因此，不可能在實(shí)驗(yàn)室里直接證實(shí)大統(tǒng)一理論。然而，如同在弱電統(tǒng)一理論中那樣，我們可以檢測(cè)它在低能量下的推論。

其中最有趣的是預(yù)言是，構(gòu)成通常物質(zhì)的大部分質(zhì)量的質(zhì)子能自發(fā)衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。其原因在于，在大統(tǒng)一能量下，夸克和反電子之間沒有本質(zhì)的不同。正常情況下一個(gè)質(zhì)子中的三個(gè)夸克沒有足夠能量轉(zhuǎn)變成反電子，由于測(cè)不準(zhǔn)原理意味著質(zhì)子中夸克的能量不可能嚴(yán)格不變，所以，其中一個(gè)夸克能非常偶然地獲得足夠能量進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變，這樣質(zhì)子就要衰變。夸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后面跟30個(gè)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后面跟10個(gè)0）要長得多了。因此，人們會(huì)認(rèn)為不可能在實(shí)驗(yàn)上檢測(cè)到質(zhì)子自發(fā)衰變的可能性。但是，我們可以觀察包含極大數(shù)量質(zhì)子的大量物質(zhì)，以增加檢測(cè)衰變的機(jī)會(huì)。（譬如，如果觀察的對(duì)象含有1后面跟31個(gè)0個(gè)質(zhì)子，按照最簡單的gut，可以預(yù)料在一年內(nèi)應(yīng)能看到多于一次的質(zhì)子衰變。）

人們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，可惜沒有一個(gè)得到質(zhì)子或中子衰變的確實(shí)證據(jù)。有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦里進(jìn)行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會(huì)和質(zhì)子衰變相混淆的事件發(fā)生）。由于在實(shí)驗(yàn)中沒有觀測(cè)到自發(fā)的質(zhì)子衰變，因此可以估算出，可能的質(zhì)子壽命至少應(yīng)為1千萬億億億年（1后面跟31個(gè)0）。這比簡單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長。然而，一些更精致更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論預(yù)言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對(duì)甚至更大量的物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

盡管觀測(cè)質(zhì)子的自發(fā)衰變非常困難，但很可能正由于這相反的過程，即質(zhì)子或更簡單地說夸克的產(chǎn)生導(dǎo)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——夸克并不比反夸克更多的狀態(tài)下產(chǎn)生的。地球上的物質(zhì)主要是由質(zhì)子和中子，從而由夸克所構(gòu)成。除了由少數(shù)物理學(xué)家在大型粒子加速器中產(chǎn)生的之外，不存在由反夸克構(gòu)成的反質(zhì)子和反中子。從宇宙線中得到的證據(jù)表明，我們星系中的所有物質(zhì)也是這樣：除了少量當(dāng)粒子和反粒子對(duì)進(jìn)行高能碰撞時(shí)產(chǎn)生出來的以外，沒有發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和反中子。如果在我們星系中有很大區(qū)域的反物質(zhì)，則可以預(yù)料，在正反物質(zhì)的邊界會(huì)觀測(cè)到大量的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞、互相湮滅并釋放出高能輻射。

我們沒有直接的證據(jù)表明其他星系中的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子還是由反質(zhì)子、反中子構(gòu)成，但二者只居其一，否則我們又會(huì)觀察到大量由涅滅產(chǎn)生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構(gòu)成；看來，一些星系為物質(zhì)而另一些星系為反物質(zhì)也是不太可能的。

為什么夸克比反夸克多這么多？為何它們的數(shù)目不相等？這數(shù)目有所不同肯定使我們交了好運(yùn)，否則，早期宇宙中它們勢(shì)必已經(jīng)相互湮滅了，只余下一個(gè)充滿輻射而幾乎沒有物質(zhì)的宇宙。因此，后來也就不會(huì)有人類生命賴以發(fā)展的星系、恒星和行星。慶幸的是，大統(tǒng)一理論可以提供一個(gè)解釋，盡管甚至剛開始時(shí)兩者數(shù)量相等，為何現(xiàn)在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經(jīng)看到的，大統(tǒng)一理論允許夸克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變成反夸克和夸克。早期宇宙有一時(shí)期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉(zhuǎn)變發(fā)生。但是，為何導(dǎo)致夸克比反夸克多呢？原因在于，對(duì)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(gè)叫做c、p和t的對(duì)稱。c（電荷）對(duì)稱的意義是，對(duì)于粒子和反粒子定律是相同的；p（宇稱）對(duì)稱是指，對(duì)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(shí)間）對(duì)稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運(yùn)動(dòng)方向，系統(tǒng)應(yīng)回到原先的那樣；換言之，對(duì)于前進(jìn)或后退的時(shí)間方向定律是一樣的。

