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標題: 時間簡史-第五章　基本粒子和自然的力 [打印本頁]

作者: 寶玉 時間: 2007-1-28 00:44 標題: 時間簡史-第五章　基本粒子和自然的力

亞裏士多德相信宇宙中的所有物質是由四種基本元素即土、空氣、火和水組成的。
有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沈的趨勢；浮力，這是指空氣和
火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。
亞裏士多德認爲物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越
小的小塊，即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個希臘人，
例如德漠克裏特，則堅持物質的固有的顆粒性，而且認爲每一件東西都是由不同種類的
大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是“不可分的”）。爭論一直持續了幾個世
紀，任何一方都沒有任何實際的證據。直至1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾
頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的。這一事實可以用來解釋所謂分子的單元
是由原子組成的。然而，直到本世紀初這兩種學派的爭論才以原子論的勝利而告終。愛
因斯坦提供了一個重要的物理學證據。1905年，在他關于狹義相對論的著名論文發表前
的幾周，他在所發表的另一篇文章裏指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小
顆粒的無則規的、隨機的運動——可以解釋爲液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。
當時已經有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院
的研究員湯姆遜演示了一種稱爲電子的物質粒子存在的證據。電子所具有的質量比最輕
原子小1千倍。他使用了一種和現代電視顯像管相當類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲
發射出電子，由于它們帶負電荷，可用一電場去將其加速飛到一個塗磷光物質的屏幕上。
電子一打到屏幕上就會産生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子必須從原子裏
出來。英國物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實有內部結構：
它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉動的一些電子組成。他是根據從
放射性原子釋放出的帶正電荷的。粒子和原子碰撞會引起的偏折這一現象，以及分析了
此偏折的方式後而推出這一結論的。
最初，人們認爲原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子所組成。質
子是由希臘文中的“第一”演化而來的，因爲質子被認爲是組成物質的基本單位。然而，
盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發現，原子核還包含另外稱爲中子
的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但沒有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾
獎，並選爲劍橋龔維爾和凱爾斯學院（我即爲該學院的研究員）院長。後來，他因爲和
其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員將許多已占據位置多年的
老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；在這場爭論尾聲的
1965年我才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭
論而辭職。
直到20年以前，人們還總以爲質子和中子是“基本”粒子。但是，將質子和另外的
質子或電子在高速度下碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工
學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名爲誇克。由于對誇克的研究，他獲得1969年的諾貝
爾獎。此名字起源于詹姆斯·約依斯神秘的引語：“Three quarks for Muster Mark！”
誇克這個字應發誇脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通常和拉克（雲雀）相押韻。
存在有幾種不同類型的誇克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱之爲
上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍。（必須強調，這
些術語僅僅是記號：誇克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顔色。這
只不過是現代物理學家更富有想像力地去命名新粒子和新現象而已——他們不再將自己
限制于只用希臘文！）一個質子或中子是由三個誇克組成，每個一種顔色。一個質子包
含兩個上誇克和一個下誇克；一個中子包含兩個下誇克和一個上誇克。我們可用其他種
類的誇克（奇、魅、底和頂）構成粒子，但所有這些都具有大得多的質量，並非常快地
衰變成質子和中子。
現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在于什麽
是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由于光波波長比原子的尺度大得
多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個原子的部分，而必須用某些波長短得多的
東西。正如我們在上一章　所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波動，
粒子的能量越高，J則其對應的波動的波長越短。所以，我們能對這個問題給出的最好的
回答，取決于我們的設想中所能得到多高的粒子能量，因爲這決定了我們所能看到的多
小的尺度。這些粒子的能量通常是以稱爲電子伏特的單位來測量。（在湯姆遜的電子實
驗中，我們看到他用一個電場去加速電子，一個電子從一個伏特的電場所得到的能量即
是一個電子伏特。）19世紀，當人們知道如何去使用的粒子能量只是由化學反應——諸
如燃燒——産生的幾個電子伏特的低能量時，大家以爲原子即是最小的單位。在盧瑟福
的實驗中，α粒子具有幾百萬電子伏特的能量。更近代，我們知道使用電磁場給粒子提
供首先是幾百萬然後是幾十億電子伏特的能量。這樣我們知道，20年之前以爲是“基本”
的粒子，原來是由更小的粒子所組成。如果我們用更高的能量時，是否會發現這些粒子
是由更小的粒子所組成的呢？這一定是可能的。但我們確實有一些理論的根據，相信我
們已經擁有或者說接近擁有自然界的終極構件的知識。
用上一章　討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。
這些粒子有一種稱爲自旋的性質。自旋可以設想成繞著一個軸自轉的小陀螺。但這可能
會引起誤會，因爲量子力學告訴我們，粒子並沒有任何很好定義的軸。粒子的自旋真正
告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什麽樣子的。一個自旋爲0的粒子像一個圓點：從
任何方向看都一樣（圖5.1－i）。而自旋爲1的粒子像一個箭頭：從不同方向看是不同的
