愛因斯坦之后物理學(xué)的狀況及其革命性因素

1、愛因斯坦之后物理學(xué)的狀況及其革命性因素愛因斯坦是本世紀(jì)初物理學(xué)學(xué)革命的巨人。海森伯在談到愛因斯坦的貢獻(xiàn)時(shí)說，他“有點(diǎn)像藝術(shù)領(lǐng)域中的達(dá)芬奇或者貝多芬，愛因斯坦也站在科學(xué)的個轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，而他的著作率先表達(dá)出這一變化的開端；因此，看來好像是他本人發(fā)動了我們在本世紀(jì)上半期所親眼目睹的革命”。的確，從1905年的“幸運(yùn)年”年到1916年廣義相對論論文“標(biāo)準(zhǔn)版本”的發(fā)表，愛因斯坦在兩個研究方向上奠定了20世紀(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)。一是不變性原理的研究，最終創(chuàng)立了狹義相對論(1905年)和廣義相對論(1915年)。二是統(tǒng)計(jì)理論的研究，其結(jié)果導(dǎo)致布朗運(yùn)動理論(1905年)、分子大小測定法、光量子假設(shè)（1905年）、首次

2、固體量子論(1907年)、光的波粒二象性(1907年)以及導(dǎo)致激光發(fā)現(xiàn)的A、B系數(shù)(1916年)。最后，在1925年，他完成了另一主要創(chuàng)造性工作，即獨(dú)立于德布羅意的關(guān)于物質(zhì)波粒二象性的假設(shè)。指明不變原理和統(tǒng)計(jì)漲落這兩個別出心裁的研究方向，乃是愛因斯坦“前不見古人，后不見來者”的杰作。在1916年之后，這兩個方向合二而一，成為愛因斯坦探索統(tǒng)一場論的指南。愛因斯坦向來謙虛謹(jǐn)慎，虛懷若谷。他一生勇于批判，勇于探索，勇于創(chuàng)新，從來也沒有躺在功勞簿上高枕而臥。他經(jīng)常以萊辛(GELessing)的至理名言自勉：對真理的追求要比對真理的占有更為可貴。他反對別人為相對論的成就大叫大嚷，也反對把相對淪看作是物理

3、學(xué)理論的頂峰。愛因斯坦認(rèn)為：“我們關(guān)于物理實(shí)在的觀念決不會是最終的。為了以邏輯上最完善的方式來正確地處理所感覺到的事實(shí)，我們必須經(jīng)常準(zhǔn)備改變這些觀念也就是說，準(zhǔn)備改變物理學(xué)的公理基礎(chǔ)”。他還說：“然而為了科學(xué)，就必須反反復(fù)復(fù)地批判這些基本概念，以免我們會不自覺地受它們支配。在傳統(tǒng)的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念的發(fā)展的那些情況下，這就變得特別明顯”。在這種思想的指導(dǎo)下，愛因斯坦曾多次表示，他的理論絕不是完美無缺的終極理論，它們將來一定會被其他更完善的理論來代替。本世紀(jì)20年代量子力學(xué)建立以后，狹義和廣義相對論與量子理論相結(jié)合，一直是理論物理學(xué)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。半個世紀(jì)以來，這種

4、結(jié)合不斷發(fā)展和深化，也不斷接受科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。一方面，實(shí)驗(yàn)事實(shí)充分證明相對論和量子力學(xué)在其有效范圍內(nèi)是可靠的理論；另一方面，實(shí)驗(yàn)研究和理論進(jìn)展表明，它們也遇到了一些難以解決的反常問題，其中一些問題是帶有根本性的和革命性的，似乎難以容納在相對論和量子力學(xué)的框架內(nèi)。因此，在相對論和量子力學(xué)還處于興盛時(shí)期的今天，汲取這些理論的真理性的內(nèi)容，克服它們所面臨的疑難，進(jìn)一步探索自然界的奧秘，就已經(jīng)提到當(dāng)代物理學(xué)家的議事日程上來了。在這里，我們擬就當(dāng)代物理學(xué)的現(xiàn)狀和革命趨勢，簡要地作一點(diǎn)不甚全面的述評。狹義相對論誕生以后，人們就一直設(shè)法做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證它。1958年，有人改進(jìn)了邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，得到了“以太風(fēng)

