我们曾经寻找过坚实的基础，但一无所获。我们洞察越深，就发现宇宙越是动荡不息；所有的事物都在奔腾跳跃，跳着狂野的舞蹈。---玻恩
出乎意料和不可思议的东西也属于这个世界。有了这些，生活才是完整的。 ---C.G. Jung
依我看来，当今的物理学理论中，有可能在未来的终极理论中保留下来的部分是量子力学。----温伯格 实在是场的集合，场给出找到相应量子的概率，这个观念是相对论性量子场论的最重要的结论。这是关于实在的图景的核心观念。按照这种观念，不仅实物概念消散在场的概念中，而且场给出找到量子的概率。----帕格尔斯，物理学家
图18.1 量子电动力学(电磁力的量子场理论)的三位独立的创立者。(a)朝永振一郎(在座位上打手势的人)，摄于1948年，他的理论发表5年后(b)费曼。他因打破常规的思维习惯而闻名：他能在夜总会的后台上工作，音箱中震耳欲聋的音乐激励着他的灵感;(c)施温格一位独来独往的研究者，他跟别人说他在自己的战时实验室中“变成了一个科学研究的夜行侠”
正像一个粒子可能处于这样一个量子态，在这个态中它既不明确地在这里也不明确地在那里……一个粒子也有可能处于一个态，在这个态中既不能明确地说它是电子也不能明确地说它是中微子，只有当我们测量到某些区别两者的特性(比如电荷)之后才能分辨它们。一温伯格
没有任何观点比以下观点更为重要，那就是真空不空。这是最前沿的物理学的主要观点。----惠勒 具有讽刺意味的是，物理学在本世纪(20世纪)怎么会变成这个样子。19世纪与20世纪早期的特征是唯物主义观点盛行，这种观点对世界上实际存在的事物与不存在的事物加以明显的区别。今天这种区别依然存在，不过，它的意义已经起了变化……一无所有中包含着一切存在。----帕格尔斯，物理理论学
a)你将会被吸入它的黑洞中并被撕得粉碎;
(b那里的所有行星都含有多种与地球上相同的化学元素，不过这些元素都由反物质构成;
(c)你将发现物体之间的引力是相互排斥的而不是相互吸引的;
(d)你将会湮没掉;
(e)这肯定是一次单程旅行。
(a)大约160个;
(b)刚好等于160个;
(c)大约80个;
(d)刚好等于80个。
(a)质子;
(b)电子;
(c)正电子;
(d)反质子。
18.4 电弱统一和中微子
图18.9电弱力理论的共同创立者。他们将电磁场和弱核力场的量子理论结合成一个一的电弱量子场论。(a)萨拉姆,生于巴基斯坦,信仰伊斯兰教的最杰出的科学家之一他将诺贝尔奖中自己的那一份捐赠给在意大利的里雅斯特的以他的名字命名的研究所,该研究所赞助来自发展中国家的科学家(b)美国物理家温伯格,除了因量子场论领域的工作赢得了诺贝尔奖之外,他还为非科学界人士写过几本书,其中 Dreams of Final Theory是一本关于基本相互作用力和其他论题的书,另一本书 The First Three Minutes描写解释了大爆炸的早期阶段。
我们记得,量子电动力学描述电子和正电子的电相互作用,这种相互作用通过在带电粒子之间交换光子而发生。温伯格萨拉姆理论推广了这幅图像。这个理论认为,弱力和电磁力都来自单一的力场,因此它们实际上是同一个电弱力的不同侧面。这个理论描述电子正电子、中微子和反中微子的电磁相互作用和弱相互作用,认为这种相互作用是通过交换一些别的粒子而发生的。这些交换粒子包括光子和另外三种粒子。这三种新的交换粒子与光子有些不同,主要的不同是这三种粒子都有质量事实上就亚原子粒子而言是很大的质量。每种粒子的质量大约是质子质量的100倍!三种粒子的记号分别为
我们还记得,除电子外,还有另外两代更重的类电子粒子即
表18.1 电弱力理论
我们怎么知道中微子存在?
