爱因斯坦的未竟之梦，物理学“大统一理论”简史（下）

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2017-06-08 09:36

正文

作者：LAWRENCE M. KRAUSS

翻译：山寺小沙弥

审校：帅姜凡学长

质子没有发生衰变，这很令人失望，然而这并不完全地出乎意料，物理学家们也考虑到了这种情况。自从大统一理论提出以来，人们对于如何描绘物理这张“图画”的看法已经发生了轻微的改变。通过复杂的计算我们可以计算出当距离发生变化时，相互作用力的变化，这样我们就能更精确的测量三种非引力形式的相互作用力，从而证明，如果标准模型是自然界唯一的可能性，它所描述的粒子是唯一可能存在的粒子，那么这三种相互作用力不可能在某种单一的尺度上统一。为了实现大统一，在某一能量尺度上必须存在着迄今为止我们仍未观察到的新粒子。新粒子不仅会改变三种相互作用力统一时的能量尺度，而且它也会提升大一统理论的尺度范围并减缓质子的衰变速度，也就是说，使得质子的寿命长达10³³年。

超级对撞机局部图绘图：Maximilien Brice

伴随着这些理论的发展，理论物理学家们通过新的数学工具探索一种可能存在的新对称性，即超对称性。这种基础对称性和以往我们所认识的所有对称性不同，它可以连接宇宙中两种不同类型的粒子——费米子（自旋为半整数）、玻色子（自旋为整数）。如果这种对称性是存在的，那么对于标准模型中的已知粒子，都会存在着与之相对应的新的基本粒子。例如，对于每一个已知的玻色子，必定存在着新的费米子；对于每一个已知的费米子，必定存在着新的玻色子。

既然我们没有观测到这种粒子，这说明新的对称性在我们体验的世界里无法显现出来，且这种对称性一定发生了破缺，这意味着这些新的粒子具有足够大的质量，以至于在迄今为止搭建的加速器中都无法观测到它们。

新的对称性可以使宇宙中的基本粒子数量翻倍，但我们并没有发现任何新的粒子可以证实它，那么这样的对称性为何仍然如此吸引人呢？在很大程度上，这样吸引人的性质隐藏在大统一理论的事实中。如果大统一理论的能量尺度比质子的静止能量高15~16个数量级，同时它也比电弱相互作用对称性破缺的能量尺度高出13个数量级，那么最大的问题就会是，为什么宇宙中会存在能量尺度差别这么大的基本规律？

LHC运行了三年，但没有任何超对称性出现。

这个问题比它表面上看起来的要严重得多。当我们考虑虚拟粒子的影响时（从其出现到消失的时间间隔太短以至于只能通过其他途径间接的探测到它们），包括任意一个质量大的粒子，如大统一理论假定存在的规范玻色子，这些粒子会提升希格斯粒子的质量以及对称性破缺时的能量尺度，从而使得它们接近大统一理论的能量尺度。这会产生一个“不自然”的问题，在技术上，电弱相互作用被希格斯粒子引起破缺的能量尺度与大统一理论被新引入的场引发破缺的能量尺度相差如此之大是非常“不自然”的。

物理学家萨特延德拉·纳特·玻色

1981年，数学物理学家爱德华·维滕在他的论文中提到，对称性有一个特殊的性质。这个性质可以在我们能探测的尺度上，减小任意高质量、高能量的粒子对这个世界的影响。

由于虚拟费米子和相同质量的虚拟玻色子产生的量子修正除了符号相反以外，其他都是相同的, 如果每个玻色子都与之对应着一个相等质量的费米子, 那么虚拟粒子的量子效应将会被完全抵消掉。这意味着, 任意高质量和能量的虚拟粒子，对宇宙（在我们可测量的尺度上的）物理性质的影响可以完全被抵消。

物理学家恩里科·费米

然而，如果超对称性本身就是破缺的，那么量子修正就不会被抵消，相反，它们会对与超对称性破缺尺度相当的粒子的质量产生影响。如果它与弱电相互作用对称性破缺时的尺度相当，那么我们就可以解释为什么希格斯粒子的质量应该是我们测到的数值。