5、”小于地球軌道速度的11000的結(jié)論。后來利用穆斯堡爾效應(yīng)，測得“以太風(fēng)”的速度為1.6±2.8米/ 秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于期望值(30公里秒)。這既是對狹義相對論的驗(yàn)證，也證明根本不存在19世紀(jì)的作為電磁場載體的以太。尤其明顯的是，從宇宙線的探測到高能加速器以及對撞機(jī)的應(yīng)用，幾乎高能物理實(shí)驗(yàn)的各個方面都要涉及狹義相對論效應(yīng)，可是隨著加速能量的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)在小到約為一個質(zhì)子半徑百分之一的距離內(nèi)，沒有觀測到狹義相對論的破壞。有人進(jìn)行了靜止光子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)及光速測定的實(shí)驗(yàn)，還有人進(jìn)行了大量有關(guān)運(yùn)動介質(zhì)的電動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和直接檢驗(yàn)尺縮鐘慢的相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，甚至有人用高速噴氣飛機(jī)上的原子鐘驗(yàn)證運(yùn)動

6、時(shí)鐘變慢的效應(yīng)。所有這些實(shí)驗(yàn)都表明，無論在微觀尺度還是在宏觀尺度，還沒有發(fā)現(xiàn)狹義相對論有破壞的跡象。但是，這一切并不意味著狹義相對論就毋庸置疑了，就沒有進(jìn)一步探討的必要了。情況完全不是這樣。盡管狹義相對論的具體結(jié)論得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是只要它的兩個邏輯前提相對性原理和光速不變原理未有確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，它們就仍然帶有假設(shè)成分和“先驗(yàn)”性質(zhì)。愛因斯坦在提出這兩條原理時(shí)也是意識到這一點(diǎn)的。例如，他在1922年就光速不變原理寫道：“相對論常遭指責(zé)，說它未加論證就把光的傳播放在中心理論的地位，以光的傳播定律作為時(shí)間概念的基礎(chǔ)。然而情形大致如下：為丁賦予時(shí)間概念以物理意義，需要某種能建立不同地點(diǎn)之間的關(guān)系的過

7、程。為這樣的時(shí)間定義，究竟選擇哪一種過程是無關(guān)重要的。可是為了理論只選用那種已有某些肯定解的過程是有好處的。由于麥克斯韋與洛倫茲的研究之賜，和任何其他考慮的過程相比，我們對于光在真空中的傳播是了解得更清楚的”。事隔60余年，這種狀況并沒有得到改變。在愛因斯坦提出光速不變原理時(shí)，已有的實(shí)驗(yàn)只是說明在閉合回路中平均光速的不變性，而不是光速不變原理本身。能不能找到更為基本的對鐘手段，或者通過其他途徑，來檢驗(yàn)光速不變所包含的假定，是有待于科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展來解答的基本問題。因?yàn)楣馑俨蛔冊硎乾F(xiàn)代物理學(xué)的柱石之一，解決這個問題難度較大，影響深遠(yuǎn)，結(jié)果到底如何，人們將拭目以待。60年代以來，有人提出了超光

8、速粒子的新課題，他們稱這種粒子為“快子。超光速理論工作一般從狹義相對論出發(fā)，將其推廣，求得既適合于慢子(低于光速的粒子)和光子，又適合于快子的相對論理論。據(jù)理論上的推測，快子具有奇異的物理性質(zhì)。它的質(zhì)量是虛數(shù)，它的速度將隨能量的耗散而無限增加，當(dāng)它的能量趨于零時(shí)，則速度趨于無窮大?？熳右坏┊a(chǎn)生，就具有大于光速的速度。要使它的速度減小，必須供給它能量。如要減小到光速，則必須供給它無限大的能量才行，因此其速度不可能減小到光速或低于光速?？熳拥呢?fù)能問題是一個復(fù)雜的問題。由于負(fù)能量的出現(xiàn)，將意味著任何一個物理系統(tǒng)，因?yàn)榭赡軣o限地釋放快子而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)將無限地增加自己的能量，從而導(dǎo)致永動機(jī)的出現(xiàn)

9、。而且，更為使人驚異的是，即使無限地產(chǎn)生快子對，也不會破壞能量動量守恒定律，同時(shí)也不會改變真空中的總能量。另外，根據(jù)洛倫茲變換，快子從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個坐標(biāo)系的過程中，可能改變時(shí)間的順序，即時(shí)間倒流。這樣一來，也許就要出現(xiàn)像打油詩“年青女郎名葆蕾，神行有術(shù)光難追，快子理論來指點(diǎn)，今日出游昨夜歸”所描繪的“奇跡”。這兩個困難問題雖然可以借助二次說明原理(即應(yīng)該將一個具有負(fù)能量的粒子看作是先被吸收，然后再發(fā)射，這樣一來，負(fù)能量與時(shí)間倒流和正能量與時(shí)間順流的物理意義完全一樣，因而變換坐標(biāo)系后物理定律依然不變)來解釋，但它并沒有解決不變的因果律的問題。另外，快子有可能以無限大的速度傳播，因而假若存

