万有理论-大统一理论的追寻与理解

万有理论又叫“万物理论”“大统一理论”“终极理论”。因为科学家相信，世界是简单的、和谐的，完全可以用一个简单的、包罗万象的、统一的理论来解释宇宙间的万事万物，这样一来，问题既简单明了，又清晰易懂，何乐而不为呢？所以，追寻大统一理论，是许多物理学家的终生愿望。

物理学家喜欢把一些表面现象不同但又有一定内在联系的物理事件归纳统一，这样可让人们看事物时简明扼要，一目了然，并找出它们共同的规律性。

物理学史上曾经有过好几次的统一事例，当然，这是小统一或局部统一，而不是大统一。以下简要介绍五种统一。

第一，重力和引力的统一。大家都知道，苹果从树上掉下来，是因为苹果受到重力的原因，地球围绕太阳转，是因为地球受到太阳的万有引力，重力使苹果垂直下落，引力使地球围绕太阳转。看起来是完全不同的两种现象，可是经科学家进一步研究发现这两种力是可以统一的。例如，如果我们站在一个很高的山顶上向水平方向扔石头，一方面，石头要沿水平方向前进，而在重力作用下又要往下落，于是石头的运动轨迹是一条向下的抛物线，如果水平抛出的速度越大，石头的落地点离抛出点就会越远，只要抛出的速度足够大，达到7.9千米/秒，石头就不会落到地面，而会像发射卫星一样，石头也沿着地球作圆周运动了，这就是万有引力的作用。在这个过程中，开始是重力使石头下落，后来重力越来越不起作用，石头落得越来越远，最后全部变成了引力。其实，经科学家进一步确定，重力和引力是同一性质的力，并且重力是万有引力的一部分，苹果在树上是受到地球的万有引力，这个引力分出一部分让苹果下落，把这一部分引力就叫重力，而引力分解出来的另一部分则使得苹果随地球自转时作圆周运动时所需要的向心力。

第二，电和磁的统一。在中学里大家知道，静止的电荷周围有电场，用钢笔（其实是硬橡胶）摩擦头皮使它带上静电荷，它可以吸引附近的小纸片，这时钢笔并不需要去靠近纸片，而是有一定的距离，这里是靠电荷周围的场物质把纸片拉了过来；我们用磁铁可以从较远处把铁钉吸引过来，这是靠磁极周围的磁场把铁钉拉了过来。从表面上看，电荷和磁铁是两种不同的东西，（当然也有相同的地方：都是通过场物质的作用），后来科学家发现，电和磁是同一事物的两个方面，由麦克斯韦的电磁场方程可以知道，电可以变磁，磁也可以变电，我们用手机时就是通过无线电波接收到来自电台发来的信号，无线电波就是变化的电场在空中变成变化的磁场，而变化的磁场又变成变化的电场，这种不断变化的电场和磁场在空中传播就是电磁波。所以，电和磁是一个统一体，统称电磁波。

第三，物质粒子和波的统一。我们平常看到的宏观物体有以下两种：一是实物粒子，如我们周围的房子、桌子、椅子，植物和动物；二是波动，如水波和声波，把一个石子丢到平静的水面，出现一个一个的同心圆形的波，这种水波是水这种媒质把石头入水处的振动传向远处。用槌子敲一下铜锣，铜锣的振动通过挤压空气把振动传向远方。所谓“波”，就是振动在媒质中的传播，波是宏观物体的集体运动，而粒子则是单个物体的运动。在宏观物体中，粒子和波是两种完全不同的东西；然而在微观物体中，这两种东西却可以统一在一个物体身上。

光是一种波动，光实际上是一种电磁波，只不过光波也好，电磁波也好，它们不像机械波，如前面说到的水波和声波，它们都是机械波，需要媒质（水和空气）把振源中的振动传递到远方，而光波和电磁波则不需要媒质作传播，因为电磁场本身就是传播的媒质。前文讲过，电磁波是变化的电场在空中它附近的地方产生了一个变化的磁场，而变化的磁场又在它的空间附近产生一个变化的电场，这样不断变化，便形成了电磁波或光波，这个时候，电磁场本身就是传播的媒质，但它们没有静止质量。光是一种波，但在许多情况下又表现出它的粒子性，如在光电效应实验中，用光去照射锌板，便可以打出电子来，这个用波动理论是很难解释的，但如果把光看成是粒子，就很容易解释了，因为光是粒子的话，就像打桌球一样，用一个白球去碰另一个色球，由于弹性碰撞，很快就把色球撞出去了。光子轰击电子也是一样的，很快就把电子从锌板中撞击出去了。所以，把光看成既是波动又是粒子，就能很好地解释许多的物理现象。后来的物理学家发现许多微观粒子如电子、质子、中子等有静止质量的实物粒子也都有波动性，所以物理学又称“微观粒子都具有波粒二象性”，即同一物体既具有波动性，又具有粒子性，两种性质统一在同一个物体上。它们是同一事物的两种不同的表达形式，如同一块硬币的两个面，一面是数字，另一面是图案，不管你看到的是数字也好或看到的是图案也好，都可以肯定地知道它是一枚硬币。所以，粒子和波是同一物体的两种不同的表现形式，或者说，某个东西，它既是波又是粒子，这两者是个统一体。

