新物理学的大统一理论

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   新物理学的大统一理论
对统一的探索所遇到的复杂性比几十年前任何人想像的都要大,不仅有四种普遍存在的力,而且还有大约 300 多种“基本”粒子——还不包括被认为是各种基本粒子的基本组成部分的夸克。
从本世纪初以来,每年都越来越详细地揭示出原子的内部结构,而且使得关于原子和亚原子的理论越来越复杂。原子本身是在 19 世纪末被分裂出来的,人们因此知道了占据它的能量壳层的是电子,但没有人知道后来会出现多少不同的粒子。有关的发现随着粒子加速器的发展而来,随着每一台比以前更强大的新加速器投入使用,一系列新粒子在碰撞中出现了。
20  年代,人们只知道三种亚原子粒子:光子、电子和质子。E·卢瑟福当时指出,在原子核中必定还有其他粒子,它叫做中子。当实验证实了这种粒子的存在时,基本粒子的目录已经开始扩大。1930 年,在一次旨在解释某些令人困惑的有关放射性原子核衰变方式的实验的理论论证中,W·泡利提出了存在中微子的假设,25 年后,中微子的存在得到了实验的证实。
由于量子理论的出现,人们尽管已经比较了解原子的电子外壳,但原子核依然还是一个谜。是什么力在维持它的稳定性呢?日本物理学家汤川秀树认为还有一种新的基本粒子,因为根据预测,它的质量介于质子和电子之间,所以它被叫做介子。汤川假设,质子和中子不断地交换介子,而使原子核保持稳定的正是这种交换。
但是当实验者们开始寻找介子时,他们发现的不是一个粒子,而是一个粒子家族,其中包括μ介子和π介子。由于建造了更大的粒子加速器,同时还由于物理学家们利用火箭来寻找包括来自地球大气层以外的宇宙线在内的核碰撞的证据,基本粒子的一个新系列出现了。其中有些粒子的发现与具体理论所作的预言恰好相符,而另外一些粒子的发现则完全出乎人们的意料,有些粒子能存在很久,而其他粒子几乎在产生出来的同时就消失。
第一批基本粒子 (如电子、质子、中子和早期的介子)的出现是意料之中的,和当时流行的原子理论完全吻合。当物理学家们把实验进行到越来越高的能量层次时,观察到的结果和理论就不再相符。例如,尽管
理论预测某些交换粒子只能“存活”转瞬即逝的 10-23s,在这段时间里光线几乎通不过一个基本粒子的宽度,但实验显示这些粒子存在了整整 10-10s,这段时间长到足以让光线穿过一个房间。因为这些粒子持续的时间是预料中的十万亿倍,并且总是成对地出现,所以物理学家们把它们命名为“奇异粒子”,它们是最早一批来到粒子动物园的粒子。 为了在这个粒子动物园的外来移民中建立秩序,M·盖尔曼建议按照独特的“八重”法对粒子进行归类。这一归类法预先假定,粒子由盖尔曼称之为“夸克”的更基本的实体组成。一开始,人们想像有三种不同的夸克:即μ (上)夸克,d (下)夸克和 S (奇异)夸克。质子由两个 d 夸克和一个μ夸克组成,而交换粒子除此之外还有一个 S 夸克,这样就解决了粒子分类中的一个困难问题。尽管轻子 (像电子这样的小质量粒子)具有一个相干的“对称群”,但强子 (像质子和中子这样的重粒子)则没有。然而,如果每个强子由三个夸克组成,那么强子家族也可以根据夸克的组合进行整合。最终,随着更多的粒子涌现出来,三个夸克已经不够了,夸克家族增添到了六个成员。
把大规模的粒子阵整理进相干对称群是一项重大成就,但真正的统一还要求粒子所代表的各种力必须统一。在近几年里,普遍存在的力的统一范围和一致性成了努力探索大统一理论和超大统一理论的试金石。
需要统一的力是通常得到公认的四种普遍存在的力:引力,电磁力,核的弱相互作用力和强相互作用力。半个世纪以前,当核力还未得到确认时,爱因斯坦就已经试图通过证明引力和电磁力的统一来建立统一场论。新物理学接受统一场论的挑战,力求把四种普遍存在的力统一在叫做“超大统一”场的单一连续统内。
统一基于以下思想:基本粒子是嵌在这种连续力场中的量子,在一个特定点上的场强表示在该区域内找到量子的统计概率。从某种意义上讲,粒子是由场强的变化产生的。物理宇宙是根据服从相对论和量子力学规律的场进行描述的,质子、电子、中子和整个粒子动物园都只是场的量子动力学的结果。这种革命性的概念已经导致了物理学重点的深刻转变——从粒子实体到把它们嵌进其中的动力学事件的总体。S·温伯格毫不犹豫地断言,宇宙的构成物是场;粒子被降到了副现象的地位。量子场论的基础在 20 世纪 20 年代和 30 年代就已经由约当、魏格纳、狄拉克、玻恩、泡利、费米、海森堡以及其他开拓者们建立起来。这种理论的成熟形式被称之为量子电动力学,它诞生于 40 年代,它的预言在 20 世纪中期所进行的高能实验中得到了引人注目的证实。由于物理学家成功地运用场的概念解释了各种根本不同的过程,因而导致了标志着统一自然界物理力各个不同阶段的其他量子场理论的建立。
第一个突破是弱核力与电磁力得到了统一。理论物理学家 S·谢尔登、S·温伯格和 A·萨拉姆已经证明,这两种不同的力是作为单一的“弱电力”的两种形态出现的。现在人们相信,在宇宙的早期时刻,弱核力和电磁力之间没有明显区别,但由于宇宙中开始出现结构,这种完美的对称就出现了破裂并分化为两种形态——长程的电磁力和短程的弱核力。