我们在第6章中看到,在1930年前后,当衰变实验似乎与能量守恒冲突时,存在中微子的猜测首次被提出。应用能量守恒和其他公认的原理得出的结论是:
在β衰变中除了观测到的粒子之外,还产生一个没观测到的粒子。而且,观测数据暗示,这种粒子的(静止)质量或者为零或者非常小,比一个电子的质量小得多。大多数物理学家假设它等于零。
中微子最终于1956年被观测到。在这个实验里,在一个核反应堆中由β衰变产生的数量极其庞大的中微子入射到一个巨大的水池中。这些中微子中每小时只有大约3个与水中的质子相互作用,产生出科学家能够观测到的高能γ光子,证实这种相互作用确已发生。
上述实验显示,衰变的确产生了中微子,尽管每小时只观测到3次中微子的相互作用。由于在反应堆中每秒发生的几万亿次β衰变过程基本上是相似的,因此每次衰变都将伴随着有一个中微子产生。我们从这得到的结论是:反应堆每秒射出数以万亿计的观测不到的中微子,它们穿越水池而不发生任何相互作用。
不过,物理学家仍然不能确定这种难以捉摸的粒子的质量到底为零还是不为零不过很小。随着时间的过去,实验能够定出中微子质量的越来越小的上限。今天,e中微子质量的可能值的最大值是一个电子质量的600万分之一的一个零头。直到最近,质量等于零看来是最有道理的。毕竞,如果这个新粒子的质量简单地为零(像光子那样)就能跟所子的描述有的数据相符合,为什么偏偏要让它有一个远小于任何其他已知的实物粒子的质量呢?
它们全都同样古怪。----费曼对亚原子粒
但是在2001年,科学家们确证,中微子终究是确实具有质量的。完成这个任务可不简单。
我们怎么知道中微子有质量?
从质量“很可能等于零”到“确定不等于零”的转变开始于20世纪60年代对来自太阳的中微子的观测物理学家用普遍接受的关于在太阳内部发生的核反应的理论计算太阳发射的高能中微子的数目。这个预言可以用巨大的中微子探测器[也叫做中微子望远镜,见第1章图1.2(d)]来验证。中微子探测器安装在地下的深处,以避免来自太空的光子和其他高能粒子对检测器的于扰。但是,观测结果与预言相差极大:观测到的中微子数目只有预言值的1/3。理论和观测的这种不一致是科学中出现创造性发现的契机,在这个时刻往往能够认识一些全新的东西。
几个不同的小组在不同地点用不同技术重复了上述实验,但是理论和观测的不一致仍然如旧。科学家们开始怀疑理论是不是错了一要么是太阳内部核反应的理论错了,要么是基本的中微子物理学理论错了。
天体物理学家们仔细审查了太阳内部核反应的整个理论,但是找不到任何漏。猜疑转向中微子物理学。人们对温伯格萨拉姆电弱理论提出了几种修改方案。一个新的令人惊讶的理论预言出现了:如果两种中微子具有不同的质量,那么,它们就能够自发地与对方交换身份。例如,假如e中微子和中微子有不同的质量,那么,一个e中微子就能够自发地变为一个中微子,反之亦然,这和一个高能光子能够转变为一个粒子反粒子对很相像。
科学家们意识到,这种中微子身份转化有可能解决太阳中微子“失踪”之谜。预言的太阳发射的中微子全部是e中微子,现有的中微子探测器只能探测到e中微子。如果来自太阳的中微子有一部分在它们离开太阳后的旅途中转变为另外两种中微子之一,那么,地球上探测到的e中微子的数目就会少一些。
需要能够观测所有各种中微子的新探测器。日本的超级神冈探测器[图1.2(d)]就是为这个目的而建造的。天体物理学家小柴昌俊(图18.10)用这台探测器观测来自太空的高能粒子撞击地球大气所产生的μ中微子。他得到一个令人惊讶的结果。穿过我们的行星从下方进入地下探测器的大气μ中微子的数目只有从上方进入的数目的大约一半显然,有一些向上运动的μ中微子在穿过地球的0.1秒的旅程中丢失了。这是令人惊讶的,因为已经知道,这些粒子中只有微不足道的份额能够在球内部发生相互作用而丢失。人们猜想,这个差值是由于μ中微子在这0.1秒期自发转变为其他某种类型的中微中徽子而引起。2000年,超级神冈的科学家们宣布,从
2001年,用另一个位于加拿大的新探测器做实验的科学家宣布了太阳中微子问题的明确解答,使上述结果更令人信服。在加拿大的实验中,来自太阳的所有各种中微子的总数与预言的太阳发射的e中微子的数目精确地一致但是来自太阳的e中微子的数目只有预言值的大约1/3,就像从20世纪60年代以来一直观测到的那样。这说明太阳发射的e中微子中,有大约2/3在飞向地球的旅途中转变成μ中微子或中微子。