第四，质量和能量的统一。我们平常所看到的宏观物体（如书和桌子），都是有质量的，也是能看得见摸得着的。如果我们冬天围着煤炉烤火，身上暖洋洋的，并没有看到什么东西跑到我们身上来，但我们知道，这是炉火里的热量传到身上来了，这种“热量”就是能量的另一种不准确的说法。在这里，能量是看不见的，而质量是看得见又摸得着的，我们平常不会把这两种东西看成是一种东西的，可在爱因斯坦那里，却把这二者等同起来了。在爱因斯坦看来，能量就是质量，质量也就是能量，而且二者可以互相变换，即质量可以变成能量，能量也可以变成质量，且二者之间仅仅相差一个常数因子光速的平方，写成方程式是：E=mc2。这里，E是能量，m是质量，c是光速，c=3×108米/秒（即30万千米/秒）。光速的平方是个很大的数字，这说明，一点点质量的物体可以变成一份很大的能量，这在原子弹爆炸时可以得到验证，一公斤的铀爆炸时可以产生巨大的蘑菇云、冲击波、光和热，其实爆炸后铀的质量只损失了一点点，仅为几十克到几百克之间的质量损失，而产生的能量却相当于两万吨烈性炸药爆炸时产生的威力。在粒子加速器中，一个负电子和一个正电子相遇，它们便会湮灭、消失，变成两个γ光子跑掉了。在这一过程中，电子是有质量的，而γ光子是没有静止质量的（但有动质量），相遇后质量没了，变成了能量，并且是变成了具有极高能量的γ光子。这一变化的逆过程也是存在的，就是两个γ光子相遇，便可以变成一个负电子和一个正电子。也就是说，质量可以变成能量，能量也可以变为质量。由此可以看出，质量和能量是同一事物的两种不同表现形式，它们是个统一体，只是表现形式不同，没有本质的区别。

第五，时间和空间的统一。前文提到，时间和空间是伴随着宇宙大爆炸时的物质产生而产生的，由于产生了物质，物质产生了引力场，引力场凝结成了实物粒子，引力继续外延就是空间，物质的持续存在就是时间，空间是三维的，时间是一维的，合起来叫四维时空，四维时空是物质的外延和持续，或者说时间和空间是物质的两个衍生物，但是这两个衍生物又是统一的，也是同一事物的两种不同叫法。首先，它们在物理单位上是统一的。例如，我们平常用的“光年”“一光年”，它既是时间单位，又是空间里的长度单位，它表示某个星球一年前发出的光今天传到我们的眼睛里来了，它还表示这个星球离我们的距离是一光年，一光年等于10万亿千米，等于光速乘以365天乘以24小时乘以3600秒。在这里，时间和空间可以换算，中间仅仅相差一个换算因子光速c，如果用基本单位表示，就可以用“光秒”作时空单位，则有1光秒=3×108米/秒，用S表示距离，用c表示光速，用t表时间，则一般表达式为：S=ct。由公式可以看出，光速c是空间S和时间t的换算因子。在闵可夫斯四维时空中，一个物体以速度c从A点运动到B点则两点间的距离S2=x2+y2+z2+（ct）2，如果时间用虚数表示，则有S2=x2+y2+z2+（ict）2。

在以上的讨论中，光速c并没有特别的物理含意，它仅是时空之间两个单位的换算因子，只是由于历史的原因，当时把长度单位规定为米，把时间规定单位为秒，如果当时认识了它们是同一个物理量，则可以用同一个单位来表示它。这在其他地方也有类似的例子，例历史上曾经把热量单位规定为卡，把功和能量单位规定为焦耳，后来认识到它们是同一个物理量，因为热量是能量；另一种不太准确的说法，功是能量转化的量度，即做了多少功就有多少能量从一种形式转化成了另一种能量形式，（如电热器做了10焦耳的功，就是有10焦耳的电能变成了10焦耳的热能，所以，功、能和热都是同一物理概念，于是便有了热功当量J=4.18焦耳/卡，即一卡的热量相当于4.18焦耳的能量。

