現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱分別是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和由尼爾斯·波爾、沃納·海 森堡、保羅·狄拉克三人共同創(chuàng)立的量子力學(xué)，但廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的觀點(diǎn)不是很 一致。因此，當(dāng)我們要回答物理學(xué)中一些重大問(wèn)題時(shí)就很頭痛，比如：大爆炸時(shí)到底發(fā) 生了什么？宇宙從哪里來(lái)？該用廣義相對(duì)論的方程（因?yàn)橘|(zhì)量極大）還是用量子力學(xué)呢 (因?yàn)榭臻g極小）？
困境一渺茫的統(tǒng)一場(chǎng)論
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述了大質(zhì)量物體的引力如何扭曲其周圍的空間，將牛頓的萬(wàn)有引力定律導(dǎo)入了幾何學(xué)的范疇。量子力學(xué)則認(rèn)為亞原子 級(jí)別的世界是不可預(yù)測(cè)的，基本粒子的行為完全隨機(jī)。建立一個(gè)統(tǒng)一所有 物理定律的“萬(wàn)物之理”已耗費(fèi)了理論物理學(xué)家們幾十年的時(shí)間。愛(ài)因斯 坦在其人生的后幾十年嘗試統(tǒng)一廣義相對(duì)論和電磁學(xué)，但因?yàn)樗麑?duì)原子核 中潛藏的強(qiáng)核力和弱核力一無(wú)所知，且又對(duì)量子力學(xué)不甚重視，到了 1955 年去世時(shí)仍無(wú)所進(jìn)展。
雖然其他物理學(xué)家對(duì)量子引力學(xué)也不抱著很認(rèn)真的態(tài)度，但20世紀(jì) 物理學(xué)研究的大部分內(nèi)容仍是發(fā)展和理解量子力學(xué)。五六十年代物理學(xué)界 的巨星們，包括美國(guó)的大師級(jí)人物理查德·費(fèi)曼、穆雷·蓋爾-曼和斯 蒂文·溫伯格都曾孜孜不倦地對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行描述和完善，這才使其發(fā) 展成了一個(gè)健壯的理論，為今天的人們所了解和應(yīng)用（例如，它是所有 電子元件背后的基本原理）。他們構(gòu)建并完善了粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型 (Standard Model)——對(duì)所有已知亞原子粒子的精確的量子力學(xué)描述，并 因此獲得了幾項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。然而，這些工作卻不曾縮短量子力學(xué)和廣義相 對(duì)論之間的距離。但對(duì)統(tǒng)一理論的研究卻從未停止。幾十年來(lái)，理論物 理學(xué)家們一直不懈努力，他們已為統(tǒng)一自然界四種基本力打下了理論基礎(chǔ) (參見(jiàn)第12問(wèn)），一些謎題也有了思路，比如：質(zhì)量從何處來(lái)？為什么宇宙 的大部分不見(jiàn)了??自從25年前標(biāo)準(zhǔn)模型建立后，粒子物理學(xué)領(lǐng)域并沒(méi)有 什么重大發(fā)現(xiàn)。不過(guò)，新一代科學(xué)家們已在位于日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) 中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，著手將物理學(xué)中最精心構(gòu)建的粒子撞成碎片。
①根據(jù)最樂(lè)觀的估計(jì)，我們僅知道宇宙4%的質(zhì)量是由原子構(gòu)成的，剩余的是我們 知之甚少的暗物質(zhì)和暗能量。
“我想知道上帝是怎么創(chuàng)造這個(gè)世界的。我對(duì)這樣或那樣的現(xiàn)象不感興趣，對(duì)某物的范圍不感 興趣。我想知道他的想法，其他的都是細(xì)枝末節(jié)?！?/p>
超越標(biāo)準(zhǔn)模型
