因此，不可能在實驗室里直接證實大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢測它在低能量下的推論。

其中最有趣的是預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。其原因在于，在大統一能量下，夸克和反電子之間沒有本質的不同。正常情況下一個質子中的三個夸克沒有足夠能量轉變成反電子，由于測不準原理意味著質子中夸克的能量不可能嚴格不變，所以，其中一個夸克能非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉變，這樣質子就要衰變。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0）要長得多了。因此，人們會認為不可能在實驗上檢測到質子自發衰變的可能性。但是，我們可以觀察包含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的對象含有1后面跟31個0個質子，按照最簡單的gut，可以預料在一年內應能看到多于一次的質子衰變。）

人們進行了一系列的實驗，可惜沒有一個得到質子或中子衰變的確實證據。有一個實驗是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦里進行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會和質子衰變相混淆的事件發生）。由于在實驗中沒有觀測到自發的質子衰變，因此可以估算出，可能的質子壽命至少應為1千萬億億億年（1后面跟31個0）。這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精致更復雜的大統一理論預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。

盡管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由于這相反的過程，即質子或更簡單地說夸克的產生導致了我們的存在。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下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，從而由夸克所構成。除了由少數物理學家在大型粒子加速器中產生的之外，不存在由反夸克構成的反質子和反中子。從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中的所有物質也是這樣：除了少量當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生出來的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射，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表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但二者只居其一，否則我們又會觀察到大量由涅滅產生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質而另一些星系為反物質也是不太可能的。

為什么夸克比反夸克多這么多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只余下一個充滿輻射而幾乎沒有物質的宇宙。因此，后來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恒星和行星。慶幸的是，大統一理論可以提供一個解釋，盡管甚至剛開始時兩者數量相等，為何現在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經看到的，大統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。早期宇宙有一時期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉變發生。但是，為何導致夸克比反夸克多呢？原因在于，對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叫做c、p和t的對稱。c（電荷）對稱的意義是，對于粒子和反粒子定律是相同的；p（宇稱）對稱是指，對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（時間）對稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運動方向，系統應回到原先的那樣；換言之，對于前進或后退的時間方向定律是一樣的。

1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從p對稱。換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的預言是正確的。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，電子在一個方向比另一方向發射出得更多。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎。人們還發現弱作用不服從c對稱，即是說，它使得由反粒子構成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。盡管如此，看來弱力確實服從cp聯合對稱。也就是說，如果每個粒子都用其反粒子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發展！但在1964年，還是兩個美國人——j·w·克羅寧和瓦爾·費茲——發現，在稱為k介子的衰變中，甚至連cp對稱也不服從。1980年，克羅寧和費茲為此而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們所想像的那么簡單而被授予的！）

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

早期宇宙肯定是不服從t對稱的：當時間往前走時，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對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對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。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預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。）

大統一理論并不包括引力。這關系不大，因為引力是如此之弱，以至于我們處理基本粒子或原子問題時，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的，表明它的所有效應是迭加的。所以，對于足夠大量的物質粒子，引力會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。甚至對于恒星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，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大的引力場所產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。

第六章黑洞

黑洞這一術語是不久以前才出現的。它是1969年美國科學家約翰·惠勒為形象描述至少可回溯到200年前的這個思想時所杜撰的名字。那時候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的波動說。我們現在知道，實際上這兩者都是正確的。由于量子力學的波粒二象性，光既可認為是波，也可認為是粒子。在光的波動說中，不清楚光對引力如何響應。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預料，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，光粒子無限快地運動，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關于光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。

1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾在這個假定的基礎上，在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出，一個質量足夠大并足夠緊致的恒星會有如此強大的引力場，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發出的光，還沒到達遠處即會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，雖然會由于從它們那里發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們，但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們現在稱為黑洞的物體。它是名符其實的——在空間中的黑的空洞。幾年之后，法國科學家拉普拉斯侯爵顯然獨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納入他的《世界系統》一書的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪去，可能他認為這是一個愚蠢的觀念。（此外，光的微粒說在19世紀變得不時髦了；似乎一切都可以以波動理論來解釋，而按照波動理論，不清楚光究竟是否受到引力的影響。）

事實上，因為光速是固定的，所以，在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理實在很不協調。（從地面發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，一個光子必須以不變的速度繼續向上，那么牛頓引力對于光如何發生影響呢？）直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前，一直沒有關于引力如何影響光的協調的理論。