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爱因斯坦的未竟之梦,物理学“大统一理论”简史(上)

2017.06.01

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作者:LAWRENCE M. KRAUSS

翻译:山寺小沙弥

审校:帅姜凡学长


在2012年发现希格斯粒子之前,粒子物理学家曾经有过两次噩梦:一个是大型强子对撞机(LHC)无法产生任何新的粒子,如果真是这样,那么它可能是最后一个用来研究物质基本结构的大型加速器了;另一个问题则在于,LHC的用途除了发现物理学家彼得·希格斯在1964年预测的希格斯粒子之外,似乎就没有什么其它作用了。

                 

大型强子对撞机(LHC)


经验告诉我们,每当我们解决了一个问题,揭开了它背后神秘的面纱,又会有许多新的问题涌现出来。因此,每个重大的科学突破,除了其自身的成果外,往往还会带来更多需要解决的新问题。但尽管如此,这些科学突破本身能为我们绘制出一幅寻找问题答案的蓝图。希格斯粒子的成功发现,以及希格斯场的证实(在量子世界中,每个粒子都与一个场相关联,希格斯粒子也不例外),是对20世纪物理学一个大胆预测的验证。


不过,谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow)的话依然是正确的:希格斯场就像一个“马桶”,这个“马桶”里隐藏着很多我们无法解释的混乱细节。当大多数粒子穿越其中时,会与其发生相互作用,产生阻力来减缓它们的行动,并赋予它们质量,使它们“看起来很重”。因此,尽管通过基本粒子我们可以描述整个世界,然而我们所测量到的基本粒子的质量就像是一种“幻觉”,测量的过程其实也伴随着一定的偶然性。


粒子相互作用   绘图:Jonathan Feldschuh


希格斯理论的概念非常简洁,它本质上是对物理学标准模型的特别补充。这个模型解释了四大基本相互作用力(弱相互作用力、强相互作用力、引力、电磁相互作用力)中的三种,以及这些力与物质的相互作用。希格斯场被引入到理论中,使得我们能准确地解释这个世界。但这并不是标准模型理论所要求的内容。宇宙本可以由没有质量的粒子和弱相互作用力构成。


这时候我们不禁要问,为什么会存在希格斯粒子呢?为什么希格斯粒子有质量呢?(每当科学家问“为什么”,他们真正想表达的是“怎么会这样”。)如果希格斯粒子不存在,那么我们看到的这个世界也不会存在,但显然这并不成其为一个解释。研究希格斯粒子背后物理意义的终极目的就是解释为什么我们会存在。当我们问:“为什么我们会存在?”,我们想表达的更深层意思是:“为什么希格斯粒子会存在?”然而,标准模型并没有给出我们想要的答案。


但是,理论与实验的结合给了我们一些提示。1974年,在标准模型的基本结构确立不久后(其一些细节在接下来的十年中才被实验证实), 格拉肖和史蒂夫·温伯格(Steven Weinberg)所在的哈佛大学的两个物理学研究团队注意到了一些有趣的事。格拉肖和哈沃德·乔吉(Howard Georgi)合作,完成了格拉肖迄今为止最伟大的研究:他们在现有的粒子和力之间寻找新的模型,并利用群论寻求新的可能性。


在标准模型中,自然界中的弱相互作用力和电磁相互作用力可以在较高的能量尺度上统一,物理学家把这两种力统称为“电弱相互作用力”。这意味着弱相互作用力和电磁相互作用力可以用相同的数学形式表达出来,它们都被相同的数学对称性约束着,都是同一个更深层理论的不同表现形式。但是,希格斯场引起对称性自发破缺,希格斯场只与传递弱作用的粒子发生相互作用,而不与传递电磁力的粒子发生相互作用。这种“自然的意外”使得这两种力在我们可测量的尺度内看上去就好像是两种完全不同的作用力——弱相互作用在较短的距离起作用,而电磁相互作用力在较远的距离上起作用。


格拉肖和哈沃德·乔吉试图将这一思想扩展,把强相互作用包含进来,他们发现,所有已知的粒子和除引力之外的三大基本作用力可以自然地都装进一个基本的对称结构里。随后他们推测,这种对称性可能在远超当时实验范围的一些超高能量级别上(和短距离尺度内)自发地破缺,留下两个独立且不同的完整对称性——产生了独立的电弱相互作用力和强相互作用力,随后,在较低的能量和较大的距离尺度下,电弱对称性破缺,电弱相互作用力分离成短程的弱相互作用力和长程的电磁相互作用力。


