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科学理论，特别是牛顿引力论的成功，使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断，宇宙是完全被决定的。他认为存在一组科学定律，只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态，我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件。例如，假定我们知道某一个时刻的太阳和行星的位置和速度，则可用牛顿定律计算出在任何其他时刻的太阳系的状态。这种情形下的宿命论是显而易见的，但拉普拉斯进一步假定存在着某些定律，它们类似地制约其他每一件东西，包括人类的行为。
 很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义，他们感到这侵犯了上帝干涉世界的自由。但直到本世纪初，这种观念仍被认为是科学的标准假定。这种信念必须被抛弃的一个最初的征兆，是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做的计算，他们指出一个热的物体——例如恒星——必须以无限大的速率辐射出能量。按照当时我们所相信的定律，一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波（诸如无线电波、 可见光或X射线）。例如，一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量的波。而既然波的频谱是无限的，这意味着辐射出的总能量必须是无限的。
 为了避免这显然荒谬的结果，德国科学家马克斯·普郎克在1900年提出，光波、X射线和其他波不能以任意的速率辐射，而必须以某种称为量子的形式发射。并且，每个量子具有确定的能量，波的频率越高，其能量越大。这样，在足够高的频率下，辐射单独量子所需要的能量比所能得到的还要多。因此，在高频下辐射被减少了，物体丧失能量的速率变成有限的了。
 量子假设可以非常好地解释所观测到的热体的发射率，但直到1926年另一个德国科学家威纳·海森堡提出著名的不确定性原理之后，它对宿命论的含义才被意识到。为了预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开来，由此指明它的位置。然而，人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度，所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在，由普郎克的量子假设，人们不能用任意少的光的数量，至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且，位置测量得越准确，所需的波长就越短，单独量子的能量就越大，这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之，你对粒子的位置测量得越准确，你对速度的测量就越不准确，反之亦然。海森堡指出，粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且，这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法，也不依赖于粒子的种类。海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。
 不确定性原理对我们世界观有非常深远的影响。甚至到了50多年之后，它还不为许多哲学家所鉴赏，仍然是许多争议的主题。不确定性原理使拉普拉斯科学理论，即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝：如果人们甚至不能准确地测量宇宙的现在的态，就肯定不能准确地预言将来的事件了！我们仍然可以想像，对于一些超自然的生物，存在一组完全地决定事件的定律，这些生物能够不干扰宇宙地观测它现在的状态。然而，对于我们这些芸芸众生而言，这样的宇宙模型并没有太多的兴趣。看来，最好是采用称为奥铿剃刀的经济学原理，将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。20世纪20年代。在不确定性原理的基础上，海森堡、厄文·薛定谔和保尔·狄拉克运用这种手段将力学重新表达成称为量子力学的新理论。在此理论中，粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度，而代之以位置和速度的结合物的量子态。
 一般而言，量子力学并不对一次观测预言一个单独的确定结果。代之，它预言一组不同的可能发生的结果，并告诉我们每个结果出现的概率。也就是说，如果我们对大量的类似的系统作同样的测量，每一个系统以同样的方式起始，我们将会找到测量的结果为A出现一定的次数，为B出现另一不同的次数等等。人们可以预言结果为A或B的出现的次数的近似值，但不能对个别测量的特定结果作出预言。因而量子力学为科学引进了不可避免的非预见性或偶然性。尽管爱因斯坦在发展这些观念时起了很大作用，但他非常强烈地反对这些。他之所以得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献。即使这样，他也从不接受宇宙受机遇控制的观点；他的感觉可表达成他著名的断言：“上帝不玩弄骰子。”然而，大多数其他科学家愿意接受量子力学，因为它和实验符合得很完美。它的的确确成为一个极其成功的理论，并成为几乎所有现代科学技术的基础。它制约着晶体管和集成电路的行为，而这些正是电子设备诸如电视、计算机的基本元件。它并且是现代化学和生物学的基础。物理科学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构。
 虽然光是由波组成的，普郎克的量子假设告诉我们，在一定的方面，它的行为似乎显现出它是由粒子组成的——它只能以量子的形式被发射或吸收。同样的，海森堡不确定性原理意味着，粒子在某些方面的行为像波一样：它们没有确定的位

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亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成的。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指空气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。

 亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几个希腊人，例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由不同种类的大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是“不可分的”）。争论一直持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学家兼物理学家约翰·道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实可以用来解释所谓分子的单元是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的争论才以原子论的胜利而告终。爱因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的著名论文发表前的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，所谓的布朗运动——悬浮在液体中的尘埃小颗粒的无则规的、随机的运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

