夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第16章
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虽然我认为加州理工学院忽视大多数“有关复杂性的科学”是一个严重的错误，但我还是对他们在基本粒子物理学和宇宙学这两门涉及寻找宇宙基本定律的最基本的学科方面所给予的支持，感到由衷高兴。现代科学的一个重大挑战是沿着阶梯从基本粒子物理学和宇宙学到复杂系统领域，探索兼具简单性与复杂性，规律性与随机性，有序与无序的混合性事物。同时我们也需要了解，随着时间的推移，早期宇宙的简单性、规律性及有序性怎样导致后期宇宙中许多地方有序与无序之间的中间条件的形成，从而使得诸如生物这样的复杂适应系统及其他一些事物的存在成为可能。
为了做到这些，我们必须从简单性与复杂性的观点来考察基本物理学，并弄清楚，对于具备复杂适应系统进化条件的宇宙，其规律性与随机性模式的形成，宇宙的初始条件与量子力学的不确定性以及经典混沌的不可预测性各起着怎样的作用。第二篇 量子宇宙第十章 量子宇宙中的简单性和随机性
物质和宇宙的基本定律今天处于什么情形？有多少已经完善地建立起来了？还有多少仍是推测？还有，这些定律怎样看待简单性和复杂性或规律性和随机性？
这些基本定律要服从量子力学的一些原理，而且在我们思考的每一阶段我们都要涉及量子近似。量子力学的发现是人类最伟大的成就之一，但它也是人类智力最难掌握的困难之一，即使像我们这些几十年来天天用到它的人，也觉得非常困难。它经常违背我们的直觉，或者说是违背我们在忽略量子力学行为情形下建立的直觉。这种情况使我们更有必要探究量子力学的意义，特别是在考察近来有关量子力学的思维方式的进展以后，这种必要性显得更迫切了。作了这种考察后，我们也许会比较容易明白，为什么我们的直觉似乎对某些重要的东西不予关注。
物质组成宇宙，不同的基本粒子如电子、质子组成物质。这些基本粒子缺乏个性——宇宙中的电子都相同，所有的质子同样可以相互转换。不过，任何粒子可以占据无数不同“量子态”（quantum states）中的一个。基本粒子可分两大类。一是费米子（Fermions），例如电子，它们遵守泡利不相容原理（exclusionprinciple），即同一类的两个粒子不可能同时占据相同的量子态；另一类叫玻色子（Bosons），例如光子，它们不遵守不相容原理，即同一类的两个或两个以上的粒子偏好在同时占有相同的量子态。光子的这种特性使激光的运作成为可能，在激光里给定态的光子可以激发更多相同态的光子发射。所有这些光子具有相同的频率和沿相同的方向运动，形成激光束。“激光”（laser）实际上是“辐射受激发射光放大”（light amplification by stimulated e…mission of radiation）的缩写。
玻色子由于喜欢挤在相同的量子态使密度增加，这使得它们的行为十分像经典场（如电磁场和引力场这样的场）。因此，玻色子粒子可以看成是这些场的量子（量子化的能量小包）。电磁场的量子是光子。同样，理论要求引力场也有相应的量子，这种玻色子称为引力子（graviton）。事实上，任何基本的力都必然有与之相关联的基本粒子，即相应场的量子。有时候量子被称为相应力的携带者。
当我们把物质描述为由基本粒子（即费米子和玻色子）组成时，我们应该强调在某些条件下玻色子的行为更像场而不像粒子（例如一个电荷周围的电场）。费米子也可以用场来描述，虽然这些场的行为与经典场不同，但在某种意义上都与力相关联。
所有的物体都具有能量，所有的能量都与物质相关联。当人们不经意地提到物质转化为能量（或相反）的时候，他们的意思只不过是说某种物质转变成为另外一种物质。例如，一个电子和一个称为正电子的相关粒子相遇时就转化为两个光子，这个过程经常被称为“湮灭”（annihilation），有时甚至说为“物质湮灭给出能量”。但实际上这仅仅是物质之间的转换，能量形式之间的转换。标准模型
所有基本粒子（除了理论上需要的引力子）在当今都暂时用一种所谓的标准模型（standard model）来描述。后面我们将对它作一点深入讨论。虽然标准模型的某些性质尚未被实验证实，但它与观察却似乎非常相符。物理学家们曾经希望能在高能粒子加速器上（如在德克萨斯部分完成的超导超级碰撞器SSC）验证标准模型，但美国国会否决了这个计划，原因是认为它明显违背了人类文明。现在验证这一基本理论思想的唯一希望，只能依靠设在瑞士日内瓦附近CERN 的能量较低的加速器。不幸的是，它的能量又太低了。
