“大统一”研究往何处去？随着超级超导对撞机（SSC）的夭折，物理学家在如何继续研究以至是否还要继续研究自然界的统一理论上产生了分歧。（玄学，metaphysics，即形而上学，本文中取哲学中探究宇宙根本原理之义。——译注）

150多年前，法拉第通过一系列卓越的实验揭示了电和磁是同一个基础力的体现。在这一成功的启发下，法拉第试图证明电磁与引力也有着相同的联系（引力是牛顿在大约150年前就已经作了数学描述的）。虽然他失败了，但是他仍然确信这样的统一理论存在。

许多现代物理学家有着与法拉第共同的信仰：自然界表面上各不相同的力只是一颗对称宝石的各个侧面。寻找这种宝石的工作已经把现代物理学变成一部史诗般的寻根戏剧。戴着诺贝尔奖桂冠的坦克萨斯大学的S. 温伯格在最近的新著《终极理论的梦》中说：统一理论将完成“古代那些不能用更深层的原理来解释的原理的探究”，难道这样的探究会永无完成之日？

自法拉第那卜时代以来，物理学无疑变得越来越复杂了9本世纪初，爱因斯坦用广义相对论替代了牛顿对引力的较为简单的解释。广义相对论把原来空间和时间的刚性桁架变成具有弹性的橡胶。随后，研究者在引力和电磁力之外发现了另外两种力：弱力和强力。前者引发某种核衰变，后者使质子和中子在原子核中粘结在一起。

到了最近，物理学家似乎以不可抗拒的势头趋向统一化。他们已经制造了一种理论（10年前为加速器所证实），阐明电磁力和弱核力是相同的弱电力的两个方面。在这一成就的鼓舞下，研究者已经创造出一种所谓大统一理论（GUT），把弱电力和强核力联结在一起。他们甚至提出囊括所有的力（包含引力）的建议，自从他们打算把量子力学和广义相对论熔合在一起，这些建议有时就被叫作量子引力理论。所以这样的理论提出约定：宇宙在炽热的创生时，可能是由一个单一的终极力作了短暂的统治，所以这些理论又称作无所不包的理论（theories of everything）。

现在，正当似乎胜利在望之时，却面临半途而废的危险、这种担心的直接原因是1993年10月美国国会决定取消计划耗资110亿美元建造超级超导对撞器（SSC）工程，而这个工程上马已经4年了。伊利纳伊斯理工大学实验物理学家，诺贝尔奖获得者L. M. 拉特曼指出：通过距离缩短而能量提高的探测，粒子物理学进步了。SSC本可以使功率比现有加速器强大20倍，使物理学家能大大接近统一性。“如果不建造SSC，我以为这个领域就告吹了。”倘若粒子物理学停顿了，宇宙学也就跟着停顿。因为宇宙学在打算重建宇宙历史的努力中越来越依赖统一理论。

然而SSC的夭折大概目前只是使物理学更快地陷入本已出现的僵局。维护SSC的言论一再提示它会得出一种终极理论。拉特曼的新书取名《粒子上帝》就是很好的说明。这本书极力为SSC辩护。不过拉特曼承认，与产生统一性所需要的能量相比，SSC还小许多个数量级。一个SSC型加速器必须沿大约10亿公里的圆进行追踪以到达大统一的区域。通过这样的距离，光要花一个月时间。能够探测无穷小量子引力区域的碰撞器需要1，000光年的周长。而整个太阳系的大小也只有大约一个光日。

事实上，在SSC工程启动之前，著名的理论家，哈佛大学的H. 乔基就提出统一理论的探求应该降温，他认为这一理论超出了粒子物理学的范围。在最近的演讲中，甚至对他在约20年前首次提出一种统一理论一事表示歉意。他说：“大统一的遗产是：被自称为粒子理论家的人认为值得花一辈子去思考的合理而新鲜的世界，这个世界的距离将永远比我们在实验室里所能研究的任何东西都小得多。我的观点是，在粒子物理学的范围内大统一是非常不合适的。”