自然的结论是:三种中微子中至少有一两种必须具有质量,因为只有不同质量的中微子能够相互转化身份,因此它们的质量不能全都是零。
除了表18.1中列出的三代电弱粒子外,还有更多代电弱粒子吗?事情的一个意想不到的转折是,天文观测表明只有三代电弱粒子。理由来自大尺度宇宙与微观世界之间的一个密切联系:外部空间(宇宙空间)与内部空间(原子内的微观世界)是通过一个迅速变成宏观的微观事件而紧密联系在一起的。这个事件就是大爆炸。
发生大爆炸4分钟后,宇宙的组成中大约有75%的氢和25%的氦(第11章)。这些数字是原子核物理学理论所预言的,它们同对宇宙中最古老物质的观测结果相一致。理论上预言的氦所占的百分比与电弱粒子有多少代有关:代的数目越多,预言的氦所占的比例就越大。如果有电弱粒子,预言的氦的百分比就太高,不能与观测到的氮的百分比一致了。结论是:只有三代电弱粒子。
道生一,一生二,二生三,三生万物。----老子,引自《道德经》第42章
近来,地质学家利用中微子来了解地球内部深处发生的过程。人们假设,地壳板块在热能的作用下一直在运动。热能有两个来源:地球在46亿年前形成时残留的热能,和后来由放射性衰变产生的附加能量。2005年,学家们报告了利用中微子探测器观察由地球内部深处的铀238和针232的放射性衰变发出的中微子的结果。虽然在长达两年多的数据采集期间仅有4个到54个(实验有较大的不确定性)这样的中微子触发了探测器,这已经足以证实地质学家的假设。
统一是科学史上多次重复奏响的主题(图18.11)。例如,哥白尼将地球与其他行星统一起来;牛顿将地上的物理学与天上的物理学统一起来;麦克斯韦发现了一种将电、磁与光统一起来的场论。在19世纪末之前,科学家相信只有两种基本力,即电磁力和引力。爱因斯坦在创立了将引力解释为时空几何的结果的新理论后,花了自己科学生涯中的大量时间试图将电磁力与引力统一起来,希望一个单一的“统一场论”够将电磁力和引力表现为时空几何的不同侧面。他没有成功。
后来,科学家们以量子场论为基础,在微观的层级上探求统一。我们已经看到,这些努力通过将量子理论狭义相对论及电磁力和弱力统一起来,得到了重大的成就。物理学家今天正在试图将电弱力与强作用力统一起来第18.5节),并且将所有这些力与引力统一起来(第18.6节)。
概念检查4：以下粒子哪一种能够感受电力? (a) 子; (b) 中微子; (c)电子 (d)光子; (e） (f) 。
图18.11物理学中的一些统一,虚线表示还未建立起来的统一时间从上到下演进。
18.5强作用力和夸克
迄今为止所作的测量告诉我们,所有的电弱粒子(表18.1)都是点粒子。也就是说,它们的力场像是集中在一点上,它自身不占任何体积。例如,电子的电荷就像是集中在一个点上。但质子和中子则不同20世纪50年代做的实验表明,它们的电力和磁力中心分布在一个线度大约为10-15m的小体积内。这些粒子是否可能是复合粒子,由更小的粒子组成呢?
在20世纪早期人们以为质子和电子是仅有的亚原子粒子。1932年,人们发现了中子和正电子,开创了一个发现粒子的时代,到1960年,已经产生了几百种被认为是基本粒子的新粒子。人们常把这份令人眼花缭乱的粒子清单戏称为“粒子动物园”。宇宙肯定不是由这么多不同的东西构成的。
如果我能记住所有这些粒子的名称,我早就去干植物学了。----费米,在谈到20世纪60年代所发现的各种亚原子粒子时。
盖耳曼(图18.12)希望通过按照粒子的物理性质的规律性将已知的粒子分门别类,整顿这个粒子动物园的秩序。盖耳曼的工作与19世纪化学家的工作很相似。当时这些化学家发现了“原子动物园”中的许多已知元素的化学性质的规律性,他们按照这些规律将元素归类生成一个表,就是今天的元素周期表。只是在后来,人们才在一个新的原子模型中找到了周期表的自然解释,按照这个新模型,100多种元素仅由电子、质子和中子构成。同样,盖耳曼的分类方案使他猜测可能存在几种更简单的实体,他称之为夸克(quark),质子、中子和其他粒子可能是由它们构成。这使实验物理学家开始猎捕夸克。可是,尽管花了很大的气力在气泡室径迹中进行搜寻,却没有任何人能够找到夸克存在的直接证据。
我们怎么知道夸克存在?