（圖5.1-ii）。只有把當它轉過完全的一圈（360°）時，這粒子才顯得是一樣。自旋爲
2的粒子像個雙頭的箭頭（圖5.1－iii）：只要轉過半圈（180°），看起來便是一樣的
了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉了整圈的更小的部分後，看起來便是一樣的。所有
這一切都是這樣的直截了當，但驚人的事實是，有些粒子轉過一圈後，仍然顯得不同，
你必須使其轉兩整圈！這樣的粒子具有1�2的自旋。

圖5.1
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質的自旋爲1�2的粒子；在
物質粒子之間引起力的自旋爲0、1和2的粒子。物質粒子服從所謂的泡利不相容原理。這
是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1925年發現的，他並因此獲得1945年的諾貝爾獎。
他是個模範的理論物理學家，有人這樣說，他的存在甚至會使同一城市裏的實驗出毛病！
泡利不相容原理是說，兩個類似的粒子不能存在于同一個態中，即是說，在不確定性原
理給出的限制內，它們不能同時具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關鍵的，因
爲它解釋了爲何物質粒子在自旋爲0、1和2的粒子産生的力的影響下不會坍縮成密度非常
之高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎在相同位置，則它們必須有不同的速度，這意味
著它們不會長時間存在于同一處。如果世界創生時不相容原理不起作用，誇克將不會形
成不相連的、很好定義的質子和中子，進而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定
義的原子。所有它們都會坍縮形成大致均勻的稠密的“湯”。
直到保爾·狄拉克在1928年提出一個理論，人們才對電子和其他自旋1�2的粒子有
了相當的理解。狄拉克後來被選爲劍橋的盧卡遜數學教授（牛頓曾經擔任這一教授位置，
目前我擔任此一位置）。狄拉克理論是第一種既和量子力學又和狹義相對論相一致的理
論。它在數學上解釋了爲何電子具有1�2的自旋，也即爲什麽將其轉一整圈不能、而轉
兩整圈才能使它顯得和原先一樣。它並且預言了電子必須有它的配偶——反電子或正電
子。1932年正電子的發現證實了狄拉克的理論，他因此獲得了1933年的諾貝爾物理獎。
現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對于攜帶力的粒子，反粒子即
爲其自身。）也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，
注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。爲何我們周圍的粒
子比反粒子多得多？這是一個極端重要的問題，我將會在本章的後部分回到這問題上來。
在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認爲是由自旋爲整數0、1或2的
粒子承擔。物質粒子——譬如電子或誇克——發出攜帶力的粒子，由于發射粒子所引起
的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質粒子碰撞從而被吸收。這
碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同兩個物質粒子之間存在過一個力。
攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它的一個重要的性質。這表明它們能被
交換的數目不受限制，這樣就可以産生根強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的
質量，則在大距離上産生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。
另一方面，如果攜帶力的粒子質量爲零，力就是長程的了。在物質粒子之間交換的攜帶
力的粒子稱爲虛粒子，因爲它們不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到。但我們
知道它們的存在，因爲它們具有可測量的效應，即它們引起了物質粒子之間的力，並且
自旋爲0、1或2的粒子在某些情況下作爲實粒子而存在，這時它們可以被直接探測到。對
我們而言，此刻它們就呈現出爲經典物理學家所說的波動形式，例如光波和引力波；當
物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，它們有時就可以被發射出來。
（例如，兩個電子之間的電排斥力是由于交換虛光子所致，這些虛光子永遠不可能被檢
測出來；但是如果一個電子穿過另一個電子，則可以放出實光子，它以光波的形式爲我
們所探測到。）
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強
調指出，將力劃分成四種是種人爲的方法；它僅僅是爲了便于建立部分理論，而並不別
具深意。大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解釋爲一個單獨
的力的不同方面。確實，許多人認爲這是當代物理學的首要目標。最近，將四種力中的
三種統一起來已經有了成功的端倪——我將在這章描述這些內容。而關于統一余下的另
一種力即引力的問題將留到以後再討論。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質量或能量而感
受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個特別
的性質，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，並且總是
吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的
引力能叠加起來而産生相當大的力量。另外三種力或者由于是短程的，或者時而吸引時
而排斥，所以它們傾向于互相抵消。以量子力學的方法來研究引力場，人們把兩個物質
粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋爲2的粒子所攜帶。它自身沒有質量，所以所
攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結爲構成這兩個物體的粒子之間的引
力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實産生了可測量的效應——它們使地球繞
著太陽公轉！實引力構成了經典物理學家稱之爲引力波的東西，它是如此之弱——並且
要探測到它是如此之困難，以致于還從來未被觀測到過。
另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和誇克）之間，但不和不帶
電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力
大約大100億億億億億（在1後面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負電荷。
同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或
太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由于單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全
抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度
下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子繞著原子
的核作公轉，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由于