10、在著快子，就可能瞬時(shí)傳遞作用信息，似乎又可能回到“超距作用”論的概念上去。不過，近10多年來，雖說在理論方面和實(shí)驗(yàn)方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破。要使快子理論與現(xiàn)代物理學(xué)理論協(xié)調(diào)起來，還需要克服相當(dāng)多的困難。不過，這卻有可能迫使人們跳出目前的理論框架，克服早已習(xí)慣了的觀念，從而產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。相對性原理是狹義相對論的另一個基本原理，它認(rèn)為一切慣性系彼此等價(jià)，沒有任何實(shí)驗(yàn)?zāi)艽_定那個更為優(yōu)越。但是，作為現(xiàn)代宇宙學(xué)兩個理論基礎(chǔ)之一的哥白尼原理(另一個是廣義相對論)卻要求，存在著描述宇宙演化的宇宙時(shí)標(biāo)和宇宙空間的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)，典型星系或星系團(tuán)在其中的分布是均勻各向同性的。宇宙背景輻射和

11、各向同性的發(fā)現(xiàn)等大量觀察資料都支持把哥白尼原理作為描述宇宙大尺度行為的基本原理。于是，宇宙時(shí)標(biāo)就是相對優(yōu)越的時(shí)標(biāo)，它描述著宇宙的演化，而相對于這個時(shí)標(biāo)的同時(shí)性在宇宙演化上具有本質(zhì)的意義。典型星系或星系團(tuán)均勻各向同性的空間就是宇宙背景空間，它相當(dāng)于一個優(yōu)越的坐標(biāo)系。可以推知，若在相對于該坐標(biāo)系以某一速度運(yùn)動的參照系上觀測星系，就會發(fā)現(xiàn)它們的分布不是均勻各向同性的，因此原則上就有可能測出運(yùn)動坐標(biāo)系相對于優(yōu)越背景空間的速度?，F(xiàn)在，已有人測出地球相對于各向同性背景輻射(優(yōu)越的背景空間)的速度為每秒數(shù)百公里，這和地球相對于典型星系或星系團(tuán)的速度是基本一致的。眾所周知，作為整個相對論物理學(xué)根基的狹義相對論

12、，恰恰否定了牛頓的絕對時(shí)間和絕對空間，否定了同時(shí)性的絕對性。雖然宇宙時(shí)標(biāo)和宇宙背景空間的概念并不是牛頓的絕對時(shí)間和絕對空間，相對于宇宙演化的同時(shí)性也不是牛頓意義的同時(shí)性的絕對性，但在概念的物理意義上畢竟有可以比擬之處。這表明，狹義相對論的時(shí)間、空間概念以及慣性運(yùn)動和慣性系的概念，還有相對性原理本身，在宇觀尺度上統(tǒng)統(tǒng)不再成立了。這樣一來，對于這個宇宙背景空間上的局部引力現(xiàn)象的更精確的描述就應(yīng)以宇宙學(xué)原理為基礎(chǔ)，而不應(yīng)當(dāng)以廣義相對論為基礎(chǔ)。這意味著相對論在宇觀尺度范圍內(nèi)必須從根本上加以改造。愛因斯坦為了在相對性原理(意味著一切慣性系平權(quán)，沒有優(yōu)越的慣性系)和光速不變原理(指光速在“空虛空間”中不變

13、)上建造他的狹義相對論，他就沒有必要再保留以太概念。但是，空虛空間的概念畢竟是一個令人困惑的概念，愛因斯坦本人在建立廣義相對論時(shí)，也認(rèn)為空虛空間是不可思議的，為此他賦予空間以物質(zhì)的內(nèi)容，引入了所謂的“相對論以太”。但廣義相對論并非狹義相對論的簡單推廣，所以狹義相對論中的“空虛空間”是一個幽靈。愛因斯坦后來想在統(tǒng)一場論中解決這個問題，但他的宿愿未能實(shí)現(xiàn)。1929年，狄喇克在解決相對論性電子理論產(chǎn)生的負(fù)能困難時(shí)，提出了一個基于新的真空圖像的解決方案。原來，空虛空間即真空并非一無所有，而是所有的負(fù)能態(tài)都已填滿，所有的正能態(tài)都未被占據(jù)的最低能態(tài)，它作為一種普通存在的背景并沒有可觀察效應(yīng)。因此，真空不再

