大统一理论
上节的内容给我们讲述了有关弱力、强力和电磁力对距离的依赖关系。1974年,乔治和格拉肖提出了一个大胆的设想:这三种力随着距离和能量而变化,当能量达到极高时,它们会融合成一个统一的力,他们称这一理论为大统一理论(GUT)。如第7章的讨论,强力对称可以对调三种色夸克,而大统一力的对称会作用于所有类型的标准模型粒子,使它们可以对调。
根据乔治和格拉肖的大统一理论,在宇宙演变早期,温度极高,能量极大——温度要超过100亿亿亿K,能量超过1 000万亿GeV——除引力之外的三种力各自的强度都同样大,因此,这三种力便融为一体,统称为“力”。
随着宇宙的演变,温度逐渐降低,统一的力分裂成为三种各不相同的力。每种力对能量的依赖也不同,通过它们不同的能量依赖,渐渐演变为我们现在所知的三种力。尽管起初是一个统一的力,但在低能量上,由于虚粒子对它们产生的不同影响,它们就有了不同的作用强度。
这三种力就像由同一个受精卵发育形成的三胞胎,最终成长为三个性格各异的青年:其中一个可能留着染了色的朋克头;
一个留着水手样的小平头;而另一个则像艺术家一样扎着小辫子。但不管现在外形差异有多大,他们仍有着相同的DNA,小时候是很难让人分清彼此的。
宇宙发展早期,这三种力也是难以区分的。但它们最终由于对称的自发破缺而分裂。正如希格斯机制使弱电对称破缺,只留下电磁力没有改变一样,它也打破了大统一力的对称,留下了我们现在看到的三种各不相同的力。
在高能量上统一的作用强度是大统一理论的一个先决条件,这就意味着,能量函数所代表的不同作用强度的三条线,肯定会在某一个能量值上相交。但我们已经知道,除引力外的三种力,其强度是怎样随着能量发生变化的,而且,量子力学告诉我们,远距离就等于低能量,而短距离则意味着高能量[22],那么前几节的结果就可以以能量来理解。在低能量上,电磁力和弱力不如强力强大,但在高能量上,它们会增强,而强力则会减弱。
换种方式来说,除引力外的三种力的强度,到了高能量上更加和谐统一,它们甚至可能合并为一个统一的力。这就意味着,能量函数所代表的作用强度的三条线在高能量上会相交于一点。两条线相交于一点,没什么可兴奋的——彼此靠近时,它们必然会发生;但三条线相交于一点,要么是极端巧合,要么这种相交必然蕴涵某种深意。如果三种力真的相交,这一作用强度就可能表明,在高能量上只有一种力——这样,我们就有了一个统一的力。
尽管统一至今仍只是一种设想,但如果能够实现,对于我们更为简洁地描述世界必然会迈出巨大的一步。由于统一原理饶有趣味,物理学家研究了三种力在高能量上的强度,看它们究竟是否能够融合。1974年之前,没有人能够精确测得引力之外三种力的作用强度,霍华德·乔治、斯蒂芬·温伯格和海伦·奎因(Helen Quinn,当时还是哈佛大学的一位博士后,现在是斯坦福线形加速器中心的物理学家,并任美国物理学会主席)利用当时所能达到的并不完善的测量,使用重整化群计算推算了高能量上的力的强度,他们发现,代表引力之外的力的三条线似乎真的会在某一点相交。
1974年,在乔治-格拉肖有关大统一理论的著名论文里,开篇是这样的:“我们提出的一系列假设和推想,最终不可避免地会得出一个结论……所有作用于基本粒子的力(强力、弱力、电磁力)都是有着同一强度的、同一基本作用的不同表现。也许我们的假设未必正确,推想没有意义,但我们的理论设计独特、结构简洁,这足以引起人们的重视。”这些语言如此谦虚低调,是因为乔治和格拉肖并不真的认为独特和简洁能成为他们的理论对世界作出正确描述的充足证据,他们还希望得到实验证实。
尽管由标准模型推想超出10万亿倍的能量,需要有巨大的信心,这一能量从没有人直接探索过,但他们意识到,他们的推测会产生可验证的结果。在论文中,乔治和格拉肖解释了他们的大统一理论“预言质子会产生衰变”,而这一预言可以尝试由实验来验证。
