近十年来，在物理学前沿从事研究的科学家们提出了一种崭新的看待世界的方式。这一次他们的注意力集中于自然界存在的各种作用力，梦寐以求的目标是实现“大统一”，他们希望能找到一种支配宇宙万物一切相互作用的单一的实体。
熟悉这种革命性观点的人简直是凤毛麟角。这并不奇怪——作为新理论基础的概念贴着的标签：“局域规范对称”，“统一场论”实在令人望而生畏。可是这儿的基本概念实质上很简单，我们完全能求助于日常生活的经验理解它们。
迟至六十年代末，人们都以为自然界存在迥然互异的四种基本作用力。其中的二种——引力和电磁力大家都熟悉，前者作用的范围可远及百万公里以上，正是它使地球保持在环绕太阳的运行轨道上。电磁力的有效作用距离汉以米计，正是电磁力的作用使冰箱温度得以维持在零度以下。这两种力人们在十九世纪就已相当了解，作用的对象都是大尺度的物体，作用距离相对来说也比较大。到二十世纪又添了二种力：“强力”和“弱力”。这是两种在亚原子层次作用的力、尽管它们的影响所及无处不有，我们的感官却没法直接感知这两种力。“强力”使原子核聚为一体，确保物质长期保持稳定。“弱力”出现在自然界的许多作用过程中，我们最熟悉的是天然物质或人造物质中的某些放射性蜕变。迄今还没有任何证据表明自然界存在涉及到这四种以外的力的过程。乍地一看，情况颇令人满意。所有的相互作用都能归溯到这四种力的话，问题似乎已大大简化了。虽说如此，物理学家并不满足：存在的力竟然有四种，意味着必须有四种不同的理论来解释它们，也就是说在现实世界中仍免不了令人沮丧的分裂。然而这些力看上去又确确实实是那么殊异。如果我们任意地规定强力的强度为1，那么电磁力的强度是1/137，弱力的强度约为0.00001，而引力的强度仅仅是10-39——在小数点后先是38个零然后才是1。
面对着这种天悬地隔的差异，不像一般人想象得那样，物理学家并不甘心接受不相同的力有四种的说法。物理学中悠久的传统是：从看上去千差万别的事物中找出内在的共性，发现潜在的单一结构，把复杂的图像简单化。
让我们先讨论一个简单的例子。设想你站在北京的台秤上称体重——这时你事实上是在做一个实验测量地球作用在你身上的力，然后你把磅秤移到西安再称一下体重。气候、环境、植物，许多东西都变了，然而你的体重依然如旧。这种事大家太熟悉了，甚至不会为它费神皱一皱眉头，可是对物理学家来说这中间包含了关于重力本质的很重要的信息，它表明地球上任何物体受到的重力只取决于物体与地心的距离。用物理学的语言来说，这种从北京到西安的横向运动叫做“平移”，因此我们可以把实验结果总结为：重力关于地表同纬度各点间的平移不变。一旦手中有了这个普遍原理，我们就可以来筛选提出的各种重力理论。从任一个不具有这种对称性的重力理论必然得到同一物体在北京和西安的重量不同的推论，因而我们可以立即舍弃这个理论，这个例子再清楚不过地体现出那些能给假设提供类似的极限因子检验（limiting-factor test）的原理之价值。
对称性是现代物理的一大支柱，另一根支柱就是统一性。凑巧这个概念所起的作用也能用大家熟悉的引力来说明。我们在学校里都学过，正是引力使月亮一直绕地球运转，同样也是引力的作用把地球保持在围绕太阳的运行轨道上。但是决定天体在太空遨游的运动规律的力和使苹果从果树落下的作用又有什么联系呢？事实上，从有文字记载的历史来看，大部分时间人类都认定两者毫不相关。那时候人们认为恒星和行星在它们位于天穹的水晶球上运转，而苹果落下地面则是因为地球上每个物体均有趋向地心的禀性，这两种迥然不同的现象不可能有任何联系。一直到三百年前牛顿才提出地球重力和天体引力本质上毫无区别。宇宙万物，不管是行星还是水果，都吸引别的任一个物体。凭这一点我们就能解释天体为什么这样运动而苹果又为什么要掉到地面上。借用现代的术语，牛顿统一了两种表面上似乎不同的力，证明了这两种力尽管表现不同，其实是同一种作用。既然谈及引力时我们常常说引力场，我们不妨说：万有引力是统一场论在历史上的第一个例子。
