第十二章爱因斯坦之后
回顾从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦的科学发展进
程，似乎可以看到自然科学的一个执着不变的追求：企图找
到支配各种过程的统一规律，企图发现不同形态的物质的统
一起源。
亚里士多德早就提出过，千变万化的世界源于一种事物，
称之为物元（
ylem）。不过，那只是一种哲学性的猜想。真正
具有科学性的第一次统一，就是牛顿发现万有引力定律，这是
支配天体运行和地面落体运动的共同规律。这一点，在第一
章中已经讲过了。
第二次的大进展是由十九世纪的麦克斯韦完成的，他建
立了电磁理论，使电、磁及光现象得到了统一。
爱因斯坦在建立了狭义相对论和广义相对论之后，用了
整个后半生的精力去寻找引力和电磁的统一。他曾经说：
“……但是还不能断言，广义相对论中今天可看作是定论的
那些部分，已为物理学提供了一个完整的和令人满意的基础。
首先，出现在它里面的总场是由逻辑上毫无关系的两个部分，
即引力部分和电磁部分所组成的。其次，象以前的场论一样，
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这理论直到现在还未能提出一个关于物质的原子论性结构的
解释。”
这理论直到现在还未能提出一个关于物质的原子论性结构的
解释。”
大统一和宇宙的极早期
到六十年代末，我们已经认识到，字宙中的所有物理对象
可以分成两大类，一类称为“物质”；另一类称为“相互作用”。
前者如夸克、电子、中微子等等；后者如引力、电磁力等等。
在目前的宇宙中，基本的相互作用只有四种，按其强度的排列
顺序是：强子参与的强相互作用、荷电粒子参与的电磁相互
作用、强子和轻子都参与的弱相互作用以及最弱的任何粒子
都参与的引力相互作用。然而，那时各种相互作用的理论各
自单独地发展，缺乏相互联系。其中以强相互作用和弱相互
作用的理论最不能令人满意，因为这些理论的计算结果中有
许多无限大，曾用许多方法试图消除这个困难，但都没有成
功。
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到
到
这一成功启示人们进一步去寻找更大的统一理论，即把
强作用也同电磁作用和弱作用统一起来。这通常称为大统一
理论。目前大统一的方案有很多，还不能说哪一个已经得到
了决定性的证实。证实这些理论的困难是有关的实验太难作
了。大统一理论中有一个基本观念，即认为强作用的藕合强度
随着能量的增高而逐渐减小，电磁作用的藕合强度随着能量
的增加保持不变，而弱作用藕合强度则随能量的提高而变大。
几方面达到相等的能量约为
1024电子伏（约为
1012尔格）。
1024是太高了，指望用加速器来做这种高能实验，似乎是
永远不可能的。今天的加速器在质心系中的能量约为
1011电
子伏，下一代可望达到
1013电子伏，这个能量对检验温伯
格-萨拉姆的弱电统一理论是很有意义的，但对大统一理论来
说仍是太小太小了。
什么地方才能找到如此大的能量？
也许，在我们生存于其中的宇宙里，只有在大爆炸的极早
期曾经有过能量尺度为
1024电子伏的粒子过程。这样，极早
期宇宙，即宇宙年龄小于
10-6秒的一瞬间，可能是检验大统
一理论、弱电统一理论的高能行为的唯一“实验室”。这就是
最近以来粒子宇宙学迅速发展的直接起因。
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粒子宇宙学中最有兴趣的一项进展就是用大统一理论来
解释粒子及反粒子之间的不对称起源。如果要仔细地讨论这
个问题，那就会离开本书的主题太远，这里只概要地讲一讲
它的意义。
1928年，狄拉克建立了电子的相对论性量子理
论，1932年由于正电子的发现而被证实。从此人们相信，宇