当秦勒、弗里德曼肯德耳(图18.13)和12位同事于1967年开始研究质子和中子的时候,他们并不是在寻找夸克。他们用斯坦福直线加速器[SLAC,18.8(d)]继续先前的实验工作,先前的实验显示质子和中子是线度为10-15m的模糊的球。为了得到这些模糊球的更清晰的图像,他们用SLAC的高能电子猛撞质子,并使用他们专门建造的巨型探测器测量电子被质子偏转后的偏转角(图18.14)。当电子的能量较低时,散射电子只给出与以前相同的那个模糊球的图像,不过分辨率更高。但是,当电子的能量高到足以将质子和中子打成碎片时,他们发现了意外的事情。有些电子的偏转角非常大,就好像它们是被深埋在模糊球内部的坚硬小颗粒反弹回来一样。这个实验的方法及其结果与卢瑟福发现深藏于当时也曾被设想为一个模糊球的原子内部的小硬核的实验相似(第8.6节)。只不过这一次在质子和中子的内部看来不是一个力心,而是三个小力心。泰勒、弗里德曼和肯德耳找到了盖耳曼的夸克。
图18.14 SLAC的巨型电子探测器。电子束从左方进入,与一个靶中的质子碰撞。用三台探测器对偏转电子进行分析,这三台探测器分别是:左方的圆柱形大罐(不全),前后两台巨型探测器。
物理学家已经提出了量子场论的一个新版本来描述夸克之间的相互作用,迄今为止它与所有用来检验这个理论的实验都一致。在这个理论中,强力直接作用在夸克之间,而作用在质子和中子之间的力只不过是它们的夸克之间的力的结果。新理论中被量子化的力场(与电磁场类似)是强作用力场,被量子化的物质场(与电子场类似)是强作用物质场。强作用物质场的量子是两种夸克,叫做u夸克(上夸克)与d夸克(下夸克)及其反粒子。它们是这个理论中的实物粒子,所起的作用与量子电动力学中电子的作用相似。这个理论预言,u夸克与d夸克有两种稳定的组态,它们是:由两个u夸克和一个d夸克组成的质子,和由一个u夸克和两个d夸克组成的中子。这就是质子和中子存在的原因!我们知道,质子受电力的作用,而夸克是为了解释质子而假设的,因此,夸克除了感受和施加强作用力之外,必定还受电力作用。
概念检查5：令人感到意外的是,经查明夸克带分数电荷。 夸克带+2/3质子电荷,d夸克带-1/3质子电荷。这样,一个 夸克和两个 夸克的净电荷是(a)0;(b)1;(c)2。
强作用力场的量子叫做胶子,因为它们将夸克粘在一起成为核子,在更大的尺度上,它们也将核子粘成原子核。可以把它们看作是强作用力的光子。与光子一样,它们既没有质量也不带电荷。不过,胶子传递强力的方式与光子传递电力的方式有重要的差别。胶子本身会直接施加和感受强作用力,这不像光子,光子并不直接感受电力。在量子电动力学中,“电荷”可以看成“发射与吸收光子的能力”。同样,感受强力的性质可以看成发射与吸收胶子的能力可是,胶子本身却会感受强力,这就意味着胶子能够发射胶子,这不像光子光子并不能发射光子。
胶子生成更多胶子的这种能力解释了夸克最奇特的特性之一(图18.15):当夸克被分开时,它们之间的力变得更强而不是更弱,这使得不可能分离出单个夸克。当质子中的一个夸克被拉得离开相邻的夸克一小段距离时,子要从这个夸克飞到相邻的夸克就必须飞越更长的路程。这就给了这些胶子更多的时间在飞行中增殖,生成更多的胶子,这使得随着距离变大力也变得更强随着夸克被拉开得更远,能量在强作用力场中迅速积攒起来,这个能量产生出夸克反夸克对。经过一段短暂的重新组合后,一个新的夸克在第一个夸克被拉走的那个质子中产生出来了!而且,被拉开的夸克与新的反夸克可结合,形成一个不稳定的夸克对。这为我们提供了一个极其美妙的解释,为什么在气泡室中年复一年地寻找单个夸克的努力竞会毫无结果。因为将一个夸克从其邻居拉开的任何尝试只是造出了更多非单独存在的夸克。