稱作光子的無質量的自旋爲1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。
但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形
式釋放能量——如果其波長剛好，則爲肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版
的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許
軌道移動到較遠的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱爲弱核力。它制約著放射性現象，並只作用于自旋爲1�2的物質粒子，
而對諸如光子、引力子等自旋爲0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿
伯達斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統一理論後，弱作
用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統一了電學和
磁學並駕齊驅。溫伯格——薩拉姆理論認爲，除了光子，還存在其他3個自旋爲1的被統
稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫W＋（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），
每一個具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏爲10億電子伏）。上述理論展現了稱作
自發對稱破缺的性質。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一
類型粒子的不同狀態。在高能量下所有這些粒子都有相似的行爲。這個效應和輪賭盤上
的輪賭球的行爲相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行爲基本上只有
一個方式——即不斷地滾動著；但是當輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷
到輪子上的37個槽中的一個裏面去。換言之，在低能下球可以存在于37個不同的狀態。
如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認爲存在37種不同類型的球！
在溫伯格——薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子
的行爲方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對稱就被破壞
了。W＋、W－和Z0得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出
此理論時，很少人相信他們，因爲還無法將粒子加速到足以達到産生實的W＋、W－和Z0
粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裏，在低能量下這個理論的其他預
言和實驗符合得這樣好，以至于他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的
物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由于1983年在CERN
（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的三個帶質量的
伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡拉
·魯比亞和發展了被使用的反物質儲藏系統的cERN工程師西蒙·範德·米爾分享了1984
年的諾貝爾獎。（除非你已經是巅峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕迹極其困難！）
第四種力是強作用力。它將質子和中子中的誇克束縛在一起，並將原子中的質子和
中子束縛在一起。一般認爲，稱爲膠子的另一種自旋爲1的粒子攜帶強作用力。它只能與
自身以及與誇克相互作用。強核力具有一種稱爲禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成
不帶顔色的結合體。由于誇克有顔色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的誇克。反之，
一個紅誇克必須用一串膠子和一個綠誇克以及一個藍誇克聯結在一起（紅＋綠＋藍＝白）。
這樣的三胞胎構成了質子或中子。其他的可能性是由一個誇克和一個反誇克組成的對
（紅＋反紅，或綠＋反綠，或藍＋反藍＝白）。這樣的結合構成稱爲介子的粒子。介子
是不穩定的，因爲誇克和反誇克會互相湮滅而産生電子和其他粒子。類似地，由于膠子
也有顔色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團，
其叠加起來的顔色必須是白的。這樣的團形成了稱爲膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的誇克或膠子，這事實使得將誇克和膠子當作粒
子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一個叫做漸近自由的性質，它
使得誇克和膠子成爲定義得很好的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將誇克很
緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，在高能下強作用力變得弱得多，誇
克和膠子的行爲就像自由粒子那樣。圖5.2是張一個高能質子和一個反質子碰撞的照片。
碰撞産生了幾個幾乎自由的誇克，並引起了在圖中可以看到的“噴射”軌迹。

圖5.2一個質子和一個反質子在高能下碰撞，産生了一對幾乎自由的誇克。
對電磁和弱力統一的成功，使許多人試圖將這兩種力和強核力合並在所謂的大統一
理論（或GUT）之中。這名字相當誇張，所得到的理論並不那麽輝煌，也沒能將全部力都
統一進去，因爲它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因爲它們包含了許多不
能從這理論中預言而必須人爲選擇去適合實驗的參數。盡管如此，它們可能是朝著完全
的統一理論推進的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量時強核力變
弱了；另一方面，不具有漸近自由性質的電磁力和弱力在高能量下變強了。在非常高的
叫做大統一能量的能量下，這三種力都有同樣的強度，所以可看成一個單獨的力的不同
方面。在這能量下，GUT還預言了自旋爲1�2的不同物質粒子（如誇克和電子）也會基本
上變成一樣，這樣導致了另一種統一。
大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1千萬億吉電子伏特。而目前粒子
加速器只能使大致能量爲100吉電子伏的粒子相碰撞，計劃建造的機器的能量爲幾千吉電
子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太陽系一樣大——這
在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裏直接證實大統一理論。然而，
如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢測它在低能量下的推論。
其中最有趣的是預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能自發衰變成諸如反電
子之類更輕的粒子。其原因在于，在大統一能量下，誇克和反電子之間沒有本質的不同。
正常情況下一個質子中的三個誇克沒有足夠能量轉變成反電子，由于測不准原理意味著
質子中誇克的能量不可能嚴格不變，所以，其中一個誇克能非常偶然地獲得足夠能量進
