大维度和等级问题
可能存在大额外维度是一个重要发现。但是,ADD研究大额外维度不仅仅是为了探索抽象的可能性,他们真正的兴趣在于粒子物理,尤其是等级问题。
正如我在第12章解释过的,等级问题是弱力级质量和普朗克级质量之间的庞大比值,这是与粒子物理和引力相联的两个质量。一直以来,让物理学家感到迷惑的主要问题是,弱力级质量为什么这么微小?对希格斯粒子质量的庞大虚贡献(达到了普朗克级质量)本应该让它变得很大的。在额外维度进入物理学家的思考之前,所有试图解决等级问题的尝试都围绕着改善标准模型展开,希望找到一个更为全面的粒子物理的基本理论,以解释为什么弱力级质量相比普朗克级质量要小这么多。
可等级问题涉及的是两个数字之间的庞大差异,问题的症结是普朗克标度与弱力标度为什么相差这么大。因此,等级问题还可以换成另外一种说法:为什么普朗克质量标度这么大,而弱力质量标度这么小——这也等于说,基本粒子之间的引力强度为什么这么小?这样,等级问题引出一个问题:是不是引力而非粒子物理,与物理学家原本设想的有所不同?
顺着这一思路推理下来,
ADD
提出:试图通过延伸标准模型来解决等级问题实际是误入歧途。依据他们的发现,如果额外维度足够大,同样能够很好地解决问题。他们提出,决定引力强度的基本质量尺度不是普朗克质量,而是一个小许多的质量标度,接近于1 TeV。
然而,ADD仍留下引力为什么会这么微弱的问题。毕竟,普朗克级质量如此之大的原因是引力非常微弱——引力强度与这一标度成反比。更小的引力基本质量尺度会使引力作用的强度更大。这一问题并非不可逾越,ADD指出,只有高维引力才必须是强烈的。
他们认为,大额外维度会以某种方式削弱引力强度,使得引力即使在高维很强,但在低维有效理论里会变得很微弱。
在他们的图景里,引力在我们看来之所以这么微弱,是因为它在一个很大的额外维度空间里分散了。而电磁力、强力、弱力仍旧很强,是因为这些力被局限在膜上,根本不会被分散。因此,大维度和一个膜就能解释为什么引力要比其他力微弱许多。
尼玛告诉我,当他和合作伙伴明白了高维引力和低维引力强度之间的确切关系时,他们的研究出现了转折。这一关系并非新的发现,例如,弦理论家一直用它把四维引力标度与十维引力标度联系起来。正如我在第16章简要介绍的,霍扎瓦和威滕在发现引力可与其他力统一时,就用过十维和十一维引力强度之间的关系:一个大的第十一维允许高维引力标度(从而弦的标度)与大统一标度一样低。但在此之前,从没有人意识到只要额外维度大到足以恰当地削弱引力,高维引力就可能足够强大来解决等级问题。尼玛、萨瓦斯和吉亚在研究额外维度一段时间后,知道了该怎样将高维和低维引力联系起来,也明白了其中的非凡意义。
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