在十九世纪，统一场论还取得了另一个重大进展——电与磁的统一。说电灯和罗盘有内在联系似乎是无稽之谈，但是深入的研究告诉我们，转动罗盘指针的磁场和决定灯泡电流的电场不过是同一种力的不同表现形态。现在物理学家干脆说电磁力，不再孤立地谈论电或磁。在研究统一的电磁理论时，人们不久就发现它有种不同于一般的对称性。
称为“规范对称”的这种性质仅仅涉及电压之类的基本定义改变时保持不变的量。在具体解释之前，了解一下这个术语的来历也许不无裨益。“规范”这个称呼用在此地纯属历史的偶然。最早研究这类对称的人当时考虑的问题是：有没有这样一种对自然的合理描述，它不会因基本距离尺度改变而发生实质性的变化。打个比方，有一些人居住在能拉伸收缩的一块橡皮板上，距离以直尺或者说距离规度量，于是这些橡皮板上的研究就导致了“规范理论”。任何与这种早期的遐想相似的理论现在依然沿用这个名称，尽管下面我们将感兴趣的规范理论与橡皮板是风马牛不相及。
让我们再作一个电学的思维实验，看看什么叫“规范对称”。这一次你把一只小电珠接上一节干电池，看看灯光有多亮。你会观察到一股电流从一个电极流出，经过电珠后流入另一极。你会解释说，因为电池正极的电位比负极高1.5伏，所以电荷顺流而下。现在设想你的房间接上了一个巨型电池。房间和房间内所有物件的电位都升高了1000伏。电珠会发生什么变化？丝毫没变。因为电流取决于极间的电压，而现在干电池负极的电位是1000伏，正极的电位是1001.5伏，仍然相差1.5伏。即使把房间的电位提到200万伏也不会带来任何变化。这儿有一种对称性在起作用：只要变化处处相同，不管我们置房间于什么电位电珠中通过的电流保持不变。这种对称性的例证不胜枚举，每个人都见过不少。只是当你为之惊叹不已时从未意识到其中也有对称性在起作用。常常有飞鸟栖息在高压输电线上，电线并未包上绝缘材料，可是栖鸟安然无恙。原因当然就在于鸟的双脚处于同样大小的高电位。双脚之间没有电位差就不产生电流，鸟自然不会触电身亡。
上述实验表明、如果仅涉及电效应，我们无二怎样改变宇宙的电位都不会影响可能做的任何测量，也就是说根本没法测出电位的变化。因此这一定对应于某种对称。事实上这是最简单的规范对称的一个例子。我们还可以这样来理解它：特殊地标记为“零”的电位事实上是随意选定的。不管我们置海平面还是置海拔1000米为“零标高”，重力丝毫不受影响。原因显而易见：零标高或零电位的置定是发生在我们想象中的事，大自然并没有训示我们这些零点应在何处。于是我们可以把规范对称的要求表述如下：世界上任何事物决不依赖于我们看待它的方式。考虑一些例子后我还会回过来讨论这个问题。
迄今我们谈论的对称，物理学家称为“总体对称”。所谓“总体”指的是：尽管零电位可任意定义，定义必须普遍适用。举例来说，如果你和你的朋友都把你们所在的那部分房间电位升高5000伏，不会出现什么麻烦。但如果你升高5000伏而你的朋友把他那一块升高6000伏，情况就截然不同了。此中的区别你们只要握握手立刻会明白。