 当时已经有人怀疑这些原子终究不是不可分割的。几年前，一位剑桥大学三一学院的研究员汤姆逊演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子所具有的质量比最轻原子小1千倍。 他使用了一种和现代电视显像管相当类似的装置：由一根红热的金属细丝发射出电子，由于它们带负电荷，可用一电场去将其加速飞到一个涂磷光物质的屏幕上。电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即意识到，这些电子必须从原子里出来。英国物理学家恩斯特·卢瑟福在1911年最后证明了物质的原子确实有内部结构：它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着它转动的一些电子组成。他是根据从放射性原子释放出的带正电荷的。粒子和原子碰撞会引起的偏折这一现象，以及分析了此偏折的方式后而推出这一结论的。

 最初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子所组成。质子是由希腊文中的“第一”演化而来的，因为质子被认为是组成物质的基本单位。然而，卢瑟福在剑桥的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年发现，原子核还包含另外称为中子的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但没有带电荷；查德威克因此而获得诺贝尔奖，并选为剑桥龚维尔和凯尔斯学院（我即为该学院的研究员）院长。后来，他因为和其他人不和而辞去院长的职务。一群战后回来的年轻的研究员将许多已占据位置多年的老研究员选掉后，曾有过一场激烈的辩论。这是在我去以前发生的；在这场争论尾声的1965年我才加入该学院，当时另一位获诺贝尔奖的院长奈维尔·莫特爵士也因类似的争论而辞职。

 直到20年以前，人们还总以为质子和中子是“基本”粒子。但是，将质子和另外的质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。加州理工学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。由于对夸克的研究，他获得1969年的诺贝尔奖。 此名字起源于詹姆斯·约依斯神秘的引语： “Three quarksfor Muster Mark！ ”夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韵。

 存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的“味”，这些味我们分别称之为上、下、奇、魅、底和顶。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须强调，这些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已——他们不再将自己限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可用其他种类的夸克（奇、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。


 现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于什么是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的尺度大得多，我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分，而必须用某些波长短得多的东西。正如我们在上一章所看到的，量子力学告诉我们，实际上所有粒子都是波动， 粒子的能量越高，J则其对应的波动的波长越短。所以，我们能对这个问题给出的最好的回答，取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量，因为这决定了我们所能看到的多小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单位来测量。（在汤姆逊的电子实验中，我们看到他用一个电场去加速电子，一个电子从一个伏特的电场所得到的能量即是一个电子伏特。）19世纪，当人们知道如何去使用的粒子能量只是由化学反应——诸如燃烧——产生的几个电子伏特的低能量时，大家以为原子即是最小的单位。在卢瑟福的实验中，α粒子具有几百万电子伏特的能量。更近代，我们知道使用电磁场给粒子提供首先是几百万然后是几十亿电子伏特的能量。这样我们知道，20年之前以为是“基本”的粒子，原来是由更小的粒子所组成。如果我们用更高的能量时，是否会发现这些粒子是由更小的粒子所组成的呢？这一定是可能的。但我们确实有一些理论的根据，相信我们已经拥有或者说接近拥有自然界的终极构件的知识。

 用上一章讨论的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子来描述。这些粒子有一种称为自旋的性质。自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺。但这可能会引起误会，因为量子力学告诉我们，粒子并没有任何很好定义的轴。粒子的自旋真正告诉我们的是， 从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子像一个圆点： 从任何方向看都一样（图5.1－i）。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的（图5.1-ii） 。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，这粒子才显得是一样。 自旋为2的粒子像个双头的箭头（图5.1－iii）：只要转过半圈（180°） ，看起来便是一样的了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后，看起来便是一样的。所有这一切都是这样的直截了当，但惊人的事实是，有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，你必须使其转两整圈！这样的粒子具有1／2的自旋。

图5.1

 宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：组成宇宙中的物质的自旋为1／2的粒子；在物质粒子之间引起力的自旋为0、 1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的，他并因此获得1945年的诺贝尔奖。他是个模范的理论物理学家，有人这样说，他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病！泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于同一个态中，即是说，在不确定性原理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置和速度。不相容原理是非常关键的， 因为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下不会坍缩成密度非常之高的状态的原因：如果物质粒子几乎在相同位置，则它们必须有不同的速度，这意味着它们不会长时间存在于同一处。如果世界创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形成不相连的、很好定义的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定义的原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”。