乔治和格拉肖的统一理论预言:质子不会永远存在,经过很长一段时间后,它们会产生衰变。在标准模型里,这是不会发生的:夸克和轻子根据它们经受的力,总是能被区分开来;但在大统一理论里,力从根本上都是一样的,因此,就如上夸克通过弱力会变成下夸克一样,通过一个统一的力,夸克也能够变成一个轻子。这就意味着,如果大统一观点正确,宇宙中夸克的净数量不会保持不变,夸克可以转化成轻子,使得质子(由三个夸克合成)产生衰变。
因为在一个联结了夸克和轻子的大统一理论里,质子会产生衰变,所以,我们熟知的所有物质最终都是不稳定的。但是,质子的衰变速度相当缓慢——其寿命会远远超过宇宙的年龄。这意味着质子衰变的迹象无论有多明显,我们几乎还是没有机会能够探测到它:它的发生频率实在是太低了。
为了找到质子衰变的证据,物理学家不得不建立一些持续时间极长的大型实验来研究大量的质子,通过这种方式,即便一个质子不大可能产生衰变,但用大量的质子,便能大大地增加探测到其中某个产生衰变的机会。即使我们赢得彩票的可能性极小,但如果我们买大量彩票,中奖机会就会大大增加。
物理学家真的建立起了这样一些多质子的大型实验室,其中包括欧文-密歇根-布鲁克黑文(IMB)实验室,位于南达科他州的一个地下盐矿里;神冈实验室,位于日本神冈,水槽和探测仪都深藏于地下1 000米的废矿井里。虽然质子衰变过程极少发生,但是,如果乔治-格拉肖大统一理论正确,这些实验早就能发现证据了。不幸的是,这一宏大的抱负终未实现,还没有人发现这样的衰变。
这并不一定排除统一的可能。事实上,幸亏有更为精确的力的测量,我们现在知道,由乔治和格拉肖提出的最初模型几乎肯定是错误的,而只有标准模型的一个延伸版本才可能将力统一起来。结果,在这些模型里质子的寿命甚至更长,质子衰变不可能被探测到。
现在,我们并不确信力的统一是否是自然界的一个真实特征。如果是,它又有什么意义呢?计算表明,在后面将讨论的模型里,有好几个都会发生力的统一,其中包括超对称模型,霍扎瓦-威滕额外维度模型,以及我和拉曼·桑卓姆创建的弯曲额外维度的模型。额外维度模型尤其引入入胜,因为它有可能将引力也兼并进来,真正实现四种已知力的统一。这些模型之所以重要,还因为最初的统一模型认为,在弱力级别之上不会再发现新的粒子,而只有具有大统一质量的粒子,[23]而另外这些模型则显示,即便在弱力能量级别之上产生许多新粒子,统一仍旧可能发生。
但是,无论力的统一有多么神奇,物理学家还是因其理论贡献分为两大阵营:有的喜欢自上而下的研究方式,有的选择自下而上。大统一理论的观点体现了自上而下的方法,乔治和格拉肖作出一个大胆的假设:在1000~1000万亿GeV之间不存在有质量的粒子,并在此假设之上推想出一个理论。在粒子物理界,大统一是争议的第一步,而弦理论的争议至今一直在持续,两种理论都是由测得能量的物理定律去推想至少超出1 000万亿倍的能量。乔治和格拉肖后来开始怀疑弦理论和大统一理论所体现的自上而下的方法,此后,他们转变观念,扭转方向,开始专注于低能物理的研究。
尽管大统一理论有一些吸引人的特征,但我并不确信它们的研究最终形成对自然的正确认识。在我们已知的能量和推想的能量之间存在着一条巨大的鸿沟,这中间究竟会发生什么,有太多可能供我们想象。无论哪种情形,除非我们发现质子衰变(或其他一些预言)——如果它存在,否则我们都不可能确定力在高能量上是否真的会统一起来。在此之前,这一理论只能是一个伟大的理论设想。
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