这也意味着，在目前LHC探测的尺度范围内，我们应该会探测到很多新的粒子，这些新的粒子是超对称性下与普通物质（也就是我们已知的粒子）相对应的粒子。

超对称性将解决一些自然存在的问题，因为它能保护希格斯粒子免受量子修正的影响，量子修正可能会使希格斯粒子的能量与大统一时的能量尺度相当。超对称性使得电弱相互作用和大一统尺度的能量等级相差如此之大变得可能。

原则上，超对称性能解决很多能量差别引起的问题，它越来越被人们所了解，同时它也受到了很多物理学家的青睐。物理学家开始寻找内含超对称性破缺的真实可行的模型，并在这些模型下寻找其他的物理结果。此时，物理学家们对超对称性的研究热情达到了最高点。

因为如果有人能将超对称性自发破缺的计算与三种非引力形式的相互作用力与距离的变化关系联系起来，那么这三种相互作用力就会自然而然的在一个非常小的距离尺度内收敛在一起，大统一理论就变得可行了！

具有超对称性破缺的模型还有一点吸引人的特性，如果顶夸克很重，那么它和超对称性中与之相对应的粒子相互作用后会对希格斯粒子产生量子修正，如果大统一出现在一个超高的尺度，此时的希格斯场在其目前测量到的能量尺度内将形成一个一致的背景场。简而言之，弱相互作用对称性破缺会自然的发生，即使此时大统一的能量尺度仍旧比其能量尺度大很多。当顶夸克被发现并被证实它有较大的质量时，对称性破缺造成了目前弱相互作用的可观测能量尺度这一理论变得更加吸引人了。

为了实现大统一，在某一能量尺度上必须存在着迄今为止我们仍未观察到的新物理

然而, 所有这些都是有代价的。为了使得理论可行，必须存在着两个希格斯玻色子，而不仅仅一个。此外，假如有人建造了一台LHC（它可以探测弱电相互作用统一尺度里的一些新的物理区域），那么我们应该可以看到具有超对称性的新粒子。最后，作为约束，理论中最轻的希格斯粒子的质量不能太大，否则这个理论的就行不通。

寻找希格斯粒子的脚步从未停歇，但是依然见不到它的踪影，加速器一次次地突破极限，使之能越来越接近对称性理论中描述的最轻的希格斯粒子的质量上限。该质量约为质子质量的135倍，细节取决于模型，而不是模型的细节。如果直到这个质量上限仍然找不到希格斯粒子，那么说明一切超对称理论也就此被排除了。

在大型强子对撞机观测到的因质子碰撞而产生的希格斯玻色子候选事件：上方的紧凑渺子线圈实验展示出衰变为两个质子（黄虚线与绿实线）的事件，下方的超环面仪器实验展示衰变为四个μ子（红径迹）的事件。（来源：维基百科）

然而，事情变得不一样了。物理学家们观测到了希格斯粒子，而且它的质量约为质子质量的125倍。一切发展至此，大统一也许触手可及。

但是，目前的答案并不明确。与普通粒子相对应的超对称性中的粒子的痕迹应该在LHC中可以明显的看到，如果这些粒子存在，那么与发现希格斯粒子相比，我们应该有更大的可能性发现超对称性。然而，事情并非如此，LHC运行了三年，并没有发现任何和超对称性相关的迹象。情况已经变得很微妙了，与普通粒子相对应的超对称性中的粒子的最低质量的极限被一点点地推高，但是如果这个极限过高，超对称性破缺的能量尺度将不再接近弱电相互作用统一的能量尺度，而且超对称破缺理论用于解决不自然的能量尺度差别过大问题的特性也将不复存在。

但是此时的处境还不至于令人绝望。LHC重新启动了，这一次，能量更高了。也许，我们很快就能发现超对称性粒子。

如果这次成功了，那么此时又有另一重要的结果。宇宙中存在的一大奥秘就是暗物质的性质, 暗物质似乎主宰着我们所能看到的所有星系的质量。暗物质无处不在，它不能由相同的普通粒子构成。如果它可以由相同的普通粒子构成，那么对大爆炸产生的氦等轻元素丰富度的预测将与实际观测不符。因此物理学家确信，暗物质是由一种新的基本粒子构成，这种新的粒子是什么呢？