我们进一步要问：是否存在这样的对称性，它允许每个观察者完全独立于他人自由地下定义？我们称这种对称为“局域规范对称”。上述讨论显示，电场本身不具备局域规范对称性，电位在空间任一点的改变都会产生可测量的效应。然而电场并非单独存在，它只是电磁场的一个方面。因此我们必须问一下自己：电场和磁场作为一个整体时的行为是否与两者分开考虑时不同。与电位相对应，磁场有磁位，同样有与磁位关联的总体规范对称——只要所有观察者取相同的选择零磁位也能任意置定。然而，一旦我们把电与磁看成一个整体，就出现了奇迹：每个观察者可以随心所欲地选择他的零电位，无须虑及他人的决定，只要他随后根据电磁理论调整零磁位。科学家在电学上的怪念头磁场会设法加以补救。变化成对出现使得每个人自由选择自己的；电位可能导致的观察量变化恰好被引人的磁位变化抵消。所以统一的电磁理论具有一种局域规范对称。
局域规范对称在哲学上也有深远的影响。它告诉我们，在收集了所有需要的资料以后，如果获得的理论正确无误，世界应与不同的观察随意给出的定义无关。在规定自己的度量标准时，每个人都有充分的自主权，别人——不管他近在咫尺还是远在天涯——的抉择对他没有任何约束。用个不太严格的说法，前述结果的启示是：观察者的心情——他下定义的方式——无法对任何可测量的施加影响。
就电磁场而言，电磁理论的这个特性人们是在理论建立多年后才认识到。往日事后考虑得出的结论现在上升到了基本原理的地位。寻找新理论时，物理学家一开始就假设局域规范对称是我们生息的世界之基本特性，任何正确的理论必须能反映这种性质。这样就剔除了大量可能的理论，发现正确理论的任务也轻松多了。按上述原则找到理论后再作常规的实验验证。局域规范对称原先只是业已证实的理论的一个有趣的性质，但近十多年升华成关于世界本性的主要工作假设。规范原理固然成功地使电磁结合了，它是否有效到把四类基本力也同样统一起来？考虑到差别之悬殊，人们会不假思索地回答：不可能。但是别太心急了，还是先拭目以待吧。一九六七年，当时在麻省理工学院的温伯格和欧洲的萨拉姆独立地发表了论文，使物理学发生了巨大的变革。论文中最主要的论点是：若认真地对待规范对称，那么二种基本力——弱力和电磁力仅仅是同一基本作用的不同表现形式，没有本质的区别。这两种力按传统的意义合为一体，使基本作用的种类由四降为三。由于在这方面从事的研究，温伯格、萨拉姆和哈佛大学的格拉肖荣获了1979年的诺贝尔物理奖。
新理论中假设的对称比我们就电磁场的规范对称引入的那种对称要抽象得多。我们知道，电荷之正负是任意规定的。如果我们把每个正电荷变为负电荷，负电荷变为正电荷，世上不会有任何变化。搞明白这一点，你就会看到它暗示了自然界存在的另一种涉及电荷本身的对称。
物理学家在更广泛的意义上看待这种对称。为形象化起见，最好是想象每个粒子一侧附有一根指针，指针指向某方向时粒子带正电荷，指着另一方向时带负电，如果指的是第三个方向，粒子就不带电。我们已知自然界整体对称，所以我们可以同时拨动所有的指针，只要拨动后所有正电荷变为负电荷，而所有负电荷成了正电荷，宇宙本身会补偿这个无一幸免的大变动。我们还可以进一步问道：是否存在一种局域对称使我们可以独立于他人自由地改变指计方向？粗略一看，回答似乎是否定的。你不妨这样想，自然界最简单的原子核是氘核，由一个质子和一个中子组成。如果拨动中子的指针把它变成质子，质子不变，得到的将是二个质子组成的原子核。粒子问的电斥力足以使核分裂，显然这就像电压跃升了5000伏一样，发生的变化谁都能观察到。