图18.15 无法分离出夸克的原因
就现有的分辨精度而言,夸克像电子和中微子一样,是真正的点粒子。夸克看来最终是自然界的“种”阶梯上真正基本的“种子”的良好侯选者(图18.16)。
我们还记得,有三代电弱粒子(表18.1)。完全一样,实验观测显示出存在三代夸克。第二代与第三代夸克各有两个夸克,它们是u夸克与d夸克的更重的而且不稳定(寿命短)的原子变种。
表18.2给出强作用力的全套班子。最后一个有待实验发现的夸克即t夸克(顶夸克)于1994年由费米实验室[图18.8(e)]初步证实。由于 t夸克的质量比其他五种夸克的质量大得多,而这(由于
图18.16 自然界的“种子阶 梯,从DNA到夸克。注意每一级的近似尺度。
表18.2强作用力理论
宇宙中有一种强作用力场,其量子是胶子;和一种强作用物质场,其量子是u夸克和d夸克,除此之外,还有“第二代”和“第三代”物质场,它们的量子表列如。只有第一代粒子是稳定的,在通常的物质中起作用。质子由u-u-d组成,中子由u-d-d组成由作用在夸克之间的强作用力结合在一起。不稳定的第二代和第三代粒子在大爆炸的早期时刻就衰变了,现在只存在于短暂的高能微观事件中。
表18.1与表18.2概括了当前在微观层级上关于物质的理论,这个理论叫做标准模型对于一个曾给出像反物质、中微子和夸克这些奇妙预言的理论,标准模型实在是一个沉闷的名字。总结如下:
标准模型
如果忽略引力现象,宇宙中只有两种力场:一种是电弱力场,它的量子是光子、
粒子和 粒子;另一种是强力场,它的量子是胶子物质场只有6种:三代电弱作用物质场和三代强作用物质场。通常的物质只来自两种第一代物质场,它们的量子是:通过电弱力相互作用的电子和e中微子,以及通过强作用力相互作用的u夸克和d夸克。第二代和第三代粒子是不稳定的,只存在于大爆炸的早期时刻,今天它们只伴随高能微观事件短暂地存在。电弱作用粒子和强作用粒子及其性质列在表18.1和表18.2中。
标准模型代表人类知识的一次大规模的统一如果忽略引力,普通物质只是两种物质场和两种力场的表现形式。把实物量子(
那些认为空间显然空虚的人是浅薄的。---E..Mine,哲学家,1943年
上帝粒子---诺贝尔奖得主、费米实验室前任主任莱德曼的一本关于希格斯粒子的书的书名(中译本,上海科技教育出版社）
不过,标准模型并不是故事的结束。一个问题是,它没有把引力结合进去,给我们留下了一个非量子化的引力理论(广义相对论,第11章)和一个量子化的其他力的理论我们在下一节将看到,这是不能令人满意的。还有一个下面就要讨论的问题是,标准模型强烈地暗示有一种新的场,它的量子迄今还未观测到,不过可能很快就会观测到了。
我们在第10章中看到,由于
概念检查6：按照标准模型,以下哪些是基本粒子(或非复合粒子)?(a)质子;(b)电子;(c)正电子;(d)氢原子;(e)光子;(f)水分子。
概念检查7：胶子的运动速率(a)小于光速;b)等于光速(c)大于光速
18.6量子引力:普朗克尺度上的物理学
物理学家不仅在统一所有已知的力方面取得了巨大的成功,而且在统一所有已知的实物粒子方面也取得了巨大的成功。已经表明,除引力外的所有的基本力,和所有的通常物质粒子都只来自仅仅几种力场和物质场电弱力和强力之间明显的对应关系(表18.1、表182)表明,应当有一个单一的大统一理论,将电弱力和强力统一起来,不过这样的理论人们仍未找到。
