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，
·134·
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。
·135·
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。
·136·
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
·137·
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，
·139·
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
度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡
等等。
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
度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡
等等。
体
A和
B在达到平衡时，二者是有能量交换的。但是，单位
时间从
A传到
B的能量，等于从
B传到
A的能量，所以总的效
果应是
AB的温度都不变化。这样，如果一定温度的黑洞也
能与同样温度的其它物体达到热平衡，那么，单位时间内从物
体传给黑洞的热量，应等于单位时间从黑洞传给物体的热量。
然而，经典的黑洞理论认为不可能有任何物质从黑洞内部出
来。这就是黑洞热力学中的矛盾。
1974年霍金解决了这个矛盾。最关键之点就是考虑了量子
论的作用。按照量子论的观点，真空并不是简单意义下的
“空”，它具有丰富的物理内容。整个物理空间中都充满着
“虚粒子”。这种虚粒子的作用，可以通过它们的物理效应加
以证实。在通常的情况下，“虚”粒子不断地产生，也不断地湮
灭。所以，真空中永远不会自动产生“实”的粒子或反粒子。但当
存在引力场，特别是存在黑洞时，情况就不同了。这时，如果
真空中产生了一对虚的电子和正电子，其中有一个掉到黑洞
中，它永远不可能再出来，于是剩下另一个就失去了伴儿，再也
无法湮灭。这个孤独的粒子或者不久之后也掉进黑洞，或者
能逃离黑洞附近，其效果看起来就如同黑洞在发射一样（图
12-1）。这是黑洞强场引起的真空发射，发射的结果是使黑
洞的质量变小。
·140·
图
12-1 在黑洞的附近，正反粒子对中有一个
可能会掉进黑洞，留下的另一个粒子就没有对
象可以和它湮灭。剩下的那个粒子有可能逃到
无穷远处。于是，看起来就好象黑洞在发射粒
子或反粒子一样
黑洞的发射，是一种热发射，即各种辐射谱都是黑体类型
的。因此，无论黑洞由什么物质演化而形成的，我们只能给出
某种粒子在某种模式上的几率的预言。这就是前面已谈到的
结论。这个理论只考虑到真空的量子涨落性质，而对黑洞的
引力场仍然采用经典的结果，所以总的说是一种半经典半量
子的结果。
超统一和奇性
尽管量子引力理论遇到上述种种问题，引力的统一化和
量子化还是有进展的。有希望的途径是把广义相对论推广到
超引力理论或最近发展起来的超弦理论。这种超统一、超对
·141·
称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有
一个非常诱人的性质，即把物理学中传统的“物质”与“相互
作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自
旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作
用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也
统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这
样，这种理论不仅在统一所有物理粒子和相互作用的意义上
是完整的，而且在没有任何不确定参数的意义上也是完整的。
称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有
一个非常诱人的性质，即把物理学中传统的“物质”与“相互
作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自
旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作
用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也
统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这
样，这种理论不仅在统一所有物理粒子和相互作用的意义上
是完整的，而且在没有任何不确定参数的意义上也是完整的。
广义相对论虽然消除了牛顿理论中的奇性，但也带来了
一系列新的奇性。在黑洞解中有奇点，在宇宙学中也有奇点。
引力坍缩的结局是奇点；大爆炸的起始也是一个奇点。
有一段时间里物理学家相信，上述奇点只是数学形式上
带来的东西，而实际上是可以避免的。如果不用完全对称的
几何结构，也许就没有奇点。但是七十年代以来的一系列工
作证明，在广义相对论中，奇点是一个普遍不可避免的东西，
在宇宙的演化中一定要遇到奇点。
·142·
现在我们则期望，量子引力理论也许能避免上述奇性。姑
且不论量子性是否能避免上述奇性，而引力的量子效应带来
了上述的
1028电子伏特的界限已是确实的。
这样，就出现了一种大胆的猜想。一当我们找到了预期
统一完整的超引力理论之后，就可以追溯到宇宙年龄小于
10-43秒的绝早期，在那里，奇点没有了，代之以宇宙的创生，
故可叫做创生期。在创生期，宇宙中只有一种相互作用，即
“超引力”。在
10-43秒之后，由于宇宙的膨胀发生“相变”，才
逐一出现引力、强作用、弱作用及电磁作用的现今形态。这
样，大爆炸的起点就是宇宙的创生。如果宇宙真是以这种方
式统一起来的话，那么，“奇点”亦即创生是否就是人类两千多
年来孜孜以求的物元呢？(1)
(1)有关这一问题的更全面论述，请参见方励之、李淑娴著的《宇宙的创生》，
科学出版社
1986年。
·143·
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