他们“谦虚地”将这个理论称为大统一理论(GUT)。


与此同时,温伯格和哈沃德·乔吉发现了有趣的事。虽然强相互作用力在较小的距离尺度上会变弱,但是电磁相互作用力和弱相互作用力却在此时变得更强。


每当我们打开宇宙之窗的时候,我们都会对窗外的事物感到惊讶。


火箭科学家们对这三种力在某些尺度上是否相同并不感兴趣,因为他们关注更多的是,火箭能否发射升空以及如何改进火箭的性能。当他们进行计算时,他们发现这些力是可以统一的,但是仅仅在比质子的尺寸小15个数量级时才能统一。


如果统一理论真的是哈沃德·乔吉和格拉肖所提出的这种理论,这对我们来说是一个好消息,因为如果我们观察到的所有粒子都是这样统一的,那么在夸克(由质子和中子组成)与电子、中微子的转变之间存在着一种新的粒子(称为规范玻色子)。 这意味着质子可能会衰变成其他更轻的粒子,而且我们也能探测到这些新粒子。正如格拉肖所说的那样“即使钻石化学性质非常稳定,它也无法永恒不变”。



虽然质子会衰变,但是质子必须有一个令人难以置信的长寿命。这是因为我们在大爆炸140亿年之后还能存活,而且我们不会在孩童时期就死于辐射。如果质子的平均寿命小于1018年,那么我们在童年的时候就会被体内的质子衰变产生的辐射杀死。在量子力学中,事件发生具有概率性,如果质子的平均寿命为1018年,假设人体有1018个质子,那么平均每年就会有一个质子在人体内衰变变并产生辐射,进而危害我们的身体。但是,我们的身体里不仅仅只有1018个质子,所以质子的寿命肯定大于1018年。


然而,由于大统一理论中提到的距离尺度非常小,因此与对称性自发破缺相关联的质量尺度非常大,也就是说,规范玻色子将获得较大的质量。这些规范玻色子使得他们参与的相互作用过程的尺度变得极小,以至于在质子和中子的尺度上,这些相互作用非常微弱。因此,即使质子会衰变,人还是可以存活的,如果上述条件成立,也许质子的平均寿命可能有1024年,即使是这样,你还是可以顺利长大成人的。


经过格拉肖、乔吉、奎恩和温伯格等人努力,空气中似乎弥漫着“大一统”的味道。在电弱统一理论成功提出之后,粒子物理学家们雄心勃勃,准备进一步统一四大基本相互作用力。


然而,如何知道这些理论是否正确呢?当时还无法建造出一台可以探测比质子的能量(质能方程换算出静止质量下质子的能量)高约1015数量级能量的加速器,这样的加速器的周长必须有月球轨道那么长。但是,即使我们可以制造出这样的加速器,鉴于之前超导超级对撞机(SSC)失败的教训,没有谁是会为此买单的。


幸运的是,我们还有其他的解决方案,通过我刚刚提到的质子寿命极限的论证也可以解决问题。如果新的大统一理论能够预测出质子的平均寿命,比如说1030年,那么如果在一个探测器中放入1030个质子,平均每年我们就能探测到有一个质子发生衰变。


那么,我们到哪里寻找数量如此庞大的质子呢?答案很简单:大约3,000吨水。


我们要做的是将一大罐水放在黑暗的环境中,确保周围没有辐射,然后在这罐水周围布置好极其敏感的光电探测器,它们可以探测质子衰变过程中放出的光。一切准备就绪之后,我们所要做的就是静静地等待质子发生衰变。世界上有两台这样大型的实验装置,一个位于伊利湖旁边的盐矿地下深处,还有一个在日本的上冈县附近的矿井里。选址在矿山是必要的,因为矿山会屏蔽宇宙射线,这些宇宙射线会干扰质子衰变产生的信号。


大型强子对撞机(LHC)   绘图:Jonathan Feldschuh


这两个实验室于1982-1983年间采集数据。大统一理论如此迷人,物理学们相信信号很快就能出现,而大统一理论意味着十多年来物理学的巨大成就,它将把粒子物理学的发展推向顶点,格拉肖等人也可能因此获得诺贝尔物理学奖。


