霍金就职演讲

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    <<寻求物理学统一>>

    在本世纪初,人们相信各种现象都可用连续力学的说法来解释,所需要的只是一定数目的弹性,黏度,传导率等系数,这个愿望因原子结构与量子力学之发现而破坏了.在二十年代后期,波恩又再一次声明物理学会在六个月之内结束,那是因为狄拉克发现了支配电子的狄拉克方程(Dirac Equation),人们开始奢望可发现一个类似支配质子的方程,那时质子被认为是另一个基本粒子,然而中子及核力之发现又使美梦告吹,现在我们知道质子和中子都不是基本,而是由更小的亏子所构成.可是近年来我们获得了很多进展,令我相信在坐的某些人可在有生之年看到物理学之统一．

    不过,就算物理学真的被统一了,也只能对最简单的情况作详细预测,例如狄拉克方程是大部份物理的基础,然而我们只能在最简单的系统如一个质子和一个电子的氢原子解出方程.对于更复杂之情况,我们不能不求助于近似解,而对于含有大约1023个粒子的宏观系统,我们不得不使用统计方法,并且要放弃任何精确可解出方程之自负．

    尽管在原则上我们知道支配整个生物学的方程,也未能把人类行为的研究简化成数学的一个分支,究竟我们为何要一个统一物理学理论呢?原因有二:

    用微积分去表达不同物理,而这些不同的物理都由一组定律控制．
预言或断言宇宙的将来与过去.以及宇宙各部份对宇宙之影响．
很多人会认为科学的作用多局限于第一个,但当达成了条件一,知道了现在的情形外,我们就会开始对宇宙初始作研究,直到我们不再认为宇宙初始是神的杰作或说'万物现在如此,是因为它过去如此时',我们才算直到得到一个完备理论．

    <<人择原理>>

    如果一个理论中含有质量或者偶合常数这类可以赋予任何数值之调整参数时,它就不能被视作完备.而事实上,似乎宇宙初始并非是任意,而是经过仔细的选择.例如质子－中子的质量差不到电子的二倍就不能组成上百种稳定的元素,又例如质子的引力和现在不同,就不能产生恒星,我们不得不从另一观点出发－人择原理(anthropic principle),弱人择原理(WAP)告诉我们存在着不同的独立宇宙,它们大多不能演化成智能生物复杂结构之合适条件,只有少数宇宙,才会与我们宇宙类似,才可以有智慧生命问'为什么宇宙初始是要这个样子?'.答案当然是,如果宇宙不是现在这个样子,就不会有我们去问这个问题了．

    可是人择原理的确并不能人完全满意,例如为何要有其它星系呢?它们之存在是与我们无关痛痒,而且它们这么均匀地分有于宇宙上,令人择原理这种富于主观色彩的理论带神学味道．

    <<费米子与玻色子>>

    如果我们不从人择原理上看,就需要某一种统一理论解释宇宙的初始条件,然而要一下就想出一个全能理论(TOE)实在太难了,甚至是不可能的.可是我每天都收到两三个邮寄来的全能理论.我们所做的只是寻求部份理论,我们首先把宇宙物质分成物质性的费米子及带力的玻色子,费米子以分数自旋场来描述,而且遵循泡利不兼容原理(Pauli Exclusion Principle),那是防止在同一状态中存在多于一个自旋相同的费米子,这也解释了为何我们物体不会无限崩陷至一点,而费米子有两种,一是由亏子组成之强子,另一种是剩下的轻子．

     然而玻色子可被分成四类,按强度是强核力,它只与强子发生交互作用,电磁力,与带电荷强子及轻子作用,弱核力,与所有强子和轻子作用,引力,与所有物体发生作用,它们都有整数自旋场而且不遵循泡利不兼容原理.电磁力及重力是长程,所以最早被发展成理论,马克斯韦尔发展电磁理论,而爱恩斯坦发展广义相对论,它们的量是连续可变,而且可以准确测量.然而,当科学家想以电磁理论及广义相对论于小尺度的次原子世界时就产生了问题.例如当电子以轨道绕原子核旋转时理论会辐射电磁波,令电子以螺旋轨道撞上原子核．

    <<量子理论>>

   这个问题被量子理论克服了1,量子理论无疑是本世纪物理学最大的成就,不被量子力学震慑的人根本不懂得量子力学.在海森堡测不准定理中,暗示电子是不能在最低能阶静止不动,因为那暗示电子的位置及速度会被完全确定.反之,电子必须按机率分布轨道周围(路径积分/历史求和),这种状态下,电子不会辐射电磁波,因为它没有更低的能阶可去．

    量子力学在二十年代起获得相当大的成功,但是当人们把它形容上电磁场时却出现了困难.大致是,电子须具有某些所谓零点涨落(zero-point fluctuation)之最少能量,而这个会令电子质量及电荷变成无限,于是在四十年代后期,发展凶所谓的重正则化(renormalization),目的是对无限项进行任意削减,而只剩下有限量,在量子电动力学(QED)中,有必要进行两次削减,一次是对质量,一次是对电荷,虽然重正则化没有非常坚实之概念或数学基础,但它在实际运用中效果非常好,它最成功是预言兰伯移动(Lamb Shift)的小偏移,它发生在氢原子光谱中,但是它没有对有限项做预测,我们只有求助人择原理,解释电子为何具有现在之质量和电荷．

    在五十年代初期,普遍认为弱核力及强核力是不能被重正则化,就是说它们需要进行无限多次的重正则化后会剩下无限个有限剩余,这样的理论没有预测能力,因为我们是不能对无限多项作观测.然而古佛在1971年证明,萨拉姆与温伯格在早前提出之弱电统一可以作有限次重正则化,弱电理论(electroweak theory)是说光子与三个弱子都是1自旋粒子.在高能量下它们有相同的行为,但是在低能量下,会通过自发性对称破坏而显得不同,而他们也赢得了诺贝尔奖．

    <<量子色动力学>>

    弱电理论之成功令物理学家想把强核力也重正则化,人们很早就意识到质子等强子都是更基本的亏子束缚态,但似乎获得单独亏子是不可能的,它们总是两个一对的介子,或三个一组之强子.为了解释此现象,将亏子赋予了颜色这特性,要强调,这与我们之色觉毫不相干,如此做只为方便称呼,这个想法是将亏子分成三种颜危,粒子必须是红绿蓝或是反红+红等的无色组合．

    而传递亏子力之强核力,是由自旋为1的胶子所带,胶子也带颜色,它们和亏子遵从量子色动力学(QCD)的重正则化理论．
 

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