14、是絕對的虛空，而是種充滿了物質(zhì)實(shí)體的存在形式，這就給愛因斯坦的“相對論以太”描繪了一幅實(shí)在的圖景。在某種意義上也可以說，這是古老的以太概念在新科學(xué)中獲得了“新生”。比如，在現(xiàn)代場論中占有重要地位的真空自發(fā)破缺，就與這種“新以太”觀念有著內(nèi)在的聯(lián)系，而當(dāng)前對真空結(jié)構(gòu)的研究就可以看作是對以太結(jié)構(gòu)的研究。其實(shí)，李政道博士在研究“不尋常核態(tài)”的工作中，也發(fā)現(xiàn)空虛空間存在著真空物質(zhì)?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)認(rèn)定，真空是一種物理實(shí)體，它能對其它物質(zhì)發(fā)生影響；真空具有相對論不變性，在有的情況下，真空也系某種介質(zhì)，當(dāng)不滿足某種不變性時(shí)，就形成真空自發(fā)破缺，從而使規(guī)范場粒子獲得靜止質(zhì)量；處于真空狀態(tài)的場仍保持持續(xù)不斷的振

15、蕩，即所謂真空起伏，非阿貝爾規(guī)范場有一類特殊的叫作“瞬子”的真空物質(zhì)。廣義相對論是物理學(xué)理論寶庫中前所未有的珍品。這個理論以其概念的深刻、結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容的新穎和推論的精確而為人稱道，但它之所以能轟動一時(shí)，主要還在于它解釋了牛頓引力理論無法解釋的水星近日點(diǎn)的剩余進(jìn)動，并預(yù)言出不久經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)的光線偏折和引力紅移。50年代，有人改良了儀器設(shè)備，將厄缶實(shí)驗(yàn)的精度108提高到1011，證明引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等，近幾年又有人將精度提高到1012的數(shù)量極，這也是對等效原理的支持。由于采用穆斯堡爾效應(yīng)，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了引力紅移。有人早已通過測量人造衛(wèi)星中懸浮陀螺的進(jìn)動，來驗(yàn)證廣義相對論。70年代初

16、，又有人通過測量對遙遠(yuǎn)行星的雷達(dá)回波的方式檢驗(yàn)了廣義相對論。70年代末，幾家大天文臺同時(shí)報(bào)道采用射電天文學(xué)的方法測量某些類星體發(fā)出的射電信號經(jīng)過太陽的彎曲程度，大大提高了檢驗(yàn)光線偏折的精度，對廣義相對論提供了新的實(shí)驗(yàn)支持。但是，廣義相對論也面臨著一些困難和亟待解決的問題。廣義相對論一建立，愛因斯坦就企圖用它來描述作為一個整體的宇宙大尺度的行為。從此以后，廣義相對論和天文學(xué)密切結(jié)合，形成了相對論天體物理學(xué)的一個富有成果的領(lǐng)域現(xiàn)代宇宙學(xué)。值得一提的是，現(xiàn)代宇宙學(xué)在60年代取得丁長足的進(jìn)展，觀察材料已經(jīng)支持早期宇宙的大爆炸模型，發(fā)現(xiàn)了空間各向同性的微波背景輻射。在這里，尤為值得一提的是霍金(SHaw

17、king)等著名的相對論學(xué)者關(guān)于黑洞理論和大尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)的研究。廣義相對論的引力場在理論上存在著奇性，這種奇性具有十分奇特的性質(zhì)，沿著短程線運(yùn)動的粒子或光線會在奇性處“無中生有”或不知去向。按照廣義相對論，演化到晚期的星體只要還有兩三個太陽的質(zhì)量，就會遲早變?yōu)楹诙矗ü饩€在內(nèi)的任何物體都會被黑洞的強(qiáng)大引力吸到里面而消失得無影無蹤。不僅如此，黑洞還要不斷坍縮到時(shí)空奇性。時(shí)間停止了，空間成為一個點(diǎn)，一切物理定律，包括因果律都失去意義，一切物質(zhì)狀態(tài)都被撕得粉碎。此外，經(jīng)典理論中的一個黑洞永遠(yuǎn)不能分裂為兩個黑洞，只能是兩個或兩個以上的黑洞合為一個黑洞，其結(jié)果很可能是整個宇宙變?yōu)橐粋€大黑洞，并且早晚要