我们这些建立标准模型的人，自然非常为它骄傲，因为它从大量扑朔迷离的现象中引出了许多简单性。但仍然有许多理由认为，它并不是基本粒子的终极理论。
第一，各种力有十分相似的形式，它要求用一种理论统一它们，在这统一的理论里这些力有同样基本的相互作用但却有不同表现；但在标准模型里，这些力却要看成是不同的力，不能统一。第二，这个模型不够简单；它包含有60 种以上的粒子和它们之间大量的相互作用，而且对所有这些又没有解释。第三，这个模型包含有一打以上描述这些相互作用的常数（包括产生不同质量和不同种类粒子的常数）；有这么多在原则上不能计算的重要常数，这就很难认为这个理论是基本的。最后，引力没有包括进去，任何想把引力以简明方式引进这个模型的设想，都导致灾难性的困难：一些物理量计算的结果最终都会出现无限的修正，致使它们毫无意义。所谓的大统一理论
基本粒子理论家们试图用两种办法克服这些缺点。最直截了当的方法是把标准模型推广到有些人称之为的一种“大统一理论”（grand unifiedtheory）。不过这个名称有点名不符实。现在让我们看一看，这种推广如何解决前面提到的4 个问题。第一，需要统一的标准模型中，其相互作用在高能情形下事实上可以看成是统一的，但需弄清楚的是为什么在能量较低的情况下，这些相互作用又各不相同了。第二，所有的基本粒子都可以分成不多的几组，每一组的成员关系密切；这样，在简单化方面可以说取得了很大成就，即使不少种类的粒子还在不断增多（例如有些新粒子的质量非常之大，以至在可预见的将来无法观察到），也没有影响这种简单的分类。第三，这个理论所包含的任意常数比标准模型还要多，而且这些常数在原则上也无法计算。最后，引力仍然不能包容进去，困难和以前完全一样。
这样的一个理论在一个广泛的能量域里，可能近似有效，但上述的第三和第四点使我们明白，这个理论还不能看成是基本粒子的基本理论。爱因斯坦的梦
基本统一理论的探索引向了超越标准模型的第二条道路。这使我们回想起爱因斯坦的梦想：他想创建一种场论能自然而然地将他的广义相对论的引力理论和麦克斯韦的电磁理论统一起来。在他晚年时期，爱因斯坦提出了许多组方程，他声称它们可以完成统一大业，但不幸的是这些方程组都只是纯数学的，不能合理地描述引力和电磁力相互作用。1979 年在耶路撒冷庆祝爱因斯坦诞生百年纪念大会上，我发现在一枚特殊纪念币的反面把这些错误的方程铸上去了，我对此表示惋惜。一个科学家在年轻时创立了那么美丽、正确、关键性的方程，老年却提出了这么些错误的方程，实在令人扼腕叹息。我还时常困惑，爱因斯坦老年的照片、塑像到处都是（例如在华盛顿国家科学院广场上的塑像），但这个年老的爱因斯坦再没有作过什么重要的贡献，而他年轻时不仅作出了所有惊人的发现，还穿戴整齐、英俊潇洒。
爱因斯坦建立统一场论的试图最终失败了，这不仅仅由于他的思考技巧在退步，而且也由于他的研究有某些特殊的缺陷。除了其他原因以外，他忽略了这个统一理论中3 个重要的特性：1．除了引力场和电磁场以外还存在其他的场（一般说爱因斯坦也知道还应该有其他的力存在，但他没有试图去描述它们）；2．我们不仅仅要讨论由量子力学揭示的由玻色子（如光子、引力子）组成的场，而且应该把费米子组成的场考虑在内（爱因斯坦认为，比如说电子，可以通过什么方法从方程中产生出来）；3．统一场论必须在量子力学的框架里才能建立（虽然爱因斯坦曾为量子力学作了一些奠基性工作，但他从不接受量子力学）。
但是，我们理论物理学家都曾被爱因斯坦的梦激励过，不过我们在一种新的形式下思考统一场论：一个统一的量子场论不仅包含光子、引力子和所有其他基本的玻色子，以及与它们相关联的电磁场、引力场和其他一些场，还应该包含如电子这样的费米子和它们的场。这样的一个理论应该包含在一个简单的公式里，这个公式可以对大量基本粒子和它们相互作用的多样性作出解释，并且在适当近似的条件下，能引出爱因斯坦的广义相对论引力方程和麦克斯韦电磁学方程组。超弦理论——或许可以实现的梦上面所说的梦，现在也许可以实现了。一种称为“超弦”（superstring）的新型理论似乎具有完成统一的一些正确特性。特别是“杂化超弦理论”（hetorotic superstring theory），它是所有基本粒子和相互作用的统一量子场论最有成效的候选理论。