 
 

引自 M·盖尔曼《重子和介子的简易模式》,载《物理学通讯》第八卷,第 3 期,1964 年。 对强核力的更深刻的理解可以影响更深层次的统一。在夸克出现之前,人们假定中介力粒子 (介子)连续不断地在强子之间进行交换,而正是这种交换产生了强核力现象。然而,随着强子的夸克理论的出现,就有必要假设夸克本身之间有一种力,结果表明,这种力在数学上完全可以用类似于论述电磁力的方式进行讨论。尽管夸克之间的力还没有与弱电力统一,但其表面现象非常类似。通过与量子电动力学的类比,实现了这种统一的理论叫做量子色动力学。
大统一的第一个阶段是提出一个把强电力和弱核力以及组成宇宙物质的轻子和强子都包括在内的综合理论,下一个阶段可以把这种理论扩大到把引力也包括在内。强核力已经可以用叫做胶子的新粒子来表示,而弱电力则是光子、W 粒子和乙粒子的产物,如增加引力就需要一种叫做引力子的新的力的量子。
引力场的量子化遇到了理论上的困难。爱因斯坦的引力理论是一种关于时空几何的理论——但几何的量子化意味着什么呢?此外,没有证据表明引力子确实存在,而且根据引力子所进行的计算导致了无穷的结果。有关引力的量子理论需要一种与量子场论的早期尝试不同的研究方法,我们不得不求助于所谓的新“规范对称性”,这种对称性具有更为深奥的形式。
突破是随着在数学上详细阐述所谓的超对称性而来的,与它结合在一起的量子场论变成了“量子超引力”理论。
量子超引力统一了先前属于不同类型的粒子:费米子和玻色子。虽然费米子本身与强子和轻子一样,可以归入粒子家族,而这些粒子家族又相互关联,但物理学家总是假定费米子和玻色子是绝对分开的——前者毕竟是“物质”,而后者则是“力”。但有些理论家利用超对称性的数学手段提供了一种把它们结合在一起的方法,利用“超空间”,就有可能把玻色子和费米子联系起来,因为在这种更高维的空间中,一方能够“反射到”另一方中去。问题是,还没有任何已知的玻色子能实际上像超对称镜像那样起作用,反过来也一样。只有通过引进一种全新的粒子体系,费米子和玻色子才能相互联系起来:因为每一个已知的玻色子和每一个已知的费米子都必须是一个新的超对称伙伴。结果表明,超对称伙伴的质量必须大于它们的相对镜像,而且,因为产生大质量粒子需要很高的能量,所以现有的基本粒子加速器不可能提供可以观察到这种粒子的条件。
基本粒子的数目一下子增加了一倍,而且,通过把理论渗透到超越实验证实的只以一致性和连贯性作为有效性标准的数学领域中,便能使它们达到统一。
无论如何,超对称性粒子已经克服了统一引力和弱电力的主要障碍。正如光子具有叫做光微子的镜像伙伴,夸克具有叫做奇异夸克的镜像一样,费米子“引力微子”也可以添加到通常的“引力子”上,这就使得理论家可以假设一种叫做“超引力”的统一力。 不过,即使最成熟的超对称性理论也不是没有问题的,不仅它所预言的许多新粒子一个都没有被观察到 (尽管有些物理学家相信,在电子和正电子或质子和反质子的高能碰撞中一定可以发现光微子),而且还有另一件意想不到的事:它需要 11 维才能成立。爱因斯坦的革命性创新是把第四维 (时间维)加到人们所熟悉的三维空间上,但与在现存的四维时空上再加上 7 维的建议相比,其复杂性就显得有些黯然失色了。
