粒子物理的等级问题
上一节里我们看到了一个很大的谜团:大统一理论的等级问题。而真正的等级问题更糟:尽管是大统一理论首先惊醒物理学家意识到了等级问题,但即使在没有GUT质量的粒子理论中,虚粒子仍会对希格斯粒子质量引发过大的贡献,甚至连标准模型都值得怀疑。
问题在于,将标准模型与引力结合起来的理论会包含两个差别极大的能量尺度:
一个是弱力能标,即250GeV,在此能量上,弱电对称破缺。当粒子能量在此标度之下时,弱电对称破缺的效果是很明显的,弱规范玻色子和基本粒子都有质量。
另一能量是普朗克能量,高达10¹⁹GeV,比弱力能标大10¹⁶倍,即1亿亿倍。普朗克能量决定了引力作用的强度:牛顿定律说,强度与其能量的平方成反比。因为引力强度很小,普朗克质量(由E=mc2与普朗克能量相联)就会很大,巨大的普朗克质量就等同于极其微弱的引力。
到现在为止,普朗克质量还没有进入我们粒子物理的讨论。因为引力太微弱,对大多数的粒子物理计算,它都可以忽略不计。但这正是粒子物理一直想要回答的问题:为什么引力如此微弱,以致在粒子物理计算里都可以忽略?等级问题换一种方法来问就是:为什么普朗克质量如此巨大?与粒子物理尺度相关的质量都不超过几百GeV,为什么普朗克质量却要大出1亿亿倍?
为方便比较,你可以想象两个低质量的粒子,如两个电子间的引力作用。这种引力吸引相比两个电子之间的互相排斥要弱1万亿亿亿亿亿倍,只有当电子的质量比实际再重100万亿亿倍时,这两种力才有可比性。而这是一个巨大的数字——就好比要把整个可见宇宙都盛满曼哈顿岛,你所需要的岛的数量。
普朗克质量要远远大于电子以及我们知道的其他粒子的质量,这表明引力比其他的已知力要微弱许多。但为什么在力的强度之间会有这么巨大的差异——或者,换句话说,为什么普朗克质量相比其他已知粒子的质量会是这么巨大?
对粒子物理学家来说,普朗克质量与弱力质量之间的巨大差异达到1亿亿倍,这真的让人难以接受。这一数字,比从宇宙大爆炸起到现在经过的分钟数都要大;若在地球和太阳之间摆满玻璃球,它是所需玻璃球数量的1 000倍;如果用硬币来核算美国财政赤字,它要100倍于这些硬币的数量!为什么描述同一物理系统的两个质量会有如此巨大的差异?
如果你不是物理学家,无论这些数字大得有多离奇,你可能也感觉不到这一问题本身有多重要,毕竟,并不是所有事情都是我们能够解释的,也许这两个质量的差异我们也找不出什么原因。但是,实际情况更糟:不能解释的不仅仅是巨大的质量比例问题,我们在下一节会看到,在量子场论里,所有与希格斯粒子发生相互作用的粒子都会参与一个虚过程,使希格斯粒子质量的值增大到普朗克质量,高达10¹⁹GeV。
事实上,任何一个诚实的物理学家,假设他知道引力的强度,而对弱力规范玻色子已测得的质量一无所知,如果你请他用量子场论来估算希格斯粒子的质量,他预言的希格斯粒子质量(由此也得出弱规范玻色子质量)也不会大出1亿亿倍。这就是说,他会由计算得出结论,普朗克质量与希格斯质量(或者说由希格斯粒子质量来确定的弱力级质量)之比更接近于1,而不是1亿亿!他所计算的弱力质量会接近于普朗克质量,这样,所有的粒子都将变成黑洞,而我们了解的粒子物理也将不复存在。尽管无论对弱力质量还是普朗克质量的数值,他都没有先验的预期,但他可以用量子场论估算二者的比值——而他必会大错特错。显然,这里存在着一个巨大的差别,下一章我们就解释其原因。
本书评论