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大统一理论

2012-02-12 21:22:13 本文行家:宇宙与道

大统一理论(grandunifiedtheories,GUTs)。试图用同一组方程式描述全部粒子和力(强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁相互作用四种人类目前所知的所有的力)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理,或TOE。

大统一理论(GUTs)

grand unified theories(GUTs)

试图用同一组方程式描述全部粒子和力(基本相互作用)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理,或TOE。有些言过其实的物理学家声称,他们的‘圣杯’是一个界定了一种TOE并能在一件T恤衫前面写下来的单一方程式。

这并非完全荒唐可笑的梦想,因为在统一物理学家对物质世界的描述方面已经取得了相当成就。就在19世纪中叶,电和磁还被看成是两种独立的事物,但詹姆斯·麦克斯韦研究证明它们实际上是现在叫做电磁现象的同一种基本相互作用的两个方面,可以用同一组方程式加以描述。到20世纪中叶前,这一描述又改进到包括了量子力学效应,并以量子电动力学(QED)形式成为物理学家提出过的最成功的理论之一,它以极高精度正确预言了诸如电子等带电粒子相互作用的性质。

QED是一种规范理论,它的成功使它成了物理学家发展描述其他基本相互作用理论时效法的典型。QED的精髓是,带电粒子,如电子和质子,通过交换光子而相互作用,而光子被看成是电磁场的量子。类似地,在核子中引起β衰变过程的弱相互作用,被认为是通过交换起着与光子相当作用的粒子来传达。这些粒子叫做中介矢量玻色子

電弱統一場中的三种中介矢量玻色子:W+,W-,Z0電弱統一場中的三种中介矢量玻色子:W+,W-,Z0
 1960年代,物理学家找到一种数学理论,将QED和弱相互作用结合到同一个数学模式中。这就是人称的弱电理论,它明确预言了中介矢量玻色子的性质。弱电理论要求存在三种中介矢量玻色子,分别命名为、和,而且预言了它们的质量应该是多少。这些粒子在1980年代被发现,性质与理论预言的完全符合。

迈向TOE的下一步是把将粒子维系在原子核中的强核相互作用包括进来。这一点尚未做到,但作为中间步骤,物理学家在量子电动力学成功的基础上,已经发展了一种利用规范理论对强相互作用的描述。在这一描述中,强相互作用被视为产生于夸克之间的胶子(相当于QED中的光子)的交换。由于夸克的某些特性(相当于不同性质的电荷)已经有点异想天开地给予了颜色的名称,所以这个理论有意模仿QED而被称为量子色动力学,或QCD。

量子色动力學QCD中:夸克的來源圖量子色动力學QCD中:夸克的來源圖

 遗憾的是,QED虽只要求一种光子,弱电理论在其计算中也只补充三种中介矢量玻色子,QCD却要求八种不同的胶子,这使得该理论太复杂而难以处理。即便如此,找到一种包括QCD和弱电理论在内的粒子世界统一描述的现实前景是存在的;但远为困难的是寻求一个办法,以便将第四种基本相互作用——引力——包括进统一图像。尽管尚缺少引力,但可望将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用三者结合成一体的图像,也常常称为GUT,而把TOE这一名称保留给物理学家希望将来能包括引力在内的最终理论。

引(重)力子,膠子,三种中介矢量玻色子W+,W-,Z0之關係圖引(重)力子,膠子,三种中介矢量玻色子W+,W-,Z0之關係圖

 将引力统一到这一图像中之所以如此困难,是因为引力与其他三种自然力相比极其微弱。不过,在某种意义下,引力和电磁力同样简单和易于处理,因为它只要求一种传达粒子,即无质量的引力子

将引力包括到TOE中的困难,可以通过考察四种基本力如何从一种统一的相互作用中‘分裂’出来而得到了解,物理学家认为这种‘分裂’应发生在宇宙由大爆炸中刚产生之时。光子与中介矢量玻色子和胶子的本质差别之一,是光子没有质量,其他粒子却有质量。光子因没有质量而容易被创造,且能够(原则上)在整个宇宙范围内传播。传达弱力和强力的玻色子则做不到这点。在一次相互作用中,‘创造’特定玻色子组所需要的质量是按照量子力学的测不准原理向真空借来的。但测不准原理指出,这些所谓的‘虚’粒子能够不时出现和随即消失,条件是它们不能存活过久以避免被宇宙‘注意’到它们的存在。这样一个粒子的质量越大,它在短暂生存期需要借用的能量越多,它也就必须越快地偿还债务。这就限制了玻色子在完成任务并消失之前运动所及的范围。

但是,当宇宙很年轻时,它浸泡在原始火球的能量大海之中。只要这一能量的密度足够高,即使是胶子和中介矢量玻色子也能从火球抽取足够能量而变成真实的粒子,并在火球中到处游荡。那时,它们真正与光子等效,而不仅仅是类似;所有基本相互作用也都是同样强和远程的作用。但是随着宇宙膨胀和冷却,它们逐步失去部分能耐,变成了我们今天看到的局限在原子核内部的短程粒子。