18、坍縮到奇性。尋找黑洞的觀測工作也在穩(wěn)步進(jìn)展。1970年底，美國和意大利聯(lián)合發(fā)射了載有X射線探測裝置的衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星工作到1974年，共探測到161個射線源，經(jīng)篩選確認(rèn)，天鵝座X-1最有希望是一個黑洞。另外，圓規(guī)座X-1與天鵝座X-1數(shù)據(jù)非常相似，也很有希望被證認(rèn)為黑洞?，F(xiàn)在，關(guān)于黑洞的理論的研究正在進(jìn)展，觀察結(jié)果還有待進(jìn)步證實(shí)。無論如何，廣義相對論竟然要求這類難以接受的奇性，無疑是一個難題?；蛘邚V義相對論本身要修改，或者物理學(xué)的其他基本概念和原理要有重大變更。大爆炸宇宙學(xué)的研究越來越追溯到更早期的宇宙。特別是80年代以來，根據(jù)大統(tǒng)一理論發(fā)展起來的暴漲宇宙學(xué)，開始研究宇宙年齡約為1036秒或更早

19、期的情況。當(dāng)宇宙年齡小于1036秒時(shí)，宇宙間不僅沒有星球，沒有化學(xué)元素，甚至連任何基本粒子也沒有，有的只是時(shí)間、空間和物理的真空。繼續(xù)追溯這種非常單純、非常對稱的狀態(tài)，便會得出時(shí)空創(chuàng)生于無(當(dāng)然也就是說宇宙創(chuàng)生于無)的結(jié)論。其實(shí)，空間和時(shí)間的非永恒性，在相對論和量子論中已有強(qiáng)烈的暗示。按照相對論，不同的運(yùn)動觀測者將測得不同的時(shí)間值。最有趣的例子就是雙生子佯謬，它描述的是兩個觀察者開始在一起，最終又在一起，但由于中間的運(yùn)動情況各不相同，則二者所測得的歷時(shí)是不一樣的。因此，原則上講，要精確地測量時(shí)間，就必須精確地知道測量者的運(yùn)動軌跡。然而，量子論中的測不準(zhǔn)原理告訴我們，不可能精確地了解任何一個物體

20、在時(shí)間中的運(yùn)動軌跡，從而也就原則上否認(rèn)了精確測定時(shí)間的可能性。這個精度的限制是lp(hG/c3)1/21033厘米，tp(hG/c3)1/21043秒，其中h是普朗克常數(shù)，G是萬有引力常數(shù)，c是光速。lp和tp分別叫做普朗克長度和普朗克時(shí)間。它們的意義是：我們無法造出一種“尺”和“鐘”，用來測定小于lp的長度和小于tp的時(shí)間。一個量在原則上不能測量，就不會有物理意義。這表明，在小于lp和tp的范圍內(nèi)，空間、時(shí)間概念就失效了。1983年以來，霍金就致力于發(fā)展一種宇宙的自足理論。1984年初，他和他的合作者得到了第一個完整的宇宙自足解。該理論的第一個要點(diǎn)是建立非時(shí)間的理論，這種新的“時(shí)”空，實(shí)際上

21、是一種歐幾里得空間，其中不再含有時(shí)間坐標(biāo)。該理論的第二個要點(diǎn)是給出上述歐氏空間的創(chuàng)生幅度，即宇宙創(chuàng)生于無的幅度?；艚鹬痪秃唵蔚那闆r作了計(jì)算，還不能看作是真實(shí)宇宙的解，而不過是玩具式的模型而已，但它無疑向人們提出了一個值得深思的問題：我們關(guān)于時(shí)空和宇宙的傳統(tǒng)觀念是否一貫正確?這當(dāng)然是向現(xiàn)代物理學(xué)和哲學(xué)的挑戰(zhàn)。從50年代末到70年代初，廣義相對論經(jīng)典理論的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的進(jìn)展。一開始，對于廣義相對論是否存在引力波的問題一直爭論不休，因?yàn)槿藗儺?dāng)時(shí)搞不清廣義相對論中的引力波會不會僅僅是一種坐標(biāo)效應(yīng)，這在很大程度上是對廣義相對性原理的不恰當(dāng)?shù)睦斫舛鸬摹?0年代初，人們弄清了

