从牛顿定律到爱因斯坦相对论-14

对于这种不对称的起源，大统一理论能给出一种相当自然的解释。这主要是因为，大统一理论中容许存在粒子与反粒子之间的不对称的过程，它可能导致粒子反粒子数量的不相等。不过，这种过程在今天宇宙中的作用微乎其微，只在很少的几个实验中能看到它。然而，在宇宙的极早期，即宇宙寿命大约是10-36秒的时候，这种微小的不对称过程会影响到整个宇宙，使其中的质子数目多于反质子数目。这种不对称的数量在当时仍然是很小的，大约只有十亿分之一。然而，当宇宙冷却之后，它的后果变得越来越显著。今天我们生活的地球以及整个星球世界就是由宇宙极早期中的一点点“多余的”粒子形成的。尽管这种解释还没有得到足够的证据，不过它揭示的思路却是十分引人的。因为，自从牛顿之后，研究自然的路就分成两条，一条研究越来越小的物质结构，一条研究越来越大的·137·宇宙现象。现在，探索极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。沿着这条思路，人们自然希望能走得更远，即去寻求比大统一更加统一的理论，去探索比极早期更加早期的宇宙。宇宙现象。现在，探索极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。沿着这条思路，人们自然希望能走得更远，即去寻求比大统一更加统一的理论，去探索比极早期更加早期的宇宙。在大统一之后等待统一的只有引力相互作用了。引力是最早被认识的一种相互作用，可是它的统一问题却最难。原因之一是引力和量子论关系一直没有协调起来。爱因斯坦对标准的量子力学的解释是持否定态度的，他认为可以通过引力与其他相互作用的统一找到代替现有量子理论的正确理论。这条路没有走通。相反，迄今成功的统一都是在量子场论的基本框架内完成的，所以，现在一般认为，在引力论与量子论的关系上，应当把爱因斯坦的观点倒过来，即只有找到能与量子论相适应的引力理论之后，才能最终完成它的统一。因此，尽管在目前实验室的能量范围内还没有直接看到任何的引力量子效应，可是寻找量子引力理论的工作却持久不衰。然而，这项工作困难重重。人们已经意识到，这个困难可能不是技术性的，而是涉及到最根本的观念。比如，引力的量子论中也有一个能量尺度，大约是1028电子伏特，当能量大于这个值时，时空本身不再是一个描述运动进行的平坦背景，而是有明显的量子涨落。因而，在这尺度之后，不可能再谈更深的物质构成的层次。或者说，量子引力论将给物质结构带来·138·一个微观方面的界限。一个微观方面的界限。黑洞的发射1970年，在经典黑洞理论中证明了一条定理：在演化过程中黑洞视界的表面积只能增大而不能减小。外来物质或辐射掉进黑洞时，黑洞视界表面积就增大。当两个黑洞因碰撞而合成一个黑洞时，最终的黑洞视界表面积也比原来的两个大。物质不可能从黑洞中出来，一个黑洞也不可能分裂成两个黑洞。所以，黑洞视界面积只能增大。这叫做面积不减定理。黑洞面积的不减性使人们联想到热力学中的熵。熵在演化过程中也有不减性。一个孤立体系的熵总是随着时间而增大（或者不变）的，决不会减少。后来，进一步发现，黑洞面积与热力学熵之间的类比不仅是形式上的，而是实质性的。面积也就是黑洞的熵。同时，·139·我们也可以定义黑洞的温度。这个温度也应与热力学中的温度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡等等。我们也可以定义黑洞的温度。这个温度也应与热力学中的温度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡等等。体A和B在达到平衡时，二者是有能量交换的。但是，单位时间从A传到B的能量，等于从B传到A的能量，所以总的效果应是AB的温度都不变化。这样，如果一定温度的黑洞也能与同样温度的其它物体达到热平衡，那么，单位时间内从物体传给黑洞的热量，应等于单位时间从黑洞传给物体的热量。然而，经典的黑洞理论认为不可能有任何物质从黑洞内部出来。这就是黑洞热力学中的矛盾。1974年霍金解决了这个矛盾。最关键之点就是考虑了量子论的作用。按照量子论的观点，真空并不是简单意义下的“空”，它具有丰富的物理内容。整个物理空间中都充满着“虚粒子”。这种虚粒子的作用，可以通过它们的物理效应加以证实。在通常的情况下，“虚”粒子不断地产生，也不断地湮灭。所以，真空中永远不会自动产生“实”的粒子或反粒子。但当存在引力场，特别是存在黑洞时，情况就不同了。这时，如果真空中产生了一对虚的电子和正电子，其中有一个掉到黑洞中，它永远不可能再出来，于是剩下另一个就失去了伴儿，再也无法湮灭。这个孤独的粒子或者不久之后也掉进黑洞，或者能逃离黑洞附近，其效果看起来就如同黑洞在发射一样（图12-1）。这是黑洞强场引起的真空发射，发射的结果是使黑洞的质量变小。·140·图12-1 在黑洞的附近，正反粒子对中有一个可能会掉进黑洞，留下的另一个粒子就没有对象可以和它湮灭。剩下的那个粒子有可能逃到无穷远处。于是，看起来就好象黑洞在发射粒子或反粒子一样黑洞的发射，是一种热发射，即各种辐射谱都是黑体类型的。因此，无论黑洞由什么物质演化而形成的，我们只能给出某种粒子在某种模式上的几率的预言。这就是前面已谈到的结论。这个理论只考虑到真空的量子涨落性质，而对黑洞的引力场仍然采用经典的结果，所以总的说是一种半经典半量子的结果。超统一和奇性尽管量子引力理论遇到上述种种问题，引力的统一化和量子化还是有进展的。有希望的途径是把广义相对论推广到超引力理论或最近发展起来的超弦理论。这种超统一、超对·141·称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有一个非常诱人的性质，即把物理学中传统的“物质”与“相互作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这样，这种理论不仅在统一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参数的意义上也是完整的。称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有一个非常诱人的性质，即把物理学中传统的“物质”与“相互作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这样，这种理论不仅在统一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参数的意义上也是完整的。广义相对论虽然消除了牛顿理论中的奇性，但也带来了一系列新的奇性。在黑洞解中有奇点，在宇宙学中也有奇点。引力坍缩的结局是奇点；大爆炸的起始也是一个奇点。有一段时间里物理学家相信，上述奇点只是数学形式上带来的东西，而实际上是可以避免的。如果不用完全对称的几何结构，也许就没有奇点。但是七十年代以来的一系列工作证明，在广义相对论中，奇点是一个普遍不可避免的东西，在宇宙的演化中一定要遇到奇点。·142·现在我们则期望，量子引力理论也许能避免上述奇性。姑且不论量子性是否能避免上述奇性，而引力的量子效应带来了上述的1028电子伏特的界限已是确实的。这样，就出现了一种大胆的猜想。一当我们找到了预期统一完整的超引力理论之后，就可以追溯到宇宙年龄小于10-43秒的绝早期，在那里，奇点没有了，代之以宇宙的创生，故可叫做创生期。在创生期，宇宙中只有一种相互作用，即“超引力”。在10-43秒之后，由于宇宙的膨胀发生“相变”，才逐一出现引力、强作用、弱作用及电磁作用的现今形态。这样，大爆炸的起点就是宇宙的创生。如果宇宙真是以这种方式统一起来的话，那么，“奇点”亦即创生是否就是人类两千多年来孜孜以求的物元呢？(1)(1)有关这一问题的更全面论述，请参见方励之、李淑娴著的《宇宙的创生》，科学出版社1986年。·143·