类比以上概念，我们可以把光速c叫作时空当量，还可把光速c的平方叫作质能当量。

如何寻找大统一理论呢？必须从两个方面寻找：物质和运动。

世界是物质的，物质是第一位的，所以首先要从物质入手。我们知道，平常我们所看到的宏观物体如高山湖海、石头、桌椅等都是由分子组成的，如土壤多由二氧化硅和沙砾等的分子组成，青石头则由碳酸钙的分子组成，生命体都由碳、氢、氧等联合组成的大的有机分子构成。而分子又由原子组成，所谓“原子”，就是化学反应中不能再分的最小的粒子，如水分子由两个氢原子和一个氧原子组成；我们平常吃的食盐又叫氯化钠，由有毒的金属钠和有毒的气体氯组成的，这两种有毒的东西结合在一起，便成了我们每天必不可少的美味了。相关研究进一步发现，原子在化学反应中不可再分，但用物理方法还可再分。相关研究还发现，原子由质量很大、体积很小且带正电的原子核和绕核运转的核外电子组成的，并且核所带正电荷个数和核外电子个数相等，所以原子在通常情况下对外并不显电性，而是中性的。实质上原子核还可再分，原子核内由质子和中子组成，每个质子带一个单位的正电荷，而中子不带电，一个原子内有几个质子，核外就有几个电子，所以整个原子对外显中性，一个质子的质量是电子质量的1840倍，中子质量和质子质量差不多，所以原子的质量主要集中在原子核内。然而，质子和中子还可以再分，目前科学家认为它们由夸克组成，中国科学家有人把它叫层子。

当时人们把构成物质的最小单位叫基本粒子，后来发现这些所谓的基本粒子还有更复杂的结构，如质子和中子，它们并不是基本的，所以后来并不用“基本粒子”这一说法。从大小上来看，基本粒子比原子小得多，质子和中子只有原子的十万分之一，而轻子和夸克只有质子和中子的万分之一。(www.xing528.com)

自然界中共有四种相互作用力：强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力和万有引力。强相互作用力是作用在原子核内部和夸克之间，前面说到，原子核内部由质子和中子组成，虽然中子不带电，但质子带正电，许多个带正电的质子挤在一块，距离非常近，它们之间的电荷斥力却是非常大的，要保证它们不分开，必须要有一个很大的力才能把它们捆在一起，这种力就叫强相互作用力，简称“强力”，又叫“核力”。强力的力程非常短，只在10-13厘米之内起作用，或者说只在原子核内起作用，超出这个范围就没有作用了，但它的强度很大。弱相互作用力，简称“弱力”，它只在中子和其他粒子衰变时存在，其强度比引力强，但比电磁力弱得多，它的作用范围更少，只在10-15厘米内起作用。电磁力存在于带电、带磁的物体之间，是把电子和原子核结合在一起形成原子、分子的基本作用力。我们之所以能稳固地站在地上而身体不被地球引力吸引下去，是因为地面上的物体在电磁力的作用下而产生了抗拒引力的作用，完全可以把我们支撑起来。电磁力的强度只有强力的几百分之一。万有引力是指任何两个有质量的物体之间都存在相互吸引的力，万有引力存在一切有质量的物体之间，它把行星、恒星和星系结合起来，也是我们地球上重力的来源，但它的强度非常弱，只有电磁力的1040分之一。电磁力和万有引力的力程都是无限远。

以上四种力无论从强度上，还是从作用距离上都有着很大的差别，但是物理学家却认为它们是有联系的，而且是可以统一的。爱因斯坦在26岁时发表了相对论，以后的整个后半生都在用于统一场论的研究，但都没有显著的效果。后来科学家把电磁力和弱力统一起来了，简称“弱电统一”，后来又把弱电、强电都统一起来了，唯独万有引力目前无法统一进来，现在的问题只简化到了两者的统一：弱电强电与引力的统一。而目前有科学家认为，在宇宙大爆炸开始的那一点，这四种力是统一的，叫“超对称力”，只是在大爆炸后的过程中，这四种力才逐步从中分离出来，这四种力又叫超对称力的四个相或四个态，正如水具有固、液、气三个态一样，其本质都是水分子组成的，只是在不同的情况下有不同的相而已。

