愛因斯坦的未竟之夢，物理學「大統一理論」簡史（下）

作者：LAWRENCE M. KRAUSS

翻譯：山寺小沙彌

審校：帥姜凡學長

質子沒有發生衰變，這很令人失望，然而這並不完全地出乎意料，物理學家們也考慮到了這種情況。自從大統一理論提出以來，人們對於如何描繪物理這張「圖畫」的看法已經發生了輕微的改變。通過複雜的計算我們可以計算出當距離發生變化時，相互作用力的變化，這樣我們就能更精確的測量三種非引力形式的相互作用力，從而證明，如果標準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，那麼這三種相互作用力不可能在某種單一的尺度上統一。為了實現大統一，在某一能量尺度上必須存在著迄今為止我們仍未觀察到的新粒子。新粒子不僅會改變三種相互作用力統一時的能量尺度，而且它也會提升大一統理論的尺度範圍並減緩質子的衰變速度，也就是說，使得質子的壽命長達1033年。

超級對撞機局部圖 繪圖：Maximilien Brice

伴隨著這些理論的發展，理論物理學家們通過新的數學工具探索一種可能存在的新對稱性，即超對稱性。這種基礎對稱性和以往我們所認識的所有對稱性不同，它可以連接宇宙中兩種不同類型的粒子——費米子（自旋為半整數）、玻色子（自旋為整數）。如果這種對稱性是存在的，那麼對於標準模型中的已知粒子，都會存在著與之相對應的新的基本粒子。例如，對於每一個已知的玻色子，必定存在著新的費米子；對於每一個已知的費米子，必定存在著新的玻色子。

既然我們沒有觀測到這種粒子，這說明新的對稱性在我們體驗的世界裡無法顯現出來，且這種對稱性一定發生了破缺，這意味著這些新的粒子具有足夠大的質量，以至於在迄今為止搭建的加速器中都無法觀測到它們。

新的對稱性可以使宇宙中的基本粒子數量翻倍，但我們並沒有發現任何新的粒子可以證實它，那麼這樣的對稱性為何仍然如此吸引人呢？在很大程度上，這樣吸引人的性質隱藏在大統一理論的事實中。如果大統一理論的能量尺度比質子的靜止能量高15~16個數量級，同時它也比電弱相互作用對稱性破缺的能量尺度高出13個數量級，那麼最大的問題就會是，為什麼宇宙中會存在能量尺度差別這麼大的基本規律？

LHC運行了三年，但沒有任何超對稱性出現。

這個問題比它表面上看起來的要嚴重得多。當我們考慮虛擬粒子的影響時（從其出現到消失的時間間隔太短以至於只能通過其他途徑間接的探測到它們），包括任意一個質量大的粒子，如大統一理論假定存在的規範玻色子，這些粒子會提升希格斯粒子的質量以及對稱性破缺時的能量尺度，從而使得它們接近大統一理論的能量尺度。這會產生一個「不自然」的問題，在技術上，電弱相互作用被希格斯粒子引起破缺的能量尺度與大統一理論被新引入的場引發破缺的能量尺度相差如此之大是非常「不自然」的。

物理學家薩特延德拉·納特·玻色

1981年，數學物理學家愛德華·維滕在他的論文中提到，對稱性有一個特殊的性質。這個性質可以在我們能探測的尺度上，減小任意高質量、高能量的粒子對這個世界的影響。

由於虛擬費米子和相同質量的虛擬玻色子產生的量子修正除了符號相反以外，其他都是相同的, 如果每個玻色子都與之對應著一個相等質量的費米子, 那麼虛擬粒子的量子效應將會被完全抵消掉。這意味著, 任意高質量和能量的虛擬粒子，對宇宙（在我們可測量的尺度上的）物理性質的影響可以完全被抵消。

物理學家恩里科·費米

然而，如果超對稱性本身就是破缺的，那麼量子修正就不會被抵消，相反，它們會對與超對稱性破缺尺度相當的粒子的質量產生影響。如果它與弱電相互作用對稱性破缺時的尺度相當，那麼我們就可以解釋為什麼希格斯粒子的質量應該是我們測到的數值。