物理学家们继续工作,运用复杂的数学来“简化”超空间的另外 7 维,以便使超对称理论同相对论的四维时空一致起来。有人假设,另外的 7 维可能存在,但它们是被“卷起来”的,所以它的效应即使在基本粒子的尺度上也显示不出来。但很快就可看出,这种努力注定要失败:如果不压缩剩下的四维,并把这种理论的明显结果降到零维,那么就没有什么办法减少 11 维中的 7 维。
有一段时间,大统一理论的事业似乎不得不被放弃,但当时年青一代的物理学家们提出了另一种比先前的任何事物都更难理解的想法。J·谢尔克 (JoeScherk)提出,粒子根本不是微粒,而是在空间自旋和振动的弦,物理世界所有已知的现象都可以由这些振动的不同组合构成,这与一首乐曲是由乐器弦的不同振动构成非常类似。
转动和振动的弦可以作为我们理解自然的基础,这种想法可以追溯到本世纪 60 年代。那时,G·维内齐亚诺 (Gabriel Veneziano)曾经提出,当基本粒子按它们的质量顺序排列时,它们就形成一种与音调或共鸣形成的曲调相类似的格局。后来其他物理学家受到这种想法的启发——共鸣可以由极微小的物体,即有点象粒子大小的振动的弦产生。
谢尔克的弦理论证明同盖尔曼的夸克理论是一致的,这种新理论解释了为什么在自然界中观察不到夸克:与盖尔曼所提出的理由相同,弦决不可能只具有一个单一的末端。当弦的两端被分开,就会产生新的两端;同样当强子破裂时,出现的不是单个的夸克,而是新的成对的夸克。
1976 年,谢尔克、F·格利奥兹(Ferdinando
Gliozzi)和 D·奥利夫(David Olive)证明,可以把超引力引入弦理论中,使它成为“超弦理论”,这里,粒子—弦在高维超空间中振动。但是超弦理论到 80 年代才真正取得胜利,当时超对称理论似乎已被简化问题难倒,但 J·施瓦茨 (John Schwartz)和 M·格林
(MichaelGreen)已能证明,10 维超弦理论完全适用于四维时空,它没有遇到过先前的那些简化问题。新的超弦小于原先理论中的弦:其普朗克长度估计为 10-33cm,而不是比基本粒子大得多。
超弦理论仍然有一些问题,而且甚至它的基本概念也没有被物理学界

 
 

       关于超弦理论发展的总的看法,见 B·帕克《探索一种新理论:从原子到超弦》,纽约,普伦姆出版社, 1987 年。 的所有成员普遍接受。不过,可以实现大统一的信心已经增长,几乎很少有研究粒子和场的物理学家会怀疑,总有一天宇宙中所有的力和粒子都会统一在一种理论中,这种理论可能比迄今为人类所思考的几乎任何事物都更抽象,更深奥。

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