在20世纪，人们发现各种粒子共有300多种，然后归纳、组合，认为主要可以分为三大类：强子、轻子和传播子。

按相互作用分，可以分为强子和轻子。传播子是传播各种相互作用的媒介子，如光子是传播电磁相互作用的媒介，中间玻色子（共三种）是传递弱相互作用的媒介，胶子（共8种）是传播强相互作用的媒介，引力子（假想的，目前还没有被证实）是传播引力的媒介。

凡不参与强相互作用的粒子叫轻子，如电子e、渺子μ和陶子τ。τ的质量是电子质量的3500倍，是质子质量的2倍，一点也不轻，所以一开始人们定义的重子、轻子和介子都没有什么严格的意义了，但由于历史的习惯，人们还是继续沿用它。但是有一条，目前认为这些轻子再没有什么内部结构，所以可以称为“基本粒子”。同时，这三种轻子都有它们相对应的中微子，分别称为电子中微子γe、渺子中微子γμ和陶子中微子γτ。中微子在宇宙中大量存在，特别是太阳中每天要放出大量的中微子，中微子的穿透力非常强，它可以毫无阻挡地从地球的这一边穿到另一边，而不与任何物质发生相互作用（包括我们人体，但剂量少，没有伤害），也不与探测器发生作用，所以捕捉它非常困难。但是，三种中微子都没有内部结构，也没有静止质量（到底有没有，目前还没有结论），所以这三种轻子加之相对应的三种中微子，共六种都算基本粒子。

凡是参加强相互作用的都叫强子。而强子又分为重子和介子，凡自旋数为半整数倍［如1/2，3/2，（2n+1）/2）］的都叫重子，如质子、中子和超子。凡自旋数是整数倍的（如0，1，2，3等）都叫介子，如π介子、k介子等，所有强子都还有它的内部结构，它们并不是基本粒子。它们都由夸克组成，夸克共分6种：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克。现在的粒子中，绝大部分是强子，而强子都是由夸克构成的，如重子都是由3个夸克组成的，介子则由一个夸克和一个反夸克组成，质子（属重子）由两个上夸克和一个奇异夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，π介子由一个上夸克和一个反下夸克组成。夸克共分6种，而每一种夸克又有与它相对应的反夸克，共12种。夸克自旋是1/2，是费米子，它们与轻子一样是点粒子，没有内部结构，可以算作基本粒子。特别是它们具有分数电荷，但真正的单独的夸克粒子，实验室里还没有找到过，目前只是一种理论而已，但它很好地解释了各种强子的组成方式，所以目前认为它是对的。夸克和夸克之间，是靠强力或核力相互作用的，它们之间互相交换胶子以传递强力，这种相互吸引的力非常强，这种力又叫“色力”。而强力实际上是色力的一种复杂的效应，这种色力在强子内部随距离增大而增大，当距离到了强子大小时，这个力非常大，以至于不能把两个夸克分开，目前的加速器还不能达到这个能量，这就是目前不能找到单独夸克的原因。这种情况又叫“夸克囚禁”。

夸克还要分出它的重子数、电荷数、自旋和奇异数，这样统计时很困难，为了保证泡利不相容原理能够满足，还必须把每一种夸克区分为红、绿、蓝三种色态，反夸克分为反红、反绿、反蓝，这样在用夸克构成各种重子和介子时就都能区别开来。

从上面的分析知道，轻子共有12种。传播子有光子（传播电磁相互作用）、引力子（传播引力），传播弱作用的中间玻色子共3种，传播强作用的胶子共8种，这些都叫“规范粒子”，合计13种。夸克有6种，而每种夸克又都有反粒子，每个粒子又有三种色，这样合起来夸克有36种。加上预言中的希格斯粒子一种，总共合计62种，这62种目前还谈不上内部结构，可称为“基本粒子”，它们是构成宇宙中各种物质的基础或砖石。

由此看来，寻找万有理论的工作已经基本完成，预言中的稀格斯粒子已于2012年找到，只是引力子和单独的夸克粒子还没有找到，统一四种基本作用力的工作也已统一了3种，只是引力这一种力没有统一进来了。