物理学家是人类中的彼得潘”,他们永远长不大,他们永远保持着好奇心。---拉比,物理学家
上帝创造世界时用了漂亮的数学。---狄拉克
但是,即使是一个在实验上得到证实的大统一理论,仍然会将引力留在这幅统一的图景之外。引力难以纳人这些统一理论的一个原因是,在微观层级上我们对引力的了解太少,因为在这一层级上引力非常弱。例如,两个质子之间的引力作用只有它们的静电排斥力的一万亿亿亿亿分之一(10-36)。只有当大量的物质堆积在一起时,例如在一颗行星或恒星中,引力的效应才足够强,容易观测到。在大量物质堆积的情况下,质子与电子的电效应在很大的程度上相互抵消而引力则由于总是吸引的,因而互相加强,使引力占支配地位。
于是物理学家们在尝试对引力场进行量子化时陷入了荒谬的答案。典型的情况是,理论预言某些微观事件发生的概率等于无穷大而其他概率为负数,这些预言是荒谬的,因为大家知道每个概率值都处于0和1之间物理学家们提出了许多巧妙的方案试图克服这些困难这些尝试除了一个之外都以失败告终。这个例外的方案叫做“弦假说”;我们下面来介绍这个假说。
作为一种极端的可能性,有可能只有一个......与能够思索终极理论的智能生物的存在相容的理论。如果能够证明这一点,那么,我们对“为什么世界是它现在这个样子”这个问题,就得到一个几乎人人都满意的解答了.---温伯格
广义相对论和量子理论联合预言了几个基本结果,无论哪个(如果有一个)量子引力理论最后被证实,这几个基本结果最终都可能适用。一个这样的基本结果是引力子,既引力场的量子。和光子(电磁场的量子)一样,引力子的质量与电荷均为零,并以光速运动。从量子观点来看,两个物体例如地球和月亮之间的引力是通过这两个物体之间交换引力子产生的。但是从来没有观察到引力子,而且也许永远也不会直接观测到引力子,因为引力太微弱了。例如,如果一个质子吸收一个引力子,这个质子会反冲,但是理论预言的这种反冲是如此之小,完全没有希望观测到它。
广义相对论和量子理论的基本数值量或“常量”肯定会出现在任何正确的量子引力理论中。这些常量是:光速普朗克常量和“引力常量”(在国际单位制中为
类似地,还可以推出一个基本的时间间隔它是一段典型的时间间隔值,如果量子效应和引力效应两者都起重要作用,在这个时间间隔期间两个粒子之间的相互作用(随便举个例)将发生显著的变化。由于不确定原理意味着在这些小距离尺度上的变化必定很快速,因此,这个普朗克时间极短,只有
物理学家还能够推出预言的与典型的量子引力事件对应的能量。不确定原理告诉我们,在小到普朗克长度大小的区域内发生的事件必定是快速的因而有极高的能量。理论得出这个基本的普朗克能量大约等于10亿焦耳。在我们的日常世界中这个能量并不算大,只是8加仑(约一油箱)汽油的化学能。但是,这么多能量集中到一个亚微观尺度内却是一个极大的值。10亿焦耳能量按照质能等当关系相当于大约
普朗克长度、普朗克时间和普朗克能量合称普朗克尺度,它们是发生典型的量子引力现象的近似空间大小、时间间隔和能量值。
20世纪60年代,惠勒(图18.18)指出了自然界在普朗克尺度层级上的一个不同寻常的特性。他发现,在一个半径为普朗克长度的球内,以及在持续时间为普朗克时间的时间间隔内,大小如普朗克能量的能量涨落容易发生,而且,在一个如此微小的体积内有这么多的质量,会使时空弯曲得折叠起来形成黑洞,同宇宙的其余部分割裂开来。这个现象会把空间与时间割裂成小包,即时空本身的量子。因此,普朗克长度和普朗克时间是终归还有点物理意义的最小长度与最短时间间隔!