 直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论，人们才对电子和其他自旋1／2的粒子有了相当的理解。狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授（牛顿曾经担任这一教授位置，目前我担任此一位置）。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理论。它在数学上解释了为何电子具有1／2的自旋，也即为什么将其转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得和原先一样。它并且预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电子。1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论，他因此获得了1933年的诺贝尔物理奖。现在我们知道，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。（对于携带力的粒子，反粒子即为其自身。）也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒子比反粒子多得多？这是一个极端重要的问题，我将会在本章的后部分回到这问题上来。


 在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子承担。 物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。

 携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它的一个重要的性质。这表明它们能被交换的数目不受限制，这样就可以产生根强的力。然而，如果携带力的粒子具有很大的质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。这样，它们所携带的力只能是短程的。另一方面，如果携带力的粒子质量为零，力就是长程的了。在物质粒子之间交换的携带力的粒子称为虚粒子，因为它们不像“实”粒子那样可以用粒子探测器检测到。但我们知道它们的存在，因为它们具有可测量的效应，即它们引起了物质粒子之间的力， 并且自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存在，这时它们可以被直接探测到。对我们而言，此刻它们就呈现出为经典物理学家所说的波动形式，例如光波和引力波；当物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而相互作用时，它们有时就可以被发射出来。（例如，两个电子之间的电排斥力是由于交换虚光子所致，这些虚光子永远不可能被检测出来；但是如果一个电子穿过另一个电子，则可以放出实光子，它以光波的形式为我们所探测到。）

 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标。最近，将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。

 第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的，或者时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。以量子力学的方法来研究引力场， 人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身没有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的，它们确实产生了可测量的效应——它们使地球绕着太阳公转！实引力构成了经典物理学家称之为引力波的东西，它是如此之弱——并且要探测到它是如此之困难，以致于还从来未被观测到过。

 另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。 它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0） 倍。然而，共有两种电荷——正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。 人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且，这儿所交换的光子是虚粒子。但是，电子从一个允许轨道改变到另一个离核更近的允许轨道时，以发射出实光子的形式释放能量——如果其波长刚好，则为肉眼可以观察到的可见光，或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。同样，如果一个光子和原子相碰撞，可将电子从离核较近的允许轨道移动到较远的轨道。这样光子的能量被消耗殆尽，也就是被吸收了。


 对电磁和弱力统一的成功，使许多人试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（或GUT） 之中。这名字相当夸张，所得到的理论并不那么辉煌，也没能将全部力都统一进去，因为它并不包含引力。它们也不是真正完整的理论，因为它们包含了许多不能从这理论中预言而必须人为选择去适合实验的参数。尽管如此，它们可能是朝着完全的统一理论推进的一步。 GUT的基本思想是这样：正如前面提到的，在高能量时强核力变弱了；另一方面，不具有渐近自由性质的电磁力和弱力在高能量下变强了。在非常高的叫做大统一能量的能量下，这三种力都有同样的强度， 所以可看成一个单独的力的不同方面。在这能量下，GUT还预言了自旋为1／2的不同物质粒子（如夸克和电子）也会基本上变成一样，这样导致了另一种统一。

 大统一能量的数值还知道得不太清楚， 可能至少有1千万亿吉电子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量为100吉电子伏的粒子相碰撞， 计划建造的机器的能量为几千吉电子伏。要建造足以将粒子加速到大统一能量的机器，其体积必须和太阳系一样大——这在现代经济环境下不太可能做到。因此，不可能在实验室里直接证实大统一理论。然而，如同在弱电统一理论中那样，我们可以检测它在低能量下的推论。

 其中最有趣的是预言是，构成通常物质的大部分质量的质子能自发衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。其原因在于，在大统一能量下，夸克和反电子之间没有本质的不同。正常情况下一个质子中的三个夸克没有足够能量转变成反电子，由于测不准原理意味着质子中夸克的能量不可能严格不变，所以，其中一个夸克能非常偶然地获得足够能量进行这种转变，这样质子就要衰变。夸克要得到足够能量的概率是如此之低， 以至于至少要等100万亿亿亿年（1后面跟30个0）才能有一次。这比宇宙从大爆炸以来的年龄（大约100亿年——1后面跟10个0） 要长得多了。因此，人们会认为不可能在实验上检测到质子自发衰变的可能性。但是，我们可以观察包含极大数量质子的大量物质，以增加检测衰变的机会。（譬如，如果观察的对象含有1后面跟31个0个质子， 按照最简单的GUT，可以预料在一年内应能看到多于一次的质子衰变。）

 人们进行了一系列的实验，可惜没有一个得到质子或中子衰变的确实证据。有一个实验是用了8千吨水在俄亥俄的莫尔顿盐矿里进行的 （为了避免其他因宇宙射线引起的会和质子衰变相混淆的事件发生）。由于在实验中没有观测到自发的质子衰变，因此可以估算出，可能的质子寿命至少应为1千万亿亿亿年（1后面跟31个0）。这比简单的大统一理论所预言的寿命更长。然而，一些更精致更复杂的大统一理论预言的寿命比这更长，因此需要用更灵敏的手段对甚至更大量的物质进行检验。