然而,不幸的是,这个实验并没有让物理学家们称心如意。第一年、第二年甚至是第三年,探测器都没有探测到信号。哈沃德·乔吉和格拉肖的想法就这么被否定了。但是,一旦大统一理论出现问题,物理学家们就不会轻易放过这些棘手的“刺猬”。他们提出了一些其他的大统一理论,用以解释为什么质子衰变超出了这些实验所能观测到的极限。


希格斯粒子就像一个“马桶”。它隐藏在所有的细节里,甚至超过了我们所能谈论的范围。


然而,1987年2月23日,发生了另一件事件,证明了我的格言几乎是普遍适用的:每当我们打开宇宙之窗的时候,我们都会对窗外的事物感到惊讶。那天,一群天文学家在夜间获得的照相板中观察到超新星爆炸,这是近400年来观察到的距离我们最近的超新星爆炸。这颗超新星距离我们大约有160,000光年,它位于麦哲伦星系。


如果我们关于恒星爆炸的想法是正确的,爆炸过程中大部分能量以中微子的形式释放。由于爆炸释放出超强亮度的可见光,超新星爆炸可能是宇宙中最明亮的宇宙烟花(平均每个星系每100年有一颗超新星爆炸)。粗略估计,巨型IMB(欧文-密歇根-布鲁克海文)和Kamiokande(神冈探测器)应该看到了约20个中微子事件。当IMB和Kamiokande的实验者回去审查他们当天的数据时,他们看到IMB在10秒的时间内显示了8个候选的事件,而Kamiokande则显示了11次这样的事件。在中微子物理学的世界里,这是一大堆数据,它们使得中微子天体物理学突然间达到了成熟的境界。物理学家们通过这19次事件能写约1,900篇论文,他们透过这些事件看到了恒星爆炸的关键,它们能为天体物理学、物理学中的中微子做出巨大的贡献。


由于认识到大型质子衰变探测器既能用于天体物理,也能用于中微子探测,一些研究团队便开始构建新一代的双用途探测器。随后,世界上最大的一个质子衰变探测器于Kamioka(神冈,位于日本)再次建成,被命名为Super Kamiokande(超级神冈探测器)。这个庞然大物由一个5万吨的大水罐和周围的11,800个光电探测器构成,放置在一个矿井里运行。这个矿井的清洁度和实验室差不多,保持清洁度是必要的,因为对于一个尺寸如此大的探测器而言,物理学家们不仅要考虑宇宙射线的影响,还要考虑水里一些放射性元素可能会干扰我们想要寻找的信号。


日本超级神冈探测器


与此同时,物理学家们对于寻找天文中微子信号的兴趣也达到了最高点。太阳由于其内部的核反应而产生中微子,20多年来,物理学家雷蒙德·戴维斯(Ray Davis)使用地下的大型探测器,发现了太阳中微子,但是他经过计算发现,太阳中微子产生的概率比用当时最好的模型(贝特的太阳模型)预测的概率要低三分之一。因此,一台新型的太阳中微子探测器于加拿大萨德伯里的一个深矿中诞生了,命名为萨德伯里中微子观测站(SNO)。


超级神冈探测器20多年来几乎一直运行着,期间经历了几次升级。然而,它并没有探测到质子衰变信号,也没有观测到新的超新星。但是,将超级神冈探测器和萨德伯里中微子观测站的工作相结合,我们可以肯定地说,雷蒙德·戴维斯观测到的太阳中微子亏损是真实存在的,而且引起太阳中微子亏损的原因是中微子的性质而不是太阳的天体物理效应。这意味着三种已知类型的中微子(电子中微子、μ子中微子和τ子中微子)中至少有一种是具有质量的。标准模型中描述的中微子是没有质量的,因此这是第一个明确指出在标准模型和希格斯粒子外存在着其他新物理规律的观测结果。


萨德伯里中微子观测站


不久之后,观测来自地球大气层中的中微子(来自太空的高能宇宙射线轰击地球大气层会产生大量粒子,其中包括大量中微子)证实了第二种中微子也具有质量。该中微子质量稍大一些,但仍远远小于电子质量。由于这些研究成果,SNO和Kamiokande的团队领导人获得了2015年的诺贝尔物理学奖。直到目前为止,这些令人兴奋的新发现仍然不能由现在的理论来解释。


未完待续,下周四见。


原文链接:

http://nautil.us/issue/46/balance/a-brief-history-of-the-grand-unified-theory-of-physics


编辑:山寺小沙弥


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