1956年，兩位美國物理學(xué)家李政道和楊振寧提出弱作用實(shí)際上不服從p對(duì)稱。換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發(fā)展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的預(yù)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，然后演示表明，電子在一個(gè)方向比另一方向發(fā)射出得更多。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。人們還發(fā)現(xiàn)弱作用不服從c對(duì)稱，即是說，它使得由反粒子構(gòu)成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。盡管如此，看來弱力確實(shí)服從cp聯(lián)合對(duì)稱。也就是說，如果每個(gè)粒子都用其反粒子來取代，則由此構(gòu)成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發(fā)展！但在1964年，還是兩個(gè)美國人——j·w·克羅寧和瓦爾·費(fèi)茲——發(fā)現(xiàn)，在稱為k介子的衰變中，甚至連cp對(duì)稱也不服從。1980年，克羅寧和費(fèi)茲為此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。（很多獎(jiǎng)是因?yàn)轱@示宇宙不像我們所想像的那么簡單而被授予的！）

有一個(gè)數(shù)學(xué)定理說，任何服從量子力學(xué)和相對(duì)論的理論必須服從cpt聯(lián)合對(duì)稱。換言之，如果同時(shí)用反粒子來置換粒子，取鏡像和時(shí)間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。克羅寧和費(fèi)茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，并且采用鏡像，但不反演時(shí)間方向，則宇宙的行為于保持不變。所以，物理學(xué)定律在時(shí)間方向顛倒的情況下必須改變——它們不服從t對(duì)稱。

早期宇宙肯定是不服從t對(duì)稱的：當(dāng)時(shí)間往前走時(shí)，宇宙膨脹；如果它往后退，則宇宙收縮。而且，由于存在著不服從t對(duì)稱的力，因此當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，相對(duì)于將電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然后，當(dāng)宇宙膨脹并冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由于已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構(gòu)成我們今天看到的物質(zhì)，由這些物質(zhì)構(gòu)成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認(rèn)為是大統(tǒng)一理論的證實(shí)，哪怕僅僅是定性的而已；但此預(yù)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后余下的夸克數(shù)目，甚至不知是夸克還是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我們可以簡單地稱反夸克為夸克，夸克為反夸克。）

大統(tǒng)一理論并不包括引力。這關(guān)系不大，因?yàn)橐κ侨绱酥酰灾劣谖覀兲幚砘玖Ｗ踊蛟訂栴}時(shí)，通常可以忽略它的效應(yīng)。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(yīng)是迭加的。所以，對(duì)于足夠大量的物質(zhì)粒子，引力會(huì)比其他所有的力都更重要。這就是為什么正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對(duì)于恒星大小的物體，引力的吸引會(huì)超過所有其他的力，并使恒星自身坍縮。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(qiáng)大的引力場所產(chǎn)生的。正是黑洞研究給出了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論如何相互影響的第一個(gè)暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。

第六章黑洞

黑洞這一術(shù)語是不久以前才出現(xiàn)的。它是1969年美國科學(xué)家約翰·惠勒為形象描述至少可回溯到200年前的這個(gè)思想時(shí)所杜撰的名字。那時(shí)候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動(dòng)說。我們現(xiàn)在知道，實(shí)際上這兩者都是正確的。由于量子力學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動(dòng)說中，不清楚光對(duì)引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運(yùn)動(dòng)，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關(guān)于光速度有限的發(fā)現(xiàn)表明引力對(duì)之可有重要效應(yīng)。

1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章。他指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會(huì)有如此強(qiáng)大的引力場，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光，還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會(huì)被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然會(huì)由于從它們那里發(fā)出的光不會(huì)到達(dá)我們這兒而使我們不能看到它們，但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔谩＿@正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體。它是名符其實(shí)的——在空間中的黑的空洞。幾年之后，法國科學(xué)家拉普拉斯侯爵顯然獨(dú)自提出和米歇爾類似的觀念。非常有趣的是，拉普拉斯只將此觀點(diǎn)納入他的《世界系統(tǒng)》一書的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪去，可能他認(rèn)為這是一個(gè)愚蠢的觀念。（此外，光的微粒說在19世紀(jì)變得不時(shí)髦了；似乎一切都可以以波動(dòng)理論來解釋，而按照波動(dòng)理論，不清楚光究竟是否受到引力的影響。）

事實(shí)上，因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ模裕谂ｎD引力論中將光類似炮彈那樣處理實(shí)在很不協(xié)調(diào)。（從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速，最后停止上升并折回地面；然而，一個(gè)光子必須以不變的速度繼續(xù)向上，那么牛頓引力對(duì)于光如何發(fā)生影響呢？）直到1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論之前，一直沒有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)的理論。