还有些人则信守不渝。他们当中有约翰 · 伊里斯 · 他是欧洲粒子物理实验室（CERN）的理论家，70年代中期，他帮助传播“大统一”这个名词，大约10年之后，他又帮助传播“无所不包的理论”这一名词。他坚持认为“在传统方向上仍然存在希望他指出，CERN打算建造一座加速器，其强大程度接近SSC。到了那时，在下述这些方面可能找到事情的线索：在所有加速器的高精度实验中；在中微子研究中（尽管在检测器中显得忸怩，但在许多统一理论中表现地位突出）；在背景辐射的观察中，等等。

从某种意义上说，物理学家是他们成功的牺牲品。他们已经构造了一种以非常的精确性来说明粒子相互作用的理论。一种关于物质和能量的根本性理论叫作标准模型（或者叫“几乎无所不包的理论”），这是以量子力学为坚固基础，由科学巨人如玻尔、海森堡和薛定谔在20年代和30年代所建立的；50年代费曼等人创造了一种电磁理论，叫量子电动力学（QED），它从本质上说明所有的化学和电子现象。

在接着的10年里，物理学家给强力建立一种理论，叫量子色动力学（QCD）。它认为质子和中子是更为基本的粒子的体现，这种粒子叫夸克。每一个质子和中子由三个夸克所组成，一种叫胶子的“力荷”粒子把它们束缚在一起。

60年代，这个领域向着统一化采取了重大步骤。这是由于哈佛的温伯格和格拉肖，国际理论物理中心（在德累斯顿）的萨拉姆以及其他人提出电磁力和弱核力实际上是相同的弱电力的两种表现。经世界上几个主要的加速器实验室的日益精密的测试，证明量子色动力学和弱电理论是有效的。

没有大统一，也无荣耀

但是，实验工作者刚刚证实了标准模型，他们就热衷于去打破它。1993年，C. 洛比亚宣布CERN中在他主持下的一个组不但发现了Z和W（它们都是荷弱电力的粒子），而且发现了单体喷射现象。这一现象明显地违反标准模型。格拉肖回想当时洛比亚在联席会议上的宣布，“洛比亚说CERN不但证明了标准模型，而且已经把它打入坟墓。”

洛比亚因揭开Z和W的秘密而分享诺贝尔奖。但是立刻发现用标准模型去解释的单体喷射。格拉肖诙谐地说，“洛比亚不得不去管理和指导对标准模型更加精致的证明，从1989年到1993年底。这看来是对他那不成熟的宣布所作的惩罚。有点像希腊神话。”不幸，粒子物理学的其余部分也不得不分担对洛比亚的惩罚。

与此同时，理论工作者业已前进，他们在更深层次上的研究已经远远超过标准模型。他们为这样的事实所鼓励：量子色动力学和弱电理论都是规范理论；规范理论认为一个系统的所有元素在布局没有基本改变的情况下可以得到变换，有如各元素在镜子中的转动或反射。

70年代初，格拉肖和他在哈佛的年轻同事乔基创立了一种规范理论叫SU（5），能够用它同时得出弱电相互作用和强相互作用（术语SU[5]指的是理论所显示的对称数）。大统一理论（它不是格拉肖和乔基提出的，他们也不喜欢这个术语）使它成为惊人的预言。夸克似乎能够变成中微子、电子及其反物质对应物；这意味着质子（由夸克组成）是不稳定的，它将以衰变告终。虽然估算任何个别质子的半衰期比太阳的年龄还要长，物理学家还是能够通过观察大量的质子来检验这一预言。

世界各地现已建造了七八处质子衰变检测器，为了使来自宇宙射线的信号干扰减至最小，它们大多深埋在地下（宇宙射线是来自外层空间的高能粒子）。可惜它们至今还没有观察到质子的衰变。

由于SU（5）理论缺乏实验支持，这就为它的替代物敞开大门，那就是著名的被称为超对称的更一般的方法。超对称认为，费米子（组成物质）和玻色子（传递力）共有着深层对称。它要求每一个已知粒子有一个比较厚重的、超对称的伙伴或“aparticle”。超对称的一个显著特点是，如果它扩展到额外的维，它的功率就能够增大。正像宇航员从地球两维平面之上升空就能够理解它的球对称那样，一个理论工作者从高维立场上观察粒子相互作用同样可以看出它们更加精巧的对称。