超弦理论源自一种靴袢原理（bootstrap principle）的思想。有一句古老的格言说，人可以用向上提自己的靴袢的办法把自己提到空中。这意思是说一组基本粒子可以看成是相同粒子联合成的一种自洽态。所有的粒子都应看成是组成成分，所有的粒子（即使在某种意义下费米子也不例外）都应看成是把各组成成分联在一起的力场的量子；还有，所有的粒子都要以组成成分的束缚态出现。许多年以前，当我在休斯飞机公司对一位听众描述这种想法时，这位后来成为同步卫星计划领导人的工程师——罗森（Harold Rosen）——问我，超弦理论是不是有点像他们在制作一个电路时试图对一种干涉信号所作的解释？他们假定信号一直存在，而且证明它们是自己产生的。这种解释十分成功。我表示同意，靴袢的思想的确有些与此类似：如果假定粒子存在，它们就会产生把它们连在一起的力；最后出现的束缚态就是同样的粒子，它们与携带力的粒子是相同的。这样的一个粒子系统，如果存在就是自行产生的。
超弦理论的最初形式是施瓦兹（John Schwarz）和勒伏依欧（AndréNeveu）于1971 年提出来的，当时得到雷蒙德（PierreRamond）的某些支持。虽然这个理论在当时看来牵强附会，我还是把施瓦兹和雷蒙德请到加州理工学院，我认为超弦如此之美妙，那一定有一些有价值的东西。在接着15 年或更多的年头，施瓦兹与不同的合作者，其中特别应该提到的是谢尔克和格林（Michael Green），进一步发展了这个理论。
开始这个理论仅仅只应用到一小类相同的粒子上，理论家们试图用靴袢原理描述它们。只是到了1974 年，谢尔克和施瓦兹才认为超弦理论可以用来描述所有的基本粒子。他们之所以有这种自信，是因为他们发现这个理论预言了引力子的存在，这当然也就预言了爱因斯坦的引力的存在。此后大约10 年时间，普林斯顿大学的4 位物理学家建立了一种称为杂化超弦理论的特殊理论形式。
超弦理论，特别是其杂化形式，可能正是长期寻找的统一量子场论。在适当的近似时，它自然而然地蕴涵着爱因斯坦的引力理论。而且，当它把爱因斯坦的引力理论和其他场的理论与量子场论结合在一起时，不会出现通常都有的无限大的困难。它还可以解释为什么基本粒子有这么多的多样性。不同种类粒子的数量实际上是无穷的，但在实验室里只能发现一定数量（例如几百种）、质量足够小的粒子。而且，至少从表面上看，这个理论不包含任何任意常数或大量的粒子和相互作用，只有在更深入考查时，才会可能有一些任意性出现。最后，超弦理论出自一个简单而美妙的自治原理，即最初人们称之为靴袢的思想。不是解决一切的理论
在所有有关杂化超弦理论重要的问题中，有一个使我们特别感兴趣：假定它是正确的，它真能解决所有的问题吗？有些人认为它能解决一切问题，甚至用上了TOE（Theory of Everything）这个缩写词。这种说法是不对的，除非将“所有一切”（every…thing）仅仅意指基本粒子和它们之间相互作用的描述。理论仅靠它自身不可能告诉我们有关宇宙和它所包含的物质的一切。我们还必须有其他形式的信息。初始条件和时间之箭
其他信息中的一个，就是宇宙在开始或临近膨胀时，宇宙的初始条件如何。我们知道宇宙膨胀已有100 亿年。天文学家们利用大倍数望远镜观察远距离银河系的星团，可以看到这种令人惊诧的膨胀；但当我们观察近处时，这种膨胀根本观察不到。我们的太阳系不膨胀，我们的银河系和从属它的星团也不膨胀。其他银河系和星团同样不膨胀。但是，不同的星团都在向后退行，而这正好显示出宇宙的膨胀。有人把它比为烤葡萄面包。在酵母粉的作用下，面包膨胀了，但萄葡（银河系的星团）虽然相互离开了一些，但可以认为葡萄本身并没有膨胀。
宇宙从开始膨胀以后，其行为很明显地不仅仅决定于组成宇宙的粒子所遵循的定律，而且也决定于其初始条件。初始条件只在深奥难懂的物理学和天文学问题中才出现吗？完全不是这么回事！其实它对我们日常生活的观察有巨大影响，特别是初始条件决定了时间之箭。我们想像在看一段影片，一颗陨星飞快地坠入地球的大气层，这时它会由于高热而在天空划出一道耀眼的光芒。陨星的大部分烧成了灰烬，但也有些不同大小的陨石冲进地球的大地里。如果我们把电影胶片往回倒，我们将会看到一块岩石，部分埋在土地中，然后它又升到高空，而且在大气中作弧线运动时大小和重量不断增加，最后又大又冷的陨星离开地球飞向天空。影片中时间倒退的顺序，实际上是不可能在现实中出现，我们可以立即断言那是在倒影片胶带。
这种宇宙中未来和过去的不对称性，就是人们熟知的时间之箭。有时我们根据不同的方面来分立地讨论这种不对称性，并因而冠以不同的时间之箭的名称。但是，它们都是相关联的，它们最初的起源都相同。那么，这种起源是什么呢？
时间之箭可以用基本粒子的基本定律解释吗？如果改变方程中时间变量的符号，描述这些规律的方程的形式仍然不变，我们就说这个方程对于未来和过去是对称的。如果改变时间的符号使方程的形式发生了变化，那么就说该方程对未来和过去是不对称的，或者说违背时间对称。这种违背在原则上可以说
