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家园 【25个科学问题征文】物理定律能否统一

物理定律能否统一

作者:Charles Seife [1]

物理学最美妙之处就在于揭示了隐藏在大自然复杂表象下的简单规律。正如,麦克斯韦尔方程组仅仅包含了四个简单基本的方程式,却可以统一描述似乎毫不相干,错综复杂的所有电、磁现象。这些等式非常优美:他们具有令人称奇的对称性,在令人炫目的符号的舞蹈中他们翩翩起舞交相呼应。就像莎士比亚的诗歌给诗人带来的感受,这四个等式对于物理学家来说是典雅的,完整的,完善的。

粒子物理的标准模型是一部未被发掘完全的诗篇。大多数段落已经被发现,尽管不很完整,但它仍可以称得上是物理学这部文集中最引人注目的篇章。它以极高精度正确描述了所有已知的粒子,也包括所有亚原子粒子诸如夸克和轻子的行为,及各种粒子之间的相互作用力。第一种力是电磁力[2],它描述了带电荷的粒子(例如电子和夸克)之间的相互作用;第二种力称为弱核力[3],它制约着放射性现象,可以用来解释粒子是如何转化的;第三种力是强力[4],它将夸克束缚在一起形成了质子和其他的复合粒子。但正像我们所作的比方,标准模型这部诗篇仍然是支离破碎的,遗失了用于描述引力的那部分片断。然而,就像人们在草纸碎片中发现的莎孚作品中的几条亮线一样,正是这些遗失的美丽的碎片暗示着某种更伟大的东西[5]。

标准模型之美在于她的对称性。数学家是用称作李群的数学语言来描述她的对称性。纯粹从数学上看待标准模型的特性的话,她可以用数学语言表示成SU(3) SU(2) U(1).每一符号可以单独表达了某一种对称性,但整体的对称性被破坏了。每一种作用力的行为彼此间稍稍有些差异,因此我们(在数学上)用不同的对称性对其进行描述。[6]

但是这些差异很可能仅仅是表象的。比如说,电磁力和弱核力的行为通常看起来大相径庭,但是在上世纪六十年代,物理学家们发现在高温下,这两种力实现了“统一”。很明显,这表明电磁力与弱核力实际上是同一种东西,就像冰和水被加热以后会变成同一种物质一样。这个成果增添了物理学家信心,他们希望也能将强力与其他两种作用力统一起来。这个大统一理论可以使用具有单一对称性的SU(5)作为其数学基础。

一个大统一理论应该能够提供可观测的推论。例如,如果强力真的与电弱力(电磁力与弱核力统一后的新名词),那么质子可能就不是稳定的。在漫长的时间间隔内,他们应该慢慢衰变。目前为止,尽管很多科学家对这个问题进行研究,但没有人观测到质子的衰变;同时也没有人发现任何新的粒子,而这些粒子是通过标准模型中具有的超对称性可以推算出来的。最让人丧气的是,即便大统一理论本身也不是一个完全的理论,只要它忽略了引力[7]。

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图片:基本作用力。将所有四种基本作用力统一起来的理论仍然没有建立起来。

引力是最麻烦的力。描述引力的理论是广义相对论。在广义相对论中,时间和空间被假定是光滑连续的,但是在更基本的研究亚原子粒子及其力行为的量子力学中,他们必须是非连续的,跳跃式的。引力于量子理论产生巨大的矛盾,目前没有任何人能够提出令人信服的方法进而建立一个单一的理论,以便使用单一的理论就可以统一的描述所有的粒子,强力和电弱力,以及引力。不过,物理学家在这个方向上也取得了一些进展。目前来看,或许超弦论是最有希望获得成功的。

超弦论[8]有很多追随者,因为它提供了很好的数学手段,可以将所有东西统一在一个具有单一对成性的理论之中。例如,超弦论的一个分支--SO(32)就可以做到这一点,但是这个理论需要宇宙具有10或者11个维度,并且假定了很多未被检测到的粒子,以及预言了很多可能从来都无法证实的现象。有很多种大统一理论,他们中可能只有一种是正确的,但是很可能科学家永远没有办法去证实他。也有可能,没准这个统一所有基本力及粒子的想法本身就是愚不可及。

现在,物理学家们继续在寻找质子衰变的证据;同时也通过埋藏在地下深处的实验设备和安装在瑞士日内瓦的强子对撞机内寻找那些具有超对称性的粒子。强子对撞机可以在2007年投付使用。科学家们相信可以通过强子对撞机找到西格斯玻色子存在的证据。而这种粒子与粒子的物理模型中基本的对称性有密切的关系。物理学家们希望,有朝一日他们能够完成这首诗歌,将大自然的令人敬畏的对称性装裱起来封装在人类知识的宝库中。

