力形成大尺度的聚集，从而不可能出现有复杂结构的生物。同样，如果时空不是四维的，而是三维的，即二维空间一维时间，也不足以出现人类，因为有机结构在本质上不是平面的。如果空间超过三维，则行星绕太阳或电子绕原子核的运动都是不稳定的，体系将崩溃或瓦解。至于多维时间的宇宙，那似更难有一种确定的因果律。
理论物理是从牛顿发现地面与天上的统一规律开始的。自那以后，路分两条，一条研究越来越小的物质结构，另一条研究越来越大的宇宙现象。现在，当理论物理进入晚期时，两条路又相遇了，探索越来越早期的宇宙演化与探索越来越深入的物质结构，开始合流了。当我们能找到预期的统一的完整的理论，使我们能追溯到大爆炸的起点（或奇点）时，我们的认识也就达到了物质结构的真正的基点，同时，我们也就遇到了不存在因果律的界限和观测的极限。所以，好像得到满足即等于死亡的浮士德一样，在宇宙开初的奇点那里，作为寻求统一的动力学规律的理论物理学将得到它的最大成功，最大的满足，同时也就是它的死亡。
（原载《百科知识》1981年第1期）