22、在理論上的確存在引力波。引力波可以看作是以光速傳播的力場，它和電磁波在許多方面類似，和坐標(biāo)系的選擇毫無關(guān)系。由于引力波與物質(zhì)的相互作用十分微弱，這給探測引力波的工作帶來了很大的困難，用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生引力波的困難尤為嚴(yán)重。美國馬里蘭大學(xué)韋伯(JWeber)教授于1958年開始進(jìn)行引力波的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過10余年的努力，曾宣布檢測到來自銀河系中心的引力波，但結(jié)果不十分可靠，目前尚無定論。美國的泰勒等人測出射電脈沖雙星PSRl913+16的公轉(zhuǎn)周期變短，測得周期變率為(3.2±0.6)×1012，并在20的誤差范圍內(nèi)與廣義相對論輻射阻尼理論符合，這個結(jié)果可以看作是引力波存在的第一個間接的

23、定量證據(jù)。1982年，他們又進(jìn)一步發(fā)展了減小誤差后的結(jié)果。不過，人們還希望利用多普勒跟蹤法或激光測距法觀測兩天體在引力波作用下間距的變化來直接探測引力波?，F(xiàn)在，美國航天局和歐洲航天局正在加速這方面的研究，并使測距精度大大提高(例如地球和月亮的距差為±5厘米)，其靈敏度ll已達(dá)10131016，即便如此，還需把精度提高四個數(shù)量級才有可能探測到引力波。為此，歐美曾計(jì)劃在1985年發(fā)射兩艘深空間飛船（伽利略號和國際太陽極任務(wù)號），屆時(shí)可望將測量精度提高到1020。一旦引力波探測工作取得成功，就可以進(jìn)而研究引力波的性質(zhì)，從而就會判明那種度規(guī)理論對宏觀引力現(xiàn)象的描述更符合客觀事實(shí)。由以上有關(guān)描

24、繪也可以看出，引力問題已處于一個充滿矛盾的新時(shí)期。雖然廣義相對論經(jīng)過一些實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，與其他理論相比可以看作是描述宏觀引力現(xiàn)象的一個較成功的理論，但它在處理某些極端條件下的問題(黑洞、引力坍縮、奇點(diǎn)、宇觀優(yōu)越坐標(biāo)系、1036秒之前的早期宇宙等)時(shí)，又表現(xiàn)出一定的局限性。因此，廣義相對論也是人們認(rèn)識發(fā)展過程中的相對真理，它也面臨著亟待改革的形勢。人們?yōu)榱私鉀Q四種作用力的統(tǒng)一描述和引力領(lǐng)域內(nèi)的各種矛盾問題，正在已有的理論上發(fā)展引力規(guī)范理論和超引力理論。關(guān)于統(tǒng)一場論，愛因斯坦從1923年起直到1955年去世，一直從幾何學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，企圖把電磁場和引力場統(tǒng)一起來(幾何統(tǒng)一場論)，但是沒有取得具有物理意義的

25、成果。但是，在30年代和40年代，隨著弱相互作用、強(qiáng)相互作用以及各種基本粒子的大量發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一場論又中興起來。50年代，海森伯不是從幾何學(xué)角度，而是從量子場論的角度出發(fā)，提出了一種量子統(tǒng)一場論，想用統(tǒng)一的自旋場把各種基本粒子和它們的相互作用都囊括進(jìn)去，也沒有獲得決定性的成功。1954年，楊振寧和米爾斯為統(tǒng)一場論開辟了道路。他們推廣了魏耳的規(guī)范不變思想，提出了揚(yáng)-米爾斯場即非阿貝爾規(guī)范場理論。這種理論與拓?fù)鋵W(xué)中的纖維叢概念有著密切的聯(lián)系，它雖然在數(shù)學(xué)上很完美，但在描述各種相互作用時(shí)卻遇到了困難。三年后，施溫格建議一種可能導(dǎo)致弱電統(tǒng)一理論的矢量介子理論。到60年代，電磁場理論已由20年代的非量子化的

26、相對論性電動力學(xué)發(fā)展成量子化的量子電動力學(xué)(QED)，為統(tǒng)一場論的建立奠定丁理論基礎(chǔ)。1961年，施溫格的學(xué)生格拉肖發(fā)展了一種弱相互作用理論，它同電磁相互作用有驚人的相似之處，并采用四個生成元，即光子、W、W粒子和中性流矢量玻色子，也就是現(xiàn)在的Z0粒子的SU(2)XU(1)群。1967年，溫伯格和薩拉姆分別獨(dú)立地采用這四個生成元發(fā)展了一種弱、電統(tǒng)一理論。這種統(tǒng)一理論解決了楊-米爾斯理論的困難，它后來被稱為量子味動力學(xué)(QED)。70年代以來，不僅弱、電統(tǒng)一理論得到了一些實(shí)驗(yàn)的支持，而且描述強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)(QCD)的出現(xiàn)也為統(tǒng)一強(qiáng)相互作用提供了可能性。在量子色動力學(xué)中，強(qiáng)相互作用也是非