宇宙大霹靂-奇點圖宇宙大霹靂-奇點圖
 在这幅图像中,引力仍然独树一帜。根据目前的最好理论,当作为整体的宇宙温度为时,引力与所有其他力一样强。

那正好是宇宙从一个奇点中浮现之后

秒、我们今天看到的一切均包容在一个大小不超过

普朗克长度的体积中的时刻。这一情形的更现实处理方式是认为宇宙诞生时的年龄为

 秒,而且不存在引力曾经与其他力等同的‘以前’。

暴涨被认为是正好在这一时刻之后发生的。

万物之理TOE:奇點-M超弦圖万物之理TOE:奇點-M超弦圖
 当宇宙开始平缓膨胀和冷却时,其他三种力仍然是统一的。但在开始之后秒、温度达到时,宇宙冷却到不能供养强力的载体,于是强力被局限在今天我们所见的距离以内。到秒时,温度为,宇宙冷却到无法维持中介矢量玻色子,于是弱力也变成了短程力。这是在整个宇宙的温度与地球上的粒子加速器迄今达到的最高能量相当的时期发生的——弱电理论之所以比QCD远为坚实可靠,这就是原因之一(因为能够与实验进行比较)。

由上述图像不难看出将引力包括到统一理论中的困难所在。然而有趣的是,还在发现强和弱两类相互作用之前,引力就已经与电磁力包括到一个统一理论中了!对统一理论的这一探讨,在两种‘附加’力发现之后很多年内基本上被人遗忘,而现在看来它算得上是长期追求万物之理征途上的领跑人。

广义相对论大统一理论的曲率来描述引力。阿尔伯特·爱因斯坦提出这一概念后不久,就发现用与爱因斯坦广义相对论方程式等效

10維GUT大統一場中-五种弦及其分化的粒子圖10維GUT大統一場中-五种弦及其分化的粒子圖

 的方程式来描述五维曲率时,就得到我们熟知的、与麦克斯韦电磁场方程式并列的爱因斯坦理论中的场方程式。几年以后的1920年代,引力和电磁场这种五维形式的统一甚至推广到包括了量子效应,这就是后来以两位开创此项研究的先驱科学家姓氏命名的卡鲁扎-克莱因理论

计算中涉及增加额外维度的所有理论现在都叫做卡鲁扎-克莱因理论,但这种处理方法长期无人采用,因为,要把卡鲁扎-克莱因理论最初获得成功后就发现了的更复杂的弱和强相互作用效应包括进来,它要求的就不是一个而是好几个‘额外’维度。如果说光子是第五维度中的涟漪,那么(粗略地说)Z粒子就可以看成是第六维度中的涟漪,等等。

宇宙大暴漲圖宇宙大暴漲圖

 有两个原因使这类理论在1980年代再次流行。第一,构建大统一理论的尝试复杂到了令人厌烦的程度,其中有一些看来无论如何也必须增加额外维度才能进行下去。既然总归需要很多额外维度,为什么不用卡鲁扎-克莱因的办法呢?第二,数学物理学家开始对弦理论感兴趣,在弦理论看来,人们习惯视为点状粒子的实体可描述成一维‘弦’的细小片断(远远小于质子)。弦理论也只有在很多维度下才能‘工作’,但它给我们极为丰厚的回报——引力。

理论家们以推导各种描述这类多维弦相互作用的方程式自娱,他们发现有些方程式描述的封闭弦环正好具有引力描述所要求的性质——弦环实际上就是引力子。

还没有人试图用这个理论描述引力,因为引力被认为是最难放进弦网中的基本相互作用;然而引力却自动从方程式中退出了。可惜无人懂得这是怎么发生的——关于这一理论的真正含义还没有形成物理见解——而弦理论也基本上仍是一种缺少物理根据的数学游戏。它就像是根本不知电和磁为何物的世界中的一位数学家发现了麦克斯韦方程式;方程式是很精致的,可它们说明了什么呢?

弦理论专家之一的迈克尔·格林(Michael Green)1986年(当时他在伦敦的玛丽女王学院)在刊登于《科学美国人》的一篇文章(255卷,3期,44页)中指出,在弦理论中,‘首先得到的是细节;我们仍然在探索一种有关该理论的逻辑性的统一见解。例如,无质量引力子和超弦理论中的规范粒子的出现,似乎是偶然的,并且有些不可思议;而我们希望,在可靠地确立了统一原理之后,它们能从理论中自然地产生。’

‘探索一种统一见解’的努力在1990年代继续。物理学家仍然希望找到一种万物之理,他们强烈感到这个万物之理必定涉及对一个多维宇宙的认识,而粒子大概能够理解为极小的弦。但要能够把对‘生命、宇宙和万物’的答案写到T恤衫前面,他们还有很长的路要走。

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