 尽管观测质子的自发衰变非常困难，但很可能正由于这相反的过程，即质子或更简单地说夸克的产生导致了我们的存在。它们是从宇宙开初的可以想像的最自然的方式——夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子，从而由夸克所构成。除了由少数物理学家在大型粒子加速器中产生的之外，不存在由反夸克构成的反质子和反中子。从宇宙线中得到的证据表明，我们星系中的所有物质也是这样：除了少量当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生出来的以外，没有发现反质子和反中子。如果在我们星系中有很大区域的反物质，则可以预料，在正反物质的边界会观测到大量的辐射，该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。

 我们没有直接的证据表明其他星系中的物质是由质子、中子还是由反质子、反中子构成，但二者只居其一，否则我们又会观察到大量由涅灭产生的辐射。因此，我们相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克构成；看来，一些星系为物质而另一些星系为反物质也是不太可能的。

 为什么夸克比反夸克多这么多？为何它们的数目不相等？这数目有所不同肯定使我们交了好运，否则，早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了，只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。因此，后来也就不会有人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸的是，大统一理论可以提供一个解释，尽管甚至刚开始时两者数量相等，为何现在宇宙中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的，大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。它们也允许相反的过程，反夸克变成电子，电子和反电子变成反夸克和夸克。早期宇宙有一时期是如此之热，使得粒子能量高到足以使这些转变发生。但是，为何导致夸克比反夸克多呢？原因在于，对于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。


 直到1956年人们都相信，物理定律分别服从三个叫做C、P和T的对称。C（电荷）对称的意义是， 对于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇称）对称是指，对于任何情景和它的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子）定律不变； T（时间）对称是指，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应回到原先的那样；换言之，对于前进或后退的时间方向定律是一样的。

 1956年， 两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从P对称。换言之，弱力使得宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年，他们的一位同事吴健雄证明了他们的预言是正确的。她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后演示表明，电子在一个方向比另一方向发射出得更多。次年，李和杨为此获得诺贝尔奖。 人们还发现弱作用不服从C对称，即是说，它使得由反粒子构成的宇宙的行为和我们的宇宙不同。尽管如此，看来弱力确实服从CP联合对称。也就是说，如果每个粒子都用其反粒子来取代，则由此构成的宇宙的镜像和原来的宇宙以同样的方式发展！但在1964年，还是两个美国人——J·W·克罗宁和瓦尔·费兹——发现， 在称为K介子的衰变中，甚至连CP对称也不服从。1980年，克罗宁和费兹为此而获得诺贝尔奖。（很多奖是因为显示宇宙不像我们所想像的那么简单而被授予的！）

 有一个数学定理说，任何服从量子力学和相对论的理论必须服从CPT联合对称。换言之，如果同时用反粒子来置换粒子，取镜像和时间反演，则宇宙的行为必须是一样的。克罗宁和费兹指出，如果仅仅用反粒子来取代粒子，并且采用镜像，但不反演时间方向，则宇宙的行为于保持不变。所以，物理学定律在时间方向颠倒的情况下必须改变——它们不服从T对称。

 早期宇宙肯定是不服从T对称的：当时间往前走时，宇宙膨胀；如果它往后退，则宇宙收缩。 而且，由于存在着不服从T对称的力，因此当宇宙膨胀时，相对于将电子变成反夸克，这些力更容易将反电子变成夸克。然后，当宇宙膨胀并冷却下来，反夸克就和夸克湮灭，但由于已有的夸克比反夸克多，少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们今天看到的物质，由这些物质构成了我们自己。这样，我们自身之存在可认为是大统一理论的证实，哪怕仅仅是定性的而已；但此预言的不确定性到了这种程度，以至于我们不能知道在湮灭之后余下的夸克数目，甚至不知是夸克还是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我们可以简单地称反夸克为夸克，夸克为反夸克。）

 大统一理论并不包括引力。这关系不大，因为引力是如此之弱，以至于我们处理基本粒子或原子问题时，通常可以忽略它的效应。然而，它的作用既是长程的，又总是吸引的，表明它的所有效应是迭加的。所以，对于足够大量的物质粒子，引力会比其他所有的力都更重要。这就是为什么正是引力决定了宇宙的演化的缘故。甚至对于恒星大小的物体，引力的吸引会超过所有其他的力，并使恒星自身坍缩。70年代我的工作是集中于研究黑洞。黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。正是黑洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量子引力论的一瞥。
 