在大多数模型中，与普通粒子相对应，最轻的超对称性粒子是绝对稳定的，并且它还具有很多中微子具有的特性。这些特性是它们通过弱相互作用互相反应，和电中性，因此它不会吸收或者辐射光。此外, 我和其他研究人员在30年前进行的计算表明, 大爆炸后遗留下来的最轻的对称粒子的剩余丰富度符合它们是目前主导星系质量的暗物质的猜想。

在这种情况下，我们的星系被暗物质光晕包围着，当然，包括现在你阅读这篇文章时所处的房间。正如很多人所想的那样，如果我们设计一个极其敏感的探测器，并将其置于地下（与中微子探测器不相似），那么我们就能直接探测这些暗物质粒子。

因此，我们可能处在最好的时期也可能处在最坏的时期。LHC和地下的暗物质探测器正在进行着一场比赛，看看谁会先发现暗物质。只要它们任意一方有所突破，那么这就预示着新的发现之旅即将揭开序幕，引领我们向理解大一统理论进发。但是如果在未来几年它们都没有新的进展，那么我们可能要抛弃我们的最初的设定——暗物质的起源和超对称性粒子有关，并且我们设想的利用超对称性解决能量层级问题的想法也将被推翻。在这种情况下，我们得回到之前绘制的蓝图上，此时我们已经没有任何指引了，我们不知道如何获得一个正确的模型。

然而，LHC探测到了可能的信号，该信号可能来自一个质量约为希格斯粒子质量六倍的粒子，这是十分振奋人心的消息，事情变得越来越有趣了。这个粒子没有与普通粒子相对应的超对称性中的粒子的特性。一般情况下，当我们搜集的数据越来越多后，这些令人兴奋的虚假信号就会消失，这次探测到的信息也不例外，在它出现六个月之后，我们搜集的数据越来越多，它就消失了。如果它没有消失，那么它将改变我们对大统一理论和弱电相互作用对称性的看法，取而代之的将是一种新的基本力和一组新的粒子。虽然这个信号催生了很多篇论文，但是自然好像有其他选择。

没有明确的实验方向，迄今为止仍缺乏可以证实超对称性正确的证据，这些问题已经使理论物理学家们焦头烂额了。

在1984年，超对称性中包含的美丽数学使得一个二十世纪六十年代的就已经沉寂的想法死灰复燃了，在那个年代，南部阳一郎和其他物理学家试图理解强相互作用力，在那个年代，南部阳一郎和其他物理学家试图将强相互作用力理解为弦激发的夸克理论。当超对称性被纳入弦理论，我们就创造了超弦理论，此时人惊讶的美丽数学结果呈现在物理学家眼前，他们发现，可以统一的不仅仅是三种非引力形式的作用力，而是宇宙中的四种基本相互作用力都可以统一成单一的形式。

物质放大呈现不同阶段，终结于弦阶段：①物质 ②分子结构（原子）

③原子（质子、中子、电子）④电子 ⑤夸克 ⑥弦（来源：维基百科）

然而，这个理论要求有许多新的时空维度存在，但我们至今仍未观察到。此外，这个理论没有可以直接用当今的实验设备来进行验证的其他预测。

这一切的一切，并没有挫败一群执着而又才华横溢的物理学家，他们一直在研究超弦理论（现在称为“M理论”），从其巅峰时期的20世纪80年代，到如今，30多年的时光。有人不断的称之为伟大的成功，但是直到目前为止，M理论仍缺乏那些曾使标准模型成为伟大科学发现的关键要素：和这个我们可以测量的世界保持联系，解决除此之外别无他法的难题，解释我们的世界是如何出现的。可这并不意味着M理论是错误的，但是它确实有投机取巧的成分存在，虽然这个投机取巧的方式是有意义且出发点是好的。

如果说“历史可以指引我们更好的前进”，那么我不得不遗憾地说，很多物理学前沿理论是都错的。如果他们都是对的，那么任何人都可研究理论物理，如果我们回溯到古希腊的科学开始，到现在用了上千年才发展出标准模型。