這也意味著，在目前LHC探測的尺度範圍內，我們應該會探測到很多新的粒子，這些新的粒子是超對稱性下與普通物質（也就是我們已知的粒子）相對應的粒子。

超對稱性將解決一些自然存在的問題，因為它能保護希格斯粒子免受量子修正的影響，量子修正可能會使希格斯粒子的能量與大統一時的能量尺度相當。超對稱性使得電弱相互作用和大一統尺度的能量等級相差如此之大變得可能。

原則上，超對稱性能解決很多能量差別引起的問題，它越來越被人們所了解，同時它也受到了很多物理學家的青睞。物理學家開始尋找內含超對稱性破缺的真實可行的模型，並在這些模型下尋找其他的物理結果。此時，物理學家們對超對稱性的研究熱情達到了最高點。

因為如果有人能將超對稱性自發破缺的計算與三種非引力形式的相互作用力與距離的變化關係聯繫起來，那麼這三種相互作用力就會自然而然的在一個非常小的距離尺度內收斂在一起，大統一理論就變得可行了！

具有超對稱性破缺的模型還有一點吸引人的特性，如果頂夸克很重，那麼它和超對稱性中與之相對應的粒子相互作用後會對希格斯粒子產生量子修正，如果大統一出現在一個超高的尺度，此時的希格斯場在其目前測量到的能量尺度內將形成一個一致的背景場。簡而言之，弱相互作用對稱性破缺會自然的發生，即使此時大統一的能量尺度仍舊比其能量尺度大很多。當頂夸克被發現並被證實它有較大的質量時，對稱性破缺造成了目前弱相互作用的可觀測能量尺度這一理論變得更加吸引人了。

為了實現大統一，在某一能量尺度上必須存在著迄今為止我們仍未觀察到的新物理

然而, 所有這些都是有代價的。為了使得理論可行，必須存在著兩個希格斯玻色子，而不僅僅一個。此外，假如有人建造了一台LHC（它可以探測弱電相互作用統一尺度里的一些新的物理區域），那麼我們應該可以看到具有超對稱性的新粒子。最後，作為約束，理論中最輕的希格斯粒子的質量不能太大，否則這個理論的就行不通。

尋找希格斯粒子的腳步從未停歇，但是依然見不到它的蹤影，加速器一次次地突破極限，使之能越來越接近對稱性理論中描述的最輕的希格斯粒子的質量上限。該質量約為質子質量的135倍，細節取決於模型，而不是模型的細節。如果直到這個質量上限仍然找不到希格斯粒子，那麼說明一切超對稱理論也就此被排除了。

在大型強子對撞機觀測到的因質子碰撞而產生的希格斯玻色子候選事件：上方的緊湊渺子線圈實驗展示出衰變為兩個質子（黃虛線與綠實線）的事件，下方的超環面儀器實驗展示衰變為四個μ子（紅徑跡）的事件。（來源：維基百科）

然而，事情變得不一樣了。物理學家們觀測到了希格斯粒子，而且它的質量約為質子質量的125倍。一切發展至此，大統一也許觸手可及。

但是，目前的答案並不明確。與普通粒子相對應的超對稱性中的粒子的痕迹應該在LHC中可以明顯的看到，如果這些粒子存在，那麼與發現希格斯粒子相比，我們應該有更大的可能性發現超對稱性。然而，事情並非如此，LHC運行了三年，並沒有發現任何和超對稱性相關的跡象。情況已經變得很微妙了，與普通粒子相對應的超對稱性中的粒子的最低質量的極限被一點點地推高，但是如果這個極限過高，超對稱性破缺的能量尺度將不再接近弱電相互作用統一的能量尺度，而且超對稱破缺理論用於解決不自然的能量尺度差別過大問題的特性也將不復存在。

但是此時的處境還不至於令人絕望。LHC重新啟動了，這一次，能量更高了。也許，我們很快就能發現超對稱性粒子。

如果這次成功了，那麼此時又有另一重要的結果。宇宙中存在的一大奧秘就是暗物質的性質, 暗物質似乎主宰著我們所能看到的所有星系的質量。暗物質無處不在，它不能由相同的普通粒子構成。如果它可以由相同的普通粒子構成，那麼對大爆炸產生的氦等輕元素豐富度的預測將與實際觀測不符。因此物理學家確信，暗物質是由一種新的基本粒子構成，這種新的粒子是什麼呢？