《时间简史—从大爆炸到黑洞》 　上页 　　下页　　　素心学苑

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 当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

 但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

 罗杰·彭罗斯和我在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

 广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。这对科学幻想作家而言是不错的，它表明没有任何一个人的生命曾经平安无事：有人可以回到过去，在你投胎之前杀死你的父亲或母亲！

 事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时问轨道，没有任何东西可以比光运动得更快。）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。


 广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器， 这意味着要用大约1干亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913＋16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。

 在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。这最终的状态将会是怎样的呢？人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。

 然而，加拿大科学家外奈·伊斯雷尔（他生于柏林，在南非长大，在爱尔兰得到博士）在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星——从来都不是完美的球形——只会坍缩形成一个裸奇点。

 然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

 伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

 1970年，我在剑桥的一位同事和研究生同学布兰登·卡特为证明此猜测跨出了第一步。他指出，假定一个稳态的旋转黑洞，正如一个自旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和旋转速度所决定。然后我在1971年证明了，任何稳态旋转黑洞确实有这样的一个对称轴。，最后，在国王学院任教的大卫·罗宾逊利用卡特和我的结果证明了这猜测是对的：这样的黑洞确实必须是克尔解。所以在引力坍缩之后，一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转、但是不能搏动的态。并且它的大小和形状，只决定于它的质量和旋转速度，而与坍缩成为黑洞的原先物体的性质无关。此结果以这样的一句谚语表达而成为众所周知：“黑洞没有毛。”“无毛”定理具有巨大的实际重要性，因为它极大地限制了黑洞的可能类型。所以，人们可以制造可能包含黑洞的物体的具体模型，再将此模型的预言和观测相比较。因为在黑洞形成之后，我们所能测量的只是有关坍缩物体的质量和旋转速度，所以“无毛”定理还意味着，有关这物体的非常大量的信息，在黑洞形成时损失了。下一章我们将会看到它的意义。


 黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：你怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离我们如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离我们非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能给黑洞提供结论性的证据。

 1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触！我的确记得在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示“小绿人”（“Little Green Man”）的意思。然而，最终他们和所有其他人都得到了不太浪漫的结论，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于它们的磁场和周围物质复杂的相互作用，而发出无线电波的脉冲。这对于写空间探险的作者而言是个坏消息，但对于我们这些当时相信黑洞的少数人来说，是非常大的希望——这是第一个中子星存在的证据。中子星的半径大约10英哩，只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到这么小的尺度，预料其他恒星会坍缩到更小的尺度而成为黑洞，就是理所当然的了。

 按照黑洞定义，它不能发出光，我们何以希望能检测到它呢？这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是，有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的，黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上。天文学家观测了许多系统，在这些系统中，两颗恒星由于相互之间的引力吸引而互相围绕着运动。他们还看到了，其中只有一颗可见的恒星绕着另一颗看不见的伴星运动的系统。人们当然不能立即得出结论说，这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗太暗以至于看不见的恒星而已。然而，有些这种系统，例如叫做天鹅X－1（图6.2）的，也刚好是一个强的X射线源。对这现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星之时，发展成螺旋状的轨道（这和水从浴缸流出很相似），并且变得非常热而发出X射线（图6.3）。为了使这机制起作用，不可见物体必须非常小，像白矮星、中子星或黑洞那样。从观察那颗可见星的轨道，人们可推算出不可见物体的最小的可能质量。 在天鹅X－1的情形，不可见星大约是太阳质量的6倍。按照强德拉塞卡的结果，它的质量太大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。所以看来它只能是一个黑洞。

 图6.2在靠近照片中心的两个恒星之中更亮的那颗是天鹅X－1， 被认为是

 由互相绕着旋转的一个黑洞和一个正常恒星组成。

图6.3

 还有其他不用黑洞来解释天鹅X－1的模型，但所有这些都相当牵强附会。黑洞看来是对这一观测的仅有的真正自然的解释。尽管如此，我和加州理工学院的基帕·索恩打赌说，天鹅X－1不包含一个黑洞！这对我而言是一个保险的形式。我对黑洞作了许多研究，如果发现黑洞不存在，则这一切都成为徒劳。但在这种情形下，我将得到赢得打赌的安慰，他要给我4年的杂志《私人眼睛》。如果黑洞确实存在，基帕·索思将得到1年的《阁楼》 。我们在1975年打赌时，大家80％断定，天鹅座是一黑洞。迄今，我可以讲大约95％是肯定的，但输赢最终尚未见分晓。