由于今天的高能加速器中产生的微观事件的能量远低于普朗克能量,要观察这样的现象是困难的。然而,实验和理论都指出一个明显的趋势:各种基本力之间的差别随着能量的增高而减小。例如,电弱力理论提出,能量增高时,力的强度会增大,直到弱力大致与电力的强度相同。在更高的能量下,电弱力的强度变得与强力相同。如果能量更进一步提高,达到普朗克能量那么,即使是通常情况下很微弱的微观粒子之间的引力,也会变得与别的基本力一样强。
下面解释为什么会这样。设想把两个质子推得越来越靠近。我们知道,在“正常的”微观间隔下,比如像一个原子的大小(
在那些研究量子引力的学者看来,所有的基本力的强度在普朗克尺度下大致相等的预言强烈暗示,这些力是一个单一的基础力的不同的侧面,这种统一在普朗克尺度下变得明显。
弦假说(一般叫做弦论,由于本书强调科学的认知过程,因此我宁愿用假说这个词而不用理论这个词以表明这些奇妙的想法仍然处于尝试性阶段,尚未得到观察的证实,并且是不完善的(因为有几个不同的弦论版本都是可能的)。正如本书强调的,理论这个词专门留给那些已经多次被观察直接验证的能够用于解释事物的想法,关于弦假说的更多内容,请查阅网页 www. www. superstringtheory. com. 'basic'.com要查找非技术性的讨论,请点击“basic超链接。)是一个优美的、大有希望的假说,它试图将广义相对论和量子论统一起来。尽管这个假说在25年的发展历程中还没有得到过任何直接的观察验证,它仍然是一个好的科学假说,因为它明确地提出了一些可检验的预言,这些预言很快就会得到检验,它与任何已知的结果不矛盾,并且能够解决一些基本问题。
弦假说的关键想法是,一个基本粒子(例如一个电子)并不是集中在一个无穷小的点上,而是一个处于特定振动状态的微小的环,就像一个无限纤细的橡皮圈。这些环就叫做弦。这种对点粒子模型的扩展,使粒子因此不再处于一点而是沿一个环分布,于是它对周围空间的影响就变平滑,平滑了图18.17中所示的涨落,从而足以符合广义相对论的要求。弦是细小的,事实上你会猜出,细得可以和普朗克距离相比较。从核或原子的尺度上看,弦是如此细小看起来与点粒子无法差别,这就是我们一直把它们想象成点粒子的原因。
弦除了能够在空间四处运动之外,还能够振动。这些振动是量子化的量子理论只允许某些特定的振动“模式”(振动型式、频率和能量。根据弦假说,每一种这样的振动模式就是一种不同的基本粒子:一个电子是一条以某种方式振动的弦,一个d夸克则是一条以另外一种方式振动的弦,一个光子又是另一种弦振动,如此等等。在所有外表的背后,基本粒子实际上是完全相同的:它们全都是完全相同的弦。它们不同的性质仅仅是因为它们不同的振动模式。这些振动模式中能量最低因而最稳定的模式是普通物质的粒子,即表18.1和表18.2中列出的第一代粒子和交换粒子。
这听来很妙,然而白璧有瑕美中不足只有在我们周围的空间不是3维而是10维的情况下,加上一个时间维度构成一个11维时空,弦才能消除困扰量子引力理论的矛盾。低于或高于10维的空间会引起逻辑上的矛盾。而在正好10维的空间中,一切东西都很完美。这看起来自然是怪诞的。我们都知道空间只有3维。另外7维到哪去了呢?
它真是这么怪诞吗?还记得,我们想要描写的量子引力效应只发生在很小的距离上。如果那7个额外的维度由于某种原因而很小(不管这可能意味什么),小到我们在正常活动中根本察觉不到它们的存在,那又会怎样呢?遵从这个建议,弦假说假定,另外7维在我们的3维空间的每一个点上紧紧地“卷了起来”为了帮助大家理解这个想法,下面作一个类比（这个类比及图18.17取自格林为非科学界人士和科学家写的一本优秀的科普书 The Elegaut Universe Superstrings Hidden Dimensionsand the Quest for the Ultimate Theory(New York: Norton&Co.,199)中译本宇宙的琴弦,湖南科学技术出版社）：想象某种1维的生物,显现在它们面前的整个宇宙是一条长直线,一个没有弯曲的“1维空间”,这些生物只能沿着这条直线前后运动。假设这些生物其实是生活在一条长长的直水管的2维弯曲表面上,但它们并不知晓,这条水管太细了,以至这种生物(它们的身体比水管的半径大很多很多)从来都不曾注意到第二维。如果有一个物理学家告诉它们说,它们的宇宙实际上是2维的,这第2维卷缩得如此紧密,以至在日常生活中根本感觉不到;告诉它们事实上它们正生活在一条细长的管状宇宙中,它那卷曲的维度如此细小,以至从来没有观察到,这些生物听到后也许会认为这是一个怪头。