[1]作者本人现在是科学杂志(Science)的物理学专栏作家。他本科毕业于普林斯顿大学,然后从耶鲁大学获得数学系硕士学位,后来在哥伦比亚大学学习新闻学,获得另一个硕士学位。其写过两本科普书籍,同时又多篇科普短文发表在科学杂志(Science)及其他科普期刊杂志上。

[2]电磁力作用于带电荷的粒子(例如电子和夸克)之间,但不和不带电荷的粒子(例如引力子)相互作用。它比引力强得多:两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿(在1后面有42个0)倍。然而,共有两种电荷――正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的,而异种电荷则互相吸引。一个大的物体,譬如地球或太阳,包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了,因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而,电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转,正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且,这儿所交换的光子是虚粒子。但是,电子从一个允许轨道改变到另一个离核更近的允许轨道时,以发射出实光子的形式释放能量――如果其波长刚好,则为肉眼可以观察到的可见光,或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。同样,如果一个光子和原子相碰撞,可将电子从离核较近的允许轨道移动到较远的轨道。这样光子的能量被消耗殆尽,也就是被吸收了。

[节选与霍金所著《时间简史》]

[3]弱核力制约着放射性现象,并只作用于自旋为1/2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯?萨拉姆和哈佛的史蒂芬?温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后,弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动,可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格――萨拉姆理论认为,除了光子,还存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子,它们携带弱力。它们叫W+(W正)、W-(W负)和Z0(Z零),每一个具有大约100吉电子伏的质量(1吉电子伏为10亿电子伏)。上述理论展现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下一些看起来完全不同的粒子,事实上只是同一类型粒子的不同状态。在高能量下所有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下(当这轮子转得很快时),这球的行为基本上只有一个方式――即不断地滚动着;但是当轮子慢下来时,球的能量就减少了,最终球就陷到轮子上的37个槽中的一个里面去。换言之,在低能下球可以存在于37个不同的状态。如果由于某种原因,我们只能在低能下观察球,我们就会认为存在37种不同类型的球!

[节选与霍金所著《时间简史》]

[4]强作用力将质子和中子中的夸克束缚在一起,并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为,称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质:它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色(红、绿或蓝),人们不能得到单独的夸克。反之,一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起(红+绿+蓝=白)。这样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对(红+反红,或绿+反绿,或蓝+反蓝=白)。这样的结合构成称为介子的粒子。介子是不稳定的,因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子。类似地,由于胶子也有颜色,色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子。相反地,人们所能得到的胶子的团,其迭加起来的颜色必须是白的。这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。

[节选与霍金所著《时间简史》]

[5]古希腊女诗人。她在列士波斯岛(Lesbos)建立了一个女子学府。当时,在女子教育方面,

列士波斯岛远比雅典城进步。莎孚的诗相当出名,被人们誉为“第10缪斯”。她有许多的诗是表现对女性的热恋和爱慕的。Lesbian在英文中现在用来形容女同性恋者,该词正是来源于列士波斯岛(Lesbos)女诗人莎孚(Sappho)的同性恋传说。

[6]这段描述有点生硬。个人觉得科普文章没必要向读者讲述数学细节,比如说文中提到的李群,不是学理论物理或者相关数学专业的很难明白是怎么回儿事儿,讲多了反倒让大家晕糊,去掉这段似乎对全文的完整性并无破坏。不过,可能作者是数学专业毕业的,对数学更加得心应手,所以作者加了这段。个人感觉,群论对大多数人来说,不啻于天书一般。

[7]引力是万有的,也就是说,每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱,以致于若不是它具有两个特别的性质,我们根本就不可能注意到它。这就是,它会作用到非常大的距离去,并且总是吸引的。这表明,在像地球和太阳这样两个巨大的物体中,所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的,或者时而吸引时而排斥,所以它们倾向于互相抵消。以量子力学的方法来研究引力场,人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身没有质量,所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的,它们确实产生了可测量的效应――它们使地球绕着太阳公转!实引力构成了经典物理学家称之为引力波的东西,它是如此之弱――并且要探测到它是如此之困难,以致于还从来未被观测到过。[节选与霍金所著《时间简史》]

[8]推荐对超弦论感兴趣的网友阅读李淼所著《弦论通俗演义》

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