然而，我们能从电磁场那儿汲取教益。当时获得局域对称的关键是把两种力统一起来，从而一种力导致的变化为另一种力产生的变化抵消。结果不负所望，如果把电磁力和弱力放在一块考虑，出现了同样的奇迹。视弱力和电磁力为一个统一的整体，则自然界的电荷变更时引起的变化会被弱力本身发生的改变抵消。也就是说，不管把某个中子变成质子或质子变成中子可能在大自然引进什么变化，通过利用新理论给出的规则变动粒子与其邻居间的弱力作用的效应恰好能补偿这个变化。当然这儿涉及艰深的数学内容，然后最终的结果却很容易描述。不管别人怎样规定他那儿粒子指针的方向，我们可以随心所欲地任意置定邻近处粒子的指针。物理学家发现统一场论的特性给了他随意重新置定所到之处的电荷的全部自由，用不着担心会出现什么变化，因为他知道无论他怎样去拨动指针，实际的相互作用会自行调整以确保自然界维持原状。
这个思想用途很大。如果理论是对的，探究物质世界的奥秘时我们就有了一条崭新的指导性的原理。这种对称确实存在的必然推论是：对世界的正确描述必须在独立的观察者更动物理量定义时本身不发行改变。换言之，大自然不取决于观察者的想法。
人们自然会问：认为这种理论正确描述了大自然的理由是否充分。事实上我们可以指出，弱电统一理论的不少预言获得了证实，给人们留下了深刻的印象。它最辉煌的胜利是在W83年1月取得的。弱电统一理论预言存在一族称为“矢量玻色子”的新粒子。哈佛大学的卡罗 · 卢比亚宣布，在欧洲核研究中心（CERN），他的研究小组在仪器中观察到新粒子族的一个成员，而且测量结果表明新粒子的质量恰如理论预言是质子的85倍。其后，卢比亚研究小组又检测到新粒子族其余的成员。这个结果把对规范对称和统一理论剩下的疑虑一扫而光。弱电统一理论牢固地确立了作为物理学的常规理论的地位。基本作用的数目又减少了一种。
取得的巨大进展指明了继续前进的方向。既然利用规范对称原理我们统一了两种似乎截然不同的力，为什么不试着再把一种力统一在内。研究“大统一”理论的科学家现正在为此奋斗。他们希望找到强力和电——弱力共同的特性，他们是这样想的；电与磁尽管只是同一种作用的两个方面，表现却有天壤之别。同样强力和电一弱力外表的差异也只是一种幻觉，换言之，如果某种形式的大统一理论成立，宇宙其实比它的外表形态要简单得多。在扑朔迷离的外表之下，我们将发现仅仅两种基本力——引力和新统一的强 - 弱 - 电力。目下已有人致力于所谓超统一理论——最终统一强 - 弱 - 电力和引力的终极理论的研究。
确信凭借思维的威力能透过宇宙“花俏”的外表省悟其“纯朴”的本质的信念激励着理论物理学家的想象、引导他们不断奋斗取得一个又一个振奋人心的进展。迟至本世纪初，观察者与观察对象的分离始终是传统科学的核心观念之一。这一假设的合理性在于人们认为事物能在不带来显著干扰的情况下观察。随着量子力学的出现，它的合理性受到了挑战。既然量子力学研究表明亚原子级事物不可能无干扰地检测或观察，量子理论研究工作者认为：科学家不可避免的是他的实验装置的有机组成部分。
然而理论物理学近期发展的历史似乎引入了全然不同的判断科学之真伪的方法。半个世纪以来，规范原理一直给传统观念以支持。这一原理的巨大成功似乎告诉我们：能正确描述自然的理论应是那些使观察者在某种意义上超脱干连，并且恢复了观察者和观察对象间原有的鸿沟的理论。如果他介入进来从事测量，他会改变被测系统，但是他的心境——他的那组任意规定的定义无法改变系统的状况。
[Science Digest，1983年11月]