27、阿貝爾規(guī)范場，它存在于強(qiáng)子之間和之中，它的場源是色荷，規(guī)范變換群是SU(3)群，其規(guī)范粒子是膠子，強(qiáng)相互作用是膠子同色荷相耦合而成的。這樣，弱、電、強(qiáng)三種相互作用的表現(xiàn)形式是一樣的，它們都是規(guī)范場。在這個基礎(chǔ)上，美國物理學(xué)家格拉肖和喬奇等人通過選擇新的規(guī)范群SU(3)，建立起統(tǒng)一描述弱、電，強(qiáng)三種相互作用的大統(tǒng)一理論。至此，人們自然希望把引力相互作用也用規(guī)范場統(tǒng)一起來。愛因斯坦在世時(shí)就知道引力相互作用也是一種規(guī)范場，現(xiàn)在的問題在于不了解引力相互作用與其他三種相互作用如何發(fā)生聯(lián)系。盡管引力場的量子化問題已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，然而廣義相對論的引力論卻在量子化以后可否重正的問題上遇到了難以克服的障礙

28、。有人雖則在廣義相對論的基礎(chǔ)上加進(jìn)了含場量高階微商的新的作用量，得到了可以重整化的量子引力理論，但這又破壞了保證幾率守恒的幺正性，在物理上也是不能成立的。關(guān)于四種相互作用的統(tǒng)一，另一類工作是超對稱、超引力理論，這是近年蘇聯(lián)、美國和西歐一些學(xué)者致力研究的課題，并相繼提出了幾種理論，但在理論上還存在不少困難，在學(xué)術(shù)界爭議也很大。不過，令人欣慰的是，西歐核子研究中心龐大的超同步質(zhì)子加速器讓正反質(zhì)子對撞并湮沒，在1983年1月首次報(bào)道產(chǎn)生了W和W粒子，6月又報(bào)道發(fā)現(xiàn)了Z0粒子，這是20世紀(jì)物理學(xué)的最重大事件之一。這三種傳播弱相互作用的粒子是溫伯格-薩拉姆理論所預(yù)言的，它們的產(chǎn)生給弱電統(tǒng)一理論以決定性的

29、支持。就在同一年，丁肇中小組三噴注事例的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了膠子的存在，從而有力地支持了量子色動力學(xué)和格拉肖、喬奇等人的大統(tǒng)一理論。人們可望在四種相互作用的統(tǒng)一方面取得突破，這將對物理學(xué)產(chǎn)生舉足輕重的影響。粒子物理學(xué)也是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。從30年代起，人們把當(dāng)時(shí)已知的電子、陽電子、質(zhì)子、中子和光子統(tǒng)稱為“基本粒子”，認(rèn)為它們是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的磚塊，這樣就誕生了“基本粒子物理學(xué)”。從40年代起，在約20年之間，人們發(fā)現(xiàn)的粒子已達(dá)30種，從而認(rèn)識到“基本粒子”并非基本，研究它們的學(xué)問也就被稱為“粒子物理學(xué)了。當(dāng)時(shí)，人們按自旋將粒子分為兩類：凡自旋為h2的奇數(shù)倍的粒子叫費(fèi)密子，凡自旋為h2的偶數(shù)

30、倍的粒子叫玻色子。這樣，參與電磁相互作用的光子是玻色子，參與電磁和弱相互作用的輕子是費(fèi)密子，而參與電、弱、強(qiáng)三種相互作用的強(qiáng)子既有費(fèi)密子(即重子)，又有玻色子(即介子)。不論光子、輕子、強(qiáng)子，都參與引力相互作用。60年代伊始，由于高能質(zhì)子加速器的建成，在短短的兩年內(nèi)就產(chǎn)生了壽命約為1023至1024秒的短命強(qiáng)子。這樣一來，人們自然提出了一個問題：這些粒子是不是有更深的層次?于是，夸克(國內(nèi)稱層子)模型應(yīng)運(yùn)而生。這種模型指出，在強(qiáng)子之下還有一個物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次，即夸克，而強(qiáng)子則是由夸克或反夸克組成的。與此同時(shí)，還有弱作用不守恒和電荷共軛不守恒的發(fā)現(xiàn)。60年代到現(xiàn)在，正如我們在上面所述的，關(guān)于統(tǒng)一場論