19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂，会上，英国著名的物理学家W.汤姆生发表新年祝词时说：“物理学大厦已经建成，未来的物理学只需要做些修修补补的工作就行了。”但他马上又说：“但是，明朗的天空中还有两朵乌云，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。”因为当时的牛顿力学、光学、电磁波学都已完成，并能解决宏观世界中的许多问题，所以说物理学大厦已建成，这种观点道出了物理学发展到19世纪末期的基本情况，也反映了当时物理学界的主要思潮。至于这两朵乌云，一朵是指黑体辐射，又称“紫外灾难”，是指当时在炼铁时，为了掌握锅炉中铁水的温度，因为温度很高（一千多度以上），不能用温度计去直接测量，只能开一个窗口去观察铁水发出的光，光是波动，一定的波长对应一定的温度，用测量的光波长度来判断炉内的温度，效果很好。但是，科学家们发现在紫光段对应不上，后来经反复研究，只有用光的粒子性才能很好地解决许多问题，于是由此而产生一门全新的学科——量子力学。另一朵乌云是指迈克尔逊—莫雷实验。迈克尔逊和莫雷在研究波动时，发现波的传播都需要媒介传递，如水波以水为媒介，声波以空气或水等为媒介，如果光是波，光用什么作媒介传播它呢？太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星光穿过宇宙传到地球上，它们的介质是什么呢？当时的物理学家给光找到了一个传播的介质——以太，认为在宇宙空间中到处存在一种看不见的、非常微小的以太物质，可以传递光波，为了证明以太的存在，科学家想了许多办法和实验。其中，最著名的是迈克尔逊—莫雷的实验，经反复验证，结果发现根本没有什么以太物质的存在，后来研究得出，光在传播的时候根本不需要别的物质作媒质，光是电磁波，电磁场本身就是传播的媒质。后来，爱因斯坦假定光速不变，由此独立地完成了狭义相对论和广义相对论。

两朵“乌云”引发了两门崭新的学科——量子力学和相对论力学，量子力学研究的是微观领域中的物理现象，相对论则研究宏观世界中的物理现象。两门学科都很好地解决了各自领域中的物质运动规律问题，然而两门学科却又是互相矛盾、互不相容的。例如，量子力学中测不准原理或不确定性原理在微观粒子中是非常有意义的观点，可以解释微观领域中许多物理现象，但它却不适应宏观物体，爱因斯坦坚持认为世界是决定论的，而不是像量子力学中指出的那样：是随机的或概率性的。尽管有人在努力使二者统一起来，但还是收效甚微。

从开尔文勋爵发表演讲后到现在已经又是一个多世纪了，这段时间内尽管科学有了很大的发展，解决了原来许多没有解决的问题甚至是高新难题。但我们也会发现，研究越深入，看起来我们离终极理论越是接近了一步，问题也就越来越多，难度也越来越大。例如，夸克理论在理论上已经非常完美，但实验中却始终找不到这种单独的粒子，似乎阻碍了理论的进一步发展，于是又有许多人另辟蹊径，提出了新的弦理论、超弦理论、膜理论等。又如，在物质世界中，电荷有正电荷、负电荷，并且同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，而且电荷可以单独存在。磁极也分南、北极，或N、S极，而且异性磁极互相吸引，同性磁极互相排斥……由此类比，有科学家预言，也应当有磁单极子存在，这样才算既统一又和谐。可是直到现在，科学家们不管怎样努力，却一直还没有找到所谓的磁单极子。一条形磁铁，一端是N极（北极），另一端就是S极（南极），把它截断，分成两半，每一段又都出现对称的N、S极，无论我们怎样分，无论分成多细，哪怕是薄到一张纸那样厚，也仍然是一面为N极、一面为S极，永远也得不到磁单极子，就算是在宇宙射线中和高能加速器中，也至今没有找到它。另外，在实物粒子中，为什么只存在相互吸引力，而没有相互排斥力呢？这也是让人迷惑不解的问题。特别是宇宙间的四种相互作用力，其中三种都统一起来了，唯独万有引力无法被统一进来。再如，平行宇宙说。实质上是在研究宇宙时，遇到了许多新的困难，没有办法了，于是提出多重宇宙或平行宇宙的观点，认为除我们这个宇宙以外，还存在许多种别的不同的宇宙。那怎样才能证明同时存在许多个别的宇宙呢？毫无办法，根本不能证明，仅仅是一种想象而已，就如前文所讲，有人为了达到穿越成功，设想有另一个宇宙存在，并且和我们这个宇宙时空不同，从这个宇宙进入到另一个宇宙，然后又回来，就可以回到过去了。在第六章中我们将看到，我们存在的这个宇宙中，有质量的物体无论如何都不可能穿出这个宇宙而飞到宇宙外面去。所以，许多东西只是一个设想，并且使问题越来越复杂，离终极理论越来越远。

对于大统一理论，当代著名物理学家霍金提出存在以下三种可能性：其一，确实存在一个完整的统一理论，如果我们足够聪明的话，总有一天将会找到它；其二，并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列；其三，并不存在宇宙的终极理论，事件在一定程度之外不可能被预言，仅仅是以一种随机或任意的方式发生。