理论工作者已经构造了各种超对称大统一理论以至量子引力理论。后者的例子是超引力，它假设传递引力的粒子叫引力子 · 它的超对称伙伴叫引力微子。1980年，超引力似乎大有希望，剑桥大学的W. 霍金宣布它可能代表人们长期寻觅的“物理学的理想统一理论”。但是由于把引力子看作点的定义时碰到了数学难题，它很快就陷入困境。正如除数为零得到无穷大这样无意义的结果，包含点状粒子的计算也是如此。规范理论已帮助物理学家构造了电磁学和核力模型来克服这种难题。但是时空扭曲的引力似乎要求一个更带根本性的方法。

许多物理学家认为超弦提供了这种方法。超弦理论开始相当朴素。70年代，理论工作者提议强核力起源于弦状粒子的相互作用。小提琴的弦能产生不同的音调，同样，这些弦振动产生包含在强力中的根本不同的各种粒子。

在采用成功的夸克和胶子方法之后这条路子就被放弃了。但是在70年代后期，弦理论由玛丽皇后学院的M. B. 格林（英）和加州理工学院的J. H. 薛瓦兹以超对称的形式复活了。令人惊异的是，他们发现超对称弦产生自然界所有的力，包括引力。最重要的是，用弦去代替点就排除了在别的量子引力理论中出现的许多数学难题。

这个理论要求接受一些颇费推导的关于物理现实的假设。弦的维数多达26，而它们竟如此之小，拿它与质子相比，像拿质子与太阳相比一样，这种微区域叫做普朗克尺度，它是任何可以想象的实验都达不到的。然而越来越多的物理学家和数学家为它的丰富多彩的结构而着迷。普林斯顿高级研究院的E. 魏丹就是一位执牛耳的超弦理论家，他已成为一个在数学上如同他在物理学上一样有臣大影响的人物。他的分析技术是传奇式的。他为连接超弦理论与已知物理现象而奋斗。最近已在超弦和黑洞之间建造了一条桥梁?传统上黑洞不是粒子物理学而是广义相对论理论家的活动场地。1991年，魏丹论证了超弦理论何以能够产生黑洞。虽然它是高度简化的二维证明。魏丹的证明引发了一场理论活动，一直持续到今天。

霍金在20年前指出，超弦还可能帮助包藏一个与黑洞有关难题。他论证，量子效应可能使黑洞辐射出能量（随之也是质量），直到黑洞最后消失。他这样总结他的发现：“黑洞并不太黑。”因为至少在原理上，黑洞代表它的产生过程的纪录，它的消失是信息持久损耗的结果。从某种意义上说，过去就是绝灭。霍金宣布，他已经揭示了一个只有对量子力学或者广义相对论进行修改才能解决的佯谬。

1993年10月《物理评论快报》登载了斯坦福大学L. 塞斯肯特一篇文章，证明超弦怎样可能解决这个疑团，他解释说，由霍金发现的佯谬出自埋藏在广义相对论中的假设：信息是怎样储存在给定时空区域里的，不同的观察者得到的图像是相同的。但是按照超弦理论，不同的观察者得到的图像是不同的。对于任何单独的观察者，过去是被遮蔽起来的。

批评者指责说，这样的工作并不属于物理学，因为它脱离了任何实验可达到的现象。塞斯肯特反驳道，用传统的方法不再能使物理学进步。“对我来说这一点是明显的：如果15到20年前提出这个问题*现在应当是在解决之中而不是在增添步骤进行实验处理。”他说，“用传统方法达到普朗克尺度是没有希望的，忽略这一点就离谱了。”这与魏丹的观点相同。

奋力寻找数据

大部分理论工作者仍然渴望从实验中得到某种启示，他们相信自己是在正确的轨道上工作。还有许多人把希望寄托在寻找超对称的证据上，它对检验超弦理论是必要的，虽然还不充分。费米实验室和CERN都曾试图检测到超对称粒子，但是没有成功。