31、的理論研究和相互作用粒子的實(shí)驗(yàn)工作也取得了長足的進(jìn)步。截止目前，人們知道的夸克和反夸克共有36種(它們有不同的“色”和“味”)，輕子和反輕子共有12種，而由夸克和反夸克構(gòu)成的強(qiáng)子已達(dá)數(shù)百種之多。但是，人們花了20年時(shí)間，“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”，至今仍未找到自由夸克的影子。于是有人認(rèn)為，夸克好像永遠(yuǎn)“禁閉”在強(qiáng)子中一樣，只有用無限大的能量才能把它“拉”出來，這就是所謂的“夸克禁閉”問題。九年前有人利用電子計(jì)算機(jī)作非微擾計(jì)算，發(fā)展了一種格點(diǎn)規(guī)范理論，初步肯定了禁閉的存在，但依然不了解其具體機(jī)制。由于各種夸克和輕子多到48種，而它們的電荷和其他性質(zhì)又有周期性的變化，人們又設(shè)想它們是否還有

32、更深的層次，為此也提出了一些亞夸克模型，但這只是夸克模型的仿制品，并無質(zhì)的突破。這就向人們提出：物質(zhì)是否無限可分?可分性究竟應(yīng)該如何理解?而且，粒子物理學(xué)的研究表明，量子化的場是比粒子更為根本、更為普遍的存在。自由粒子只不過是場在激發(fā)時(shí)的一種狀態(tài)，在真空情況下，沒有自由粒子，但場依然存在。這也許為最終消除愛因斯坦所不滿意的二元論(粒子和場)找到了歸宿。不用說，這一切還有待于深入揭示，新的突破必定會引起科學(xué)理念的革新。磁單極子問題也是當(dāng)代物理學(xué)一個饒有興味的課題。自1931年狄喇克從理論上提出磁單極子(帶正磁荷或負(fù)磁荷的粒子)可能存在的論證后，人們對這個課題開始了積極的實(shí)驗(yàn)探索和理論研究。目前，

33、實(shí)驗(yàn)上的探測主要從三方面著手：高能加速器的實(shí)驗(yàn)，宇宙線的觀測，古老巖石的觀測。用第種方法還未觀測到磁單極子，一般認(rèn)為這是能量尚不夠高的緣故。從宇宙線中找磁單極子的物理根據(jù)有兩方面；種是宇宙線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產(chǎn)生磁單極子對。近年，人們曾采用超導(dǎo)量子干涉式磁強(qiáng)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了151天的實(shí)驗(yàn)觀察記錄。據(jù)1982年初報(bào)道，測量到一次磁單極子事件。在排除了各種可能的于擾因素后，計(jì)算出到達(dá)地球表面的磁單極子上限為每立體角的單位面積上每秒有6.1×1010個磁單極子，即每年用這種裝置可測到1.5次磁單極事件。這一實(shí)驗(yàn)探索還在進(jìn)一步進(jìn)行中，

34、人們不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝備，以求得到更加可靠的觀察結(jié)果。另外，如果磁單極子含量很少，那么異號磁單極子復(fù)合湮沒的幾率就很低，因而它們就有可能保存下來，能在地球上的古巖石、隕石或其他天體的巖石中找到?？墒?，迄今還沒有找到確鑿的證據(jù)。與此同時(shí)，關(guān)于磁單極子的理論研究也在積極進(jìn)行之中。施溫格(1966年)和茲萬齊格(1971年)分別克服了狄喇克理論中的若干困難和不足之處，利用兩個電磁勢建立了電荷與磁荷完全對稱處理的理論。1976年，楊振寧等利用纖維叢的新數(shù)學(xué)方法，建立了沒有無物理意義的奇點(diǎn)的磁單極子理論，在磁單極子理論的發(fā)展中開辟了新的途徑。近年來，也出現(xiàn)了一些超越麥克斯韋電磁方程組框架的非傳統(tǒng)理論，例如統(tǒng)一規(guī)范理論、愛因斯坦-麥克斯韋耦臺場理論和超光速參考系理論。而且，有關(guān)理論還在基本粒子的微觀世界和宇宙演化的宇觀世界得到了應(yīng)用。總而言之，在關(guān)于