宙间存在粒子以及相应的反粒子，粒子和反粒子的各种性质
都是相互对称的，并进而推断，粒子和反粒子在宇宙中的含量
也应当是对称的。可是，天文观测的结果却相反。在今天的
宇宙中，粒子的含量远大于反粒子的含量，这被称为粒子和反粒
子的宇宙不对称。
对于这种不对称的起源，大统一理论能给出一种相当自
然的解释。这主要是因为，大统一理论中容许存在粒子与反
粒子之间的不对称的过程，它可能导致粒子反粒子数量的不
相等。不过，这种过程在今天宇宙中的作用微乎其微，只在很
少的几个实验中能看到它。然而，在宇宙的极早期，即宇宙
寿命大约是
10-36秒的时候，这种微小的不对称过程会影响到
整个宇宙，使其中的质子数目多于反质子数目。这种不对称
的数量在当时仍然是很小的，大约只有十亿分之一。然而，当
宇宙冷却之后，它的后果变得越来越显著。今天我们生活的
地球以及整个星球世界就是由宇宙极早期中的一点点“多余
的”粒子形成的。
尽管这种解释还没有得到足够的证据，不过它揭示的思
路却是十分引人的。因为，自从牛顿之后，研究自然的路就分
成两条，一条研究越来越小的物质结构，一条研究越来越大的
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宇宙现象。现在，探索极早期的宇宙演化与探索越来越深入
的物质结构，开始合流了。沿着这条思路，人们自然希望能走
得更远，即去寻求比大统一更加统一的理论，去探索比极早期
更加早期的宇宙。
宇宙现象。现在，探索极早期的宇宙演化与探索越来越深入
的物质结构，开始合流了。沿着这条思路，人们自然希望能走
得更远，即去寻求比大统一更加统一的理论，去探索比极早期
更加早期的宇宙。
在大统一之后等待统一的只有引力相互作用了。引力是
最早被认识的一种相互作用，可是它的统一问题却最难。原
因之一是引力和量子论关系一直没有协调起来。爱因斯坦对
标准的量子力学的解释是持否定态度的，他认为可以通过引
力与其他相互作用的统一找到代替现有量子理论的正确理
论。这条路没有走通。相反，迄今成功的统一都是在量子场
论的基本框架内完成的，所以，现在一般认为，在引力论与量
子论的关系上，应当把爱因斯坦的观点倒过来，即只有找到
能与量子论相适应的引力理论之后，才能最终完成它的统一。
因此，尽管在目前实验室的能量范围内还没有直接看到任何
的引力量子效应，可是寻找量子引力理论的工作却持久不衰。
然而，这项工作困难重重。人们已经意识到，这个困难可
能不是技术性的，而是涉及到最根本的观念。比如，引力的量
子论中也有一个能量尺度，大约是
1028电子伏特，当能量大于
这个值时，时空本身不再是一个描述运动进行的平坦背景，而
是有明显的量子涨落。因而，在这尺度之后，不可能再谈更深
的物质构成的层次。或者说，量子引力论将给物质结构带来
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一个微观方面的界限。
一个微观方面的界限。
黑洞的发射
1970年，在经典黑洞理论中证明了一条定理：在演化过
程中黑洞视界的表面积只能增大而不能减小。外来物质或辐射掉
进黑洞时，黑洞视界表面积就增大。当两个黑洞因碰撞而合
成一个黑洞时，最终的黑洞视界表面积也比原来的两个大。物
质不可能从黑洞中出来，一个黑洞也不可能分裂成两个黑洞。
所以，黑洞视界面积只能增大。这叫做面积不减定理。
黑洞面积的不减性使人们联想到热力学中的熵。熵在演
化过程中也有不减性。一个孤立体系的熵总是随着时间而增
大（或者不变）的，决不会减少。
后来，进一步发现，黑洞面积与热力学熵之间的类比不
仅是形式上的，而是实质性的。面积也就是黑洞的熵。同时，
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我们也可以定义黑洞的温度。这个温度也应与热力学中的温