行這種轉變，這樣質子就要衰變。誇克要得到足夠能量的概率是如此之低，以至于至少
要等100萬億億億年（1後面跟30個0）才能有一次。這比宇宙從大爆炸以來的年齡（大約
100億年——1後面跟10個0）要長得多了。因此，人們會認爲不可能在實驗上檢測到質子
自發衰變的可能性。但是，我們可以觀察包含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰
變的機會。（譬如，如果觀察的對象含有1後面跟31個0個質子，按照最簡單的GUT，可以
預料在一年內應能看到多于一次的質子衰變。）
人們進行了一系列的實驗，可惜沒有一個得到質子或中子衰變的確實證據。有一個
實驗是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裏進行的（爲了避免其他因宇宙射線引起的會
和質子衰變相混淆的事件發生）。由于在實驗中沒有觀測到自發的質子衰變，因此可以
估算出，可能的質子壽命至少應爲1千萬億億億年（1後面跟31個0）。這比簡單的大統一
理論所預言的壽命更長。然而，一些更精致更複雜的大統一理論預言的壽命比這更長，
因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。
盡管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由于這相反的過程，即質子或更簡
單地說誇克的産生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然的方式—
—誇克並不比反誇克更多的狀態下産生的。地球上的物質主要是由質子和中子，從而由
誇克所構成。除了由少數物理學家在大型粒子加速器中産生的之外，不存在由反誇克構
成的反質子和反中子。從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中的所有物質也是這樣：
除了少量當粒子和反粒子對進行高能碰撞時産生出來的以外，沒有發現反質子和反中子。
如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量
的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞、互相湮滅並釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子
構成，但二者只居其一，否則我們又會觀察到大量由涅滅産生的輻射。因此，我們相信，
所有的星系是由誇克而不是反誇克構成；看來，一些星系爲物質而另一些星系爲反物質
也是不太可能的。
爲什麽誇克比反誇克多這麽多？爲何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我
們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只余下一個充滿輻射而幾乎
沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恒星和行星。慶幸
的是，大統一理論可以提供一個解釋，盡管甚至剛開始時兩者數量相等，爲何現在宇宙
中誇克比反誇克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許誇克變成高能下的反電子。
它們也允許相反的過程，反誇克變成電子，電子和反電子變成反誇克和誇克。早期宇宙
有一時期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉變發生。但是，爲何導致誇克比
反誇克多呢？原因在于，對于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對
稱的意義是，對于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇稱）對稱是指，對于任何情景和它
的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）定律不變；T（時間）
對稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運動方向，系統應回到原先的那樣；換言之，
對于前進或後退的時間方向定律是一樣的。
1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振甯提出弱作用實際上不服從P對稱。換言之，
弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的
預言是正確的。她將放射性元素的核在磁場中排列，使它們的自旋方向一致，然後演示
表明，電子在一個方向比另一方向發射出得更多。次年，李和楊爲此獲得諾貝爾獎。人
們還發現弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構成的宇宙的行爲和我們的宇宙
不同。盡管如此，看來弱力確實服從CP聯合對稱。也就是說，如果每個粒子都用其反粒
子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發展！但在1964年，還
是兩個美國人——J·W·克羅甯和瓦爾·費茲——發現，在稱爲K介子的衰變中，甚至連
CP對稱也不服從。1980年，克羅甯和費茲爲此而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因爲顯示宇
宙不像我們所想像的那麽簡單而被授予的！）
有一個數學定理說，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言
之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像和時間反演，則宇宙的行爲必須是一樣的。
克羅甯和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且采用鏡像，但不反演時間方向，
則宇宙的行爲于保持不變。所以，物理學定律在時間方向顛倒的情況下必須改變——它
們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：當時間往前走時，宇宙膨脹；如果它往後退，則宇
宙收縮。而且，由于存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對于將電子變成反
誇克，這些力更容易將反電子變成誇克。然後，當宇宙膨脹並冷卻下來，反誇克就和誇
克湮滅，但由于已有的誇克比反誇克多，少量過剩的誇克就留下來。正是它們構成我們
今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認爲是大統一
理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至于我們
不能知道在湮滅之後余下的誇克數目，甚至不知是誇克還是反誇克余下。（然而，如果
是反誇克多余留下，我們可以簡單地稱反誇克爲誇克，誇克爲反誇克。）
大統一理論並不包括引力。這關系不大，因爲引力是如此之弱，以至于我們處理基
本粒子或原子問題時，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸
引的，表明它的所有效應是叠加的。所以，對于足夠大量的物質粒子，引力會比其他所
有的力都更重要。這就是爲什麽正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對于恒星大小
的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恒星自身坍縮。70年代我的工作是集中
于研究黑洞。黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場所産生的。正是黑
洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量
子引力論的一瞥。

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