有些工作人员宣称CERN已经提供超对称的试探性证据。他们已经完成对电磁力、弱力和强力的耦合常数的高精度测量（一个力的耦合常数是对它的强度的度量）。大统一理论预言，三种短程力的耦合常数在低能状态具有不同的值，但在高能状态下它们的值应当向同一值汇合。按照CERN的伊里斯的看法，CERN的数据同老的SU（5）的预言不一致，但是把超对称充实到这一理论中去则同预言恰好吻合。

还有一些人发现这些结果没有说服力。CERN的理论工作者A. D. 鲁耶拉指出，CERN的测量数据只有再外推许多个数量级才能支持超对称理论。他认为有些同事有点过分倾心于超对称，但证据贫乏，“超对称与迷信语调相符”。

费米实验室和CREN都打算将它们的主要加速器升级。费米实验室希望增加万亿电子伏加速器的束密度（这个加速器使质子和反质子碰撞）。CERN打算让大型正负电子对撞器能量加倍，以便进行另一种寻找超对称粒子的尝试，时间不会很短，还有一个更为遥远的希望，就是寻找希格玻色子。理论工作者认为这种粒子在高能下电磁力和斯弱力的对称破缺中扮演关键角色。

加速器还可以让理论工作者为介子的研究忙碌。介子是寿命非常短的由一个夸克和一个反夸克组成的粒子。60年代，K介子实验导致发现物质和反物质并非互为镜像，而呈现微妙的不对称性。有些理论工作推测，要是没有这种称作电荷宇称背离的不对称性，宇宙就不会存在；不然，大爆炸产生出来的恰好是数量相等的物质和反物质，物质和反物质相接触就互相消灭。

物理学家希望通过B介子实验来更进一步开拓这些观念。人们期望B介子比K介子更经常地出现电荷宇称背离。1993年秋，同样的法案被批准：在SLAC用2.37亿美元建造一座能大量产生B介子的设备。这个“B工厂”的产物将违反标准模型（标准模型只在特定的参量范围内允许电荷宇称背离）。

并不是所有的效应都是在加速器实验室里发生的，在中微子观察站上可以出现宇宙意义上的效应。由于中微子很少与正常物质相互作用，因而难以检测，人们总是说它“不好捉摸”，它在弱电相互作用和各种宇宙理论中扮演举足轻重的角色。从70年代开始，发现太阳发射的中微子比标准模型预言的要少。

两台新的检测器已经证明太阳中微子匮乏。一台是在俄罗斯山区的苏美镓实验，另一台是在意大利山区的镓实验。对标准模型预言与实测的矛盾作这样的解释：从电子中微子变化出更难以检测的各种不同变体之间产生“振荡”。这一解释的作者是莫斯科科学院的S. P. Mike和A. Y. Smirnov同曼龙大学的L. Woltenstein，按照他们的名字的首字母取名为MSW推测。这种振荡只有当中微子具有质量时才能发生。这一结果与严格意义上的标准模型相抵触。

温伯格警告说，对于这些实验会产生实质性的新物理学不要过分自信。他说：“未来5到10年我们会遇到各方好运，可惜这样的话我们已经讲了10到15年了。”格拉肖也同样悲观；他怀疑低能实验是否能够发现违反标准模型的现象。他指出，近几年来已经有许多关于这类现象的报道，包括自然界与引力抗衡的完全新型的“第五种力”；非常重的中微子（17，000 eV）；磁单极子——只具有单个磁极的奇特粒子，等等，不过都没有实绩可言。

温伯格和格拉肖确认超级超导对撞机是动人心弦的新型物理学的可能最优手段。SSC常被宣传成是揭示希格斯玻色子的机器。但是，正如CERN的D. 鲁约赖所指出的，希格斯玻色子的发现并不须要拓宽物理学领域，这样的发现会是弱电理论的关键证明，它只是表示标准模型的推广，不可能是打开任何新事物的观察窗口。

按照普林斯顿大学的D. J. 格罗斯的看法，SSC的更有意义的对象是超对称。其重要性足与本世纪的任何重大发现相比拟。它会扩大我们的时空视野，证明其它维的存在。格罗斯在量子色动力学的发现中起了重要作用，现在是突出的超弦主张者。