一旦接受了广义相对论关于引力使空间弯曲的观念,弦假说关于7个卷缩的空间维的观念看起来就不那么怪诞了。卷曲起来的维度存在于我们这个3维空间的每一点上正像水管上那个卷曲的第二维存在于沿水管的每一点上,但是我们意识不到它们的存在,因为在我们正常的世界上的引力(唯一能直接检测空间的弯曲的力)不能探测如此小的间距。事实上,即使一个额外维度的尺寸大到1mm,也有可能迄今还未在实验上被探测到,因为要探测引力在这么小的距离上的变化是一件困难的事情。弦假说明确指出,弦(它确实能对这么短的距离上的引力变化做出回应)伸展在所有10个空间维上。这些完全相同的弦在卷曲的空间维度上有许多不同的卷曲方式和振动模式,使不同的弦具有截然不同的性质。
到底是什么原因使人们接受这样一个古怪的念头,特别是在缺乏任何真凭实据的情况下还接受这个念头?主要的原因是,如果科学想要把自然界的各种力和各种粒子统一到一个单一的理论中,就需要引力的量子理论,这个统一理论必须以某种方式把广义相对论和量子物理学调和起来。在经过几十年的探索后,弦假说是迄今找到的唯一的得到这种调和的假说（也提出过另外一个叫做“圈量子引力”的假说这个假说看来不存在无穷大问题,也不要求额外的维度。但是,为这种简单性所付的代价是,要求时空本身由可移动的环圈构成。）。
但是,理论应该能够预言尚未观察到的事情,或者至少应该能够对尚未得到解释的事情给出可信的解释。在需要做出“解释”的事情中,三代粒子(表18.1、表18.2)存在也许能够从7个卷曲维度的一般几何性质来解释。弦假说还提供了一个框架,用来预言每种粒子的质量和其他性质,例如为什么夸克所带的电荷为什么会像现在这样。不过,7个卷曲维度的几何学太复杂了,迄今为止还没有人做出过这样的预言。
在迄今尚未观察到的现象中,引力子被认为是弦的振动的基本型式之一。由于引力子是量子引力最普遍预期的特性,因此这个预言表明,引力已经成了弦假说的一个不可分割的部分。
最后,弦假说预言,除了标准模型中的粒子之外,还存在一组新粒子,叫做“超对称伙伴”粒子,标准模型的每一种粒子都有一个伙伴粒子。它们之所以叫做“超对称”伙伴粒子,原因是,如果标准模型粒子清单加上建议的伙伴粒子在实际上存在,那么在物质的“基元成分”粒子(电子、夸克等)和传递力的交换粒子(光子、W粒子等)之间就会呈现出一种漂亮的对称性。这种观念叫做“超对称性”,在许多理论中都能找、到。人们期望,用新一代高能加速器产生和观测这些超对称伙伴,在10年内就能证实(或者否定)这个观念。弦假说很自然地呈现出超对称性,因为人们发现弦的振动型式是成对发生的,每一对刚好具有正确的超对称性质。这个发现虽然并不能证实弦假说,但是它肯定会把这个假说置于更坚实的实验基础上。
如果我们真的找到了一个完备的理论,那么,总有一天其一般的原则应当是人人能够理解的,而不仅仅是少数科学家理解。那时,我们所有人…都能参加讨论,讨论为什么我们和宇宙存在。如果我们找到了这个问题的答案,那将是人类理性的最高胜利----因为那时我们就会了解上帝内心的想法了。---霍金,《时间简史》的结束语。
这就结束了我们在量子场论领域中的漫游,也为本书写上一个句号(但是还是得读一下后面的跋)。当我们考虑广义相对论、量子物理学、弦假说和本书中讨论的其他观念时,有一点是清楚的,那就是自然宇宙有多种的可能性,正如科学家兼哲学家霍尔丹所说的,“不仅比我们所设想的更古怪,而且比我们所能想象的还要古怪。”也许我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,这众多宇宙中的每一个都有自己的时空,具有不同的时空维数和不同的物理定律。也许,穿过众多不同的“时间”,无穷多个不同的宇宙生成了又消失了,它们共同构成了实在,这个实在根本不是发生在时间和空间之中,而是在某种意义上超越于时间和空间。
在一个这样的宇宙中,在一个叫做银河系的星系中,在一个叫做地球的行星上,读到这些文字的你和写下这些文字的我无可估量地幸运地活着,并且在心中怀有这些想法。也许,我们对这样一份厚礼的最好的回答就是简单的一声:谢谢。
概念检查签案
1.(b)、(d)、(e)。
2.400对的20%等于80对,或者160个粒子。不过由于量子不确定性,这只是近似值,答案是(a)。
3.四个选择都对。
4.(a)、(c)、（e)
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