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    物理学家的终极追求是?

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      物理学家的终极追求是什么?

       

      统一

       

      下面这张图总结了物理学家在过去一百年中为了追求统一所取得的成果:

      物理学家的终极追求是?

      1862年,麦克斯韦为我们展示了一次优美的统一。在他书写的几个简洁的方程中,蕴藏着自然界中最令人惊奇的事:电力磁力,实际上是一种力——电磁力的两面。麦克斯韦方程不仅实现了统一,还预言了电磁波的存在!

       

      物理学家的终极追求是?

      □ 麦克斯韦方程。

       

      到了20世纪初,物理学上空的两朵乌云终于引发了两次重大的物理学革命。第一个革命来自于爱因斯坦。1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,并写下了或许是有史以来最广为人知的一个方程:E=mc²。十年后,他在狭义相对论的基础上提出了一个全新的引力理论——广义相对论,颠覆了牛顿的理论。第二个革命或许更加深刻,来自量子力学。广义相对论和量子力学是现代物理学的两大基石。前者将引力和弯曲的时空联系在一起,且描述着整个宇宙;后者则支配了亚原子粒子以及它们之间的相互作用。但是,如何将这两个理论统一成一个,即所谓的量子引力理论,这是物理学界的最大的目标。

       

      引力和电磁力是许多人所熟悉的,但自然界中还有两种已知的基本力——强核力(将质子内部的夸克束缚在一起)弱核力(支配了粒子的衰变)。我们不禁思考,既然电力和磁力可以被统一成电磁力,那么有没有一种可能,自然界中的四种基本力其实只是一种力的四个面?这也是量子引力理论想要回答的问题。

       

      早在1919年,德国数学家卡鲁扎在研究广义相对论时就发现了一个惊人的数学事实。广义相对论是基于四维时空(三维空间 一维时间)描述的,但是卡鲁扎假设如果时空是五维的(四维空间 一维时间),那么他就可以将引力和电磁力统一了。爱因斯坦也被卡鲁扎的想法迷住了。虽然现在我们知道卡鲁扎的尝试最终以失败告终,但额外维度的思想却从此流传了下来。

      物理学家的终极追求是?

      □ 五维的引力 = 四维的(引力 电磁力)。

       

      到了1960年代,描述电磁力的量子电动力学QED,在该理论中,电磁力是由光子传递的)已经被很好的建立起来,但是并没有成熟的理论解释强核力和弱核力。当时,物理学家在实验室中发现弱核力展现了一些跟QED同样的特征,特别是它可能是由一种跟光子类似的玻色子传递的(传递力的粒子被称为规范玻色子)。理论上,物理学家也发现QED所基于的U(1)群能够被推广到更大的SU(2)群(对应弱核力)

       

      1967年11月20日,温伯格在物理评论快报上发表了一篇标志性的论文《轻子模型》(A Model of Leptons),建立了SU(2)×U(1)方程。事实上,为了统一电磁力和弱核力,格拉肖在1961年以及萨拉姆沃德在1964年的时候,就已经提出了相同的结构,只是温伯格并不知道。他们的理论需要两个大质量的带电玻色子——W W,以及两个中性的玻色子——无质量的光子和大质量的Z0。之后,科学家在实验中找到了所有预言的粒子,意味着电磁力和弱核力成功地被统一成了一种力——电弱力

      物理学家的终极追求是?

      □ 温伯格的论文《轻子模型》,为高能粒子物理学在20世纪后半叶的发展指明了方向。在只有两页半纸的论文中(算上参考文献和致谢在内),温伯格优雅而简洁地书写了宇宙中最深层的秘密。如今,这篇论文每周至少会被引用三次。它的内容是粒子物理学的标准模型的核心。

       

      1970年代,描述在质子和中子内部的夸克和胶子之间的复杂相互作用的理论逐渐建立了起来,称为量子色动力学QCD,规范群是SU(3))。QCD背后的数学十分复杂困难,以至于有相关的问题被列为了千禧年七大数学难题之一。

       

      今天我们知道,描述电磁力、弱核力和强核力以及所有已知的基本粒子,都被囊括在了粒子物理学的标准模型中。在过去的几十年里,标准模型极为成功,但也称不上完美,因为它并没有解决所有问题,比如暗物质和等级问题等。

       

      物理学家的终极追求是?