现在SSC已成过去，物理学家想从CERN可能建造的大型强子对撞机（LHC）中寻找救援（它是与SSC相似但较小的质子碰碎器）。估计造价为30亿美元，不到SSC的1/3。有些观察家表示关切：欧洲共同体也会跟随美国国会取消或无限期推迟LHC的建造计划。1994年1月接替洛比亚担任CERN主管的C. L. 斯密斯认为，LHC是要建造的，并在下个世纪初的某个时候运转。这个计划使物理学家能够充分利用LEP并精心设计出LHC。斯密斯提醒说：“如果让时间溜走，就会危及这个科学领域的生命，你不能启动一个实验，也就别希望你的子孙去完成它。”

LHC能否建造或能否成功现在还没有保证。由于它的能量范围只有SSC的1/3，所以寻找到希格斯玻色子和超对称粒子或某种非所预料的现象的机会就比较小。尤其是，在比较小的隧道里要获得那样大的能量范围，就必须把超导磁技术推到极限。虽然美国物理学家曾经揶揄这种机器，但温伯格认为LHC是我们现在最好的希望。

等离子体浪花

有些工作人员是有希望的，尤其是那些思索着量子引力的人。他们研究的领域通过某种戏剧性的理论进步能够前进，而这些理论对实验可达到的现象给予非常的理解。魏丹说，在研究者发掘被叫做“核心几何原理”（以超弦理论为基础）时，物理学可以跃进。他的同事，积极的弦理论研究者格罗斯说：“我已想象出不需要实验资料而获得成功的情景。”

但是哈佛大学的S. R. 柯赖曼认为这是不可能的。他说，"实验是科学想象的源泉。世界上的哲学家思考了几千年也得不到量子力学。”柯赖曼是以平行宇宙和蛀洞（时间织物断裂）等高度抽象的现象方面的工作而闻名于世的。

S. C. 庭持相同的观点。他是麻省理工学院教授、CERN LEP碰撞器中最大检测器的领导人。他指出，本世纪物理学的进步几乎都是来自完全非所期望的实验结果。反物质的发现（1930年狄拉克预示），Z和W粒子的发现（温伯格等人为预示）是这个规律的一种例外。更为典型的例子是50年代在特定的粒子行为中发现精妙的非对称，这种粒子行为不但是已知物理规则中非所预期的而且是被“禁止”的。他说：“比起理论需要来，我们更需要关于加速器设计的革命观念。大多数大学没有加速器课程，而没有这样的课程，没有新观念的注入，这个领域就会枯萎。即便建立起SSC，这个道理也是对的。”

已经有一段时间了，在计划建造一个大型直线加速器，功率比SSC小，但能提供更加精确“滤清”数据。它叫Next直线对撞器（NLC），计划由美国、欧洲和亚洲物理学家合作。现在的设想，有一条20公里长的隧道，电子和正子在这里迎头相撞。这个计划是否成功取决于国际支持。

在加州大学、亚冈尼国家实验室以及其它地方，各种完全不同的加速器计划正在蓬勃发展。有一种技术叫等离子体脉冲波加速器，它由一激光脉冲通过带有相反电荷的粒子或等离子体的室。电磁脉冲在等离子体中产生波，在这里电子被“浪击”到高能量。类似的研究还有叫尾流场（wake field）加速器的，它用电子波而不是用激光。

乔基指出，没有什么设想得到的机器可以证明大统一。实验最多只能提供间接的证明。“过去几十年里我们被搞糟了。因为你不是得到证明一种理论的一个数据而是许多数据，所以你确实认为你是对的。现在我们将不得不用数据来满足要求，而这些数据只能用来说服那些本来已经确信无疑的人。这是一个永恒的难题，我们碰到了自然界的基本极限。”

不仅是法拉第而且谁都表示，为什么放弃单一力主宰着自然界的希望是这么困难。法拉第写道：“倘若证明这个希望有充分根据，那么我所试图讨论的力，它的迄今不可移易的特性有多么伟大、崇高、全能？！它给人类心灵打开的知识天地有多么广阔？！”

[Scientific American，1994年2月号]