在大多數模型中，與普通粒子相對應，最輕的超對稱性粒子是絕對穩定的，並且它還具有很多中微子具有的特性。這些特性是它們通過弱相互作用互相反應，和電中性，因此它不會吸收或者輻射光。此外, 我和其他研究人員在30年前進行的計算表明, 大爆炸後遺留下來的最輕的對稱粒子的剩餘豐富度符合它們是目前主導星系質量的暗物質的猜想。

在這種情況下，我們的星系被暗物質光暈包圍著，當然，包括現在你閱讀這篇文章時所處的房間。正如很多人所想的那樣，如果我們設計一個極其敏感的探測器，並將其置於地下（與中微子探測器不相似），那麼我們就能直接探測這些暗物質粒子。

因此，我們可能處在最好的時期也可能處在最壞的時期。LHC和地下的暗物質探測器正在進行著一場比賽，看看誰會先發現暗物質。只要它們任意一方有所突破，那麼這就預示著新的發現之旅即將揭開序幕，引領我們向理解大一統理論進發。但是如果在未來幾年它們都沒有新的進展，那麼我們可能要拋棄我們的最初的設定——暗物質的起源和超對稱性粒子有關，並且我們設想的利用超對稱性解決能量層級問題的想法也將被推翻。在這種情況下，我們得回到之前繪製的藍圖上，此時我們已經沒有任何指引了，我們不知道如何獲得一個正確的模型。

然而，LHC探測到了可能的信號，該信號可能來自一個質量約為希格斯粒子質量六倍的粒子，這是十分振奮人心的消息，事情變得越來越有趣了。這個粒子沒有與普通粒子相對應的超對稱性中的粒子的特性。一般情況下，當我們搜集的數據越來越多後，這些令人興奮的虛假信號就會消失，這次探測到的信息也不例外，在它出現六個月之後，我們搜集的數據越來越多，它就消失了。如果它沒有消失，那麼它將改變我們對大統一理論和弱電相互作用對稱性的看法，取而代之的將是一種新的基本力和一組新的粒子。雖然這個信號催生了很多篇論文，但是自然好像有其他選擇。

沒有明確的實驗方向，迄今為止仍缺乏可以證實超對稱性正確的證據，這些問題已經使理論物理學家們焦頭爛額了。

在1984年，超對稱性中包含的美麗數學使得一個二十世紀六十年代的就已經沉寂的想法死灰復燃了，在那個年代，南部陽一郎和其他物理學家試圖理解強相互作用力，在那個年代，南部陽一郎和其他物理學家試圖將強相互作用力理解為弦激發的夸克理論。當超對稱性被納入弦理論，我們就創造了超弦理論，此時人驚訝的美麗數學結果呈現在物理學家眼前，他們發現，可以統一的不僅僅是三種非引力形式的作用力，而是宇宙中的四種基本相互作用力都可以統一成單一的形式。

物質放大呈現不同階段，終結於弦階段：物質 分子結構（原子）

原子（質子、中子、電子）電子 夸克 弦 （來源：維基百科）

然而，這個理論要求有許多新的時空維度存在，但我們至今仍未觀察到。此外，這個理論沒有可以直接用當今的實驗設備來進行驗證的其他預測。

這一切的一切，並沒有挫敗一群執著而又才華橫溢的物理學家，他們一直在研究超弦理論（現在稱為「M理論」），從其巔峰時期的20世紀80年代，到如今，30多年的時光。有人不斷的稱之為偉大的成功，但是直到目前為止，M理論仍缺乏那些曾使標準模型成為偉大科學發現的關鍵要素：和這個我們可以測量的世界保持聯繫，解決除此之外別無他法的難題，解釋我們的世界是如何出現的。可這並不意味著M理論是錯誤的，但是它確實有投機取巧的成分存在，雖然這個投機取巧的方式是有意義且出發點是好的。

如果說「歷史可以指引我們更好的前進」，那麼我不得不遺憾地說，很多物理學前沿理論是都錯的。如果他們都是對的，那麼任何人都可研究理論物理，如果我們回溯到古希臘的科學開始，到現在用了上千年才發展出標準模型。

LHC 繪圖：JonathanFeldschuh

以上聊到的就是我們經歷的歷史以及我們現在的處境。是否有實驗可以證實或否定理論物理學們的宏大推測呢？又或者我們正身處沙漠邊緣，宇宙不會給我們任何探索其奧秘的線索呢？我想，我們會搞清楚這些問題的，如果結果不好，我們也將不得不接受新的現實。

編輯：山寺小沙彌

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