      □ 标准模型的拉格朗日量。这个方程描述了标准模型中的所有基本粒子和它们之间的相互作用。| 图片来源:THOMAS GUTIERREZ

       

      事实上,物理学家还没有成功地将电弱力和强核力统一在一起,虽然有一些相关的“大统一理论GUT”,但都没有得到实验的证实。在1974年的时候,格拉肖和乔吉发现数学对称群SU(3)、SU(2)和U(1)可以被纳入一个单一的更大的对称群SU(5)。SU(5)预言了质子会发生衰变,但唯一的问题是,目前实验还没有观察到任何质子衰变的迹象。

       

      1970年代后期,超对称理论的出现或许为最终的量子引力理论指明了方向。超对称的思想很简单,即每一个标准模型中的基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。如果超对称是对的,那么在大统一理论所需要的能量尺度下,电磁力、弱核力和强核力最终统一在一起(它们的耦合常数在高能量下会聚在一起)

       

      物理学家的终极追求是?

      □ 当我们考虑超对称的时候,电磁力、弱力和强核力同时会聚在一点上(右边)。| 图片来源: CERN

       

      而当我们在引力理论中把超对称考虑进去,结果很显然,那就是超引力理论。粒子物理学家认为传递引力的粒子是一种无质量、自旋为2的粒子,即引力子(假想粒子,还为被实验探测到)。前文提到的卡鲁扎为了统一电磁力和引力,提出了需要一个额外维度的思想,而超引力则需要七个额外的维度。

       

      在所有的量子引力理论中,弦论经常被认为是最有希望的候选理论。弦论假设所有的粒子(电子、光子等)都不是点状粒子,而是由振动的弦组成的。不同的振动状态会形成不同的粒子。1980年代中期,对弦理论的关注得到前所未有的飙升,当时物理学家发现它对量子引力给出了在数学上一致的描述。但弦理论的五个已知版本都是“微扰”的,意味着它们在某些条件下会失效。

       

      1995年,威滕发现所有的弦论都有着同一根源。他发现了种种表明微扰弦论可以合成为一个相干的非微扰理论的迹象,他称其为M理论。M理论看起来像是在不同物理条件下的不同弦理论,但它本身在有效性范围上并没有什么限制,这是量子引力理论需具备的一个重要前提。M理论将弦理论的五个版本以及超引力统一到一个单一的数学结构中。到了1997年,马尔达西那发现了AdS / CFT对偶,将弦论和物理学家已经研究得相当透彻的量子场论联系了起来,这令所有弦论研究者都兴奋不已。

       

      大统一、超对称、M理论,不仅是非常优美的想法,而且还解决了许多标准模型无法解决的问题,因此吸引了许多理论物理学家的追随。然而,无论它们多么美妙,终归需要实验的验证。我们需要记住,一个好的科学理论必须满足以下三个条件:

      1. 它必须能够复制现有科学理论所有的成功预言

      2. 它要能解释最新的实验、观测数据,即那些现有科学理论无法解释的

      3. 最重要的是,它还应该提出可被检验的预言

      麦克斯韦方程、广义相对论、标准模型都符合这三点。

       

      21世纪,虽然我们发现了希格斯玻色子(2012年)和引力波(2015年),但在基础物理学上并没有任何实际性的突破。是物理学家走错了方向?还是我们只是需要拥有足够的耐心?我们并不知道,但我们都期待下一次物理学革命可以早日到来。

       

                      微信公众号:新原理研究所

                                            原创:正恩

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