標(biāo)準(zhǔn)模型描述了 12種叫做“費(fèi)米子”（fermion)的物質(zhì)粒子的性質(zhì)， 以及決定了它們之間如何相互作用的媒介粒子。物質(zhì)粒子由6種夸克（它 們有的構(gòu)成質(zhì)子和中子，有的因?yàn)檫^(guò)重，只存在一瞬間便衰變?yōu)檩^輕的粒 子）和6種輕子（包括電子和中微子）構(gòu)成。媒介粒子（稱為“玻色子”） 包括光的粒子（光子）和膠子，它們將夸克限制在原子核中。此外還有反 物質(zhì)，構(gòu)成它們的粒子與一般物質(zhì)類似，但帶電性相反，如正電子質(zhì)量與 電子相同，但帶正電；反質(zhì)子由反夸克構(gòu)成，總體帶負(fù)電。
如果可以拓展標(biāo)準(zhǔn)模型，使其包含引力方面的內(nèi)容，這將是統(tǒng)一場(chǎng)論 發(fā)展上的一大步。已有觀點(diǎn)認(rèn)為引力子是傳遞引力的粒子，但直到目前仍 無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察驗(yàn)證這一點(diǎn)。盡管如此，科學(xué)家們?nèi)匀徊恍傅嘏Γ?試圖通過(guò)拓展標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解決一個(gè)令人頭疼的大問(wèn)題——宇宙大部分是由 我們未知的東西構(gòu)成的?？茖W(xué)家們認(rèn)為宇宙有1/4是不產(chǎn)生輻射?、無(wú)法檢 測(cè)的“暗物質(zhì)”。有的理論科學(xué)家希望“超對(duì)稱性”的觀點(diǎn)或許能有助問(wèn)題 的解決?！俺瑢?duì)稱性”是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的拓展，它認(rèn)為每個(gè)已知的粒子都有 一個(gè)更重、超對(duì)稱的“孿生子”：電子對(duì)應(yīng)尚未發(fā)現(xiàn)的超電子（selection)， 夸克對(duì)應(yīng)超夸克（squark)，光子與中微子對(duì)應(yīng)光微子（photino)和中輕微 子（neutralino)。科學(xué)家們幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)，中輕微子（也是最輕的粒子）的部 分屬性與對(duì)神秘巨型暗物質(zhì)的預(yù)測(cè)一致。
另一標(biāo)準(zhǔn)模型的替代理論稱為“人工色理論”（technicolour)。超對(duì)稱 理論仍沿用我們所熟悉的自然力，只是額外加了些粒子，而人工色理論則 引入了一種我們尚未檢測(cè)到的古怪的“基本力”。比如，它提到夸克并非是 單一的粒子，而是更小的、叫做“techniquark”的集合體。
①所有物質(zhì)，只要有溫度，都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。
弦理論
超對(duì)稱性也屬于物理學(xué)中最近于“萬(wàn)物之理”的理論（即弦理論，盡 管仍有爭(zhēng)議）的重要組成部分。弦理論能夠解釋量子理論和相對(duì)論，并能 解釋統(tǒng)一場(chǎng)論的大多數(shù)問(wèn)題。弦理論認(rèn)為世界是11維的，但是，它的所有 觀點(diǎn)都未經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。實(shí)際上，它描述的尺度是如此微小，以至根本無(wú)法 對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，因此便產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：弦理論到底還能算得上是科學(xué)嗎？
這個(gè)極為艱深、復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代后期，用以描述強(qiáng)核力------ 種防止原子核因質(zhì)子間的互斥力而分崩離析的強(qiáng)作用力。質(zhì)子由叫“夸克”的粒子構(gòu)成，而夸克通過(guò)傳遞強(qiáng)核力的膠子結(jié)合在 一起。起初的弦理論是為了回答為什么夸克和膠子總形影不離，即便原子 經(jīng)過(guò)粒子加速器后已支離破碎。簡(jiǎn)單地說(shuō)，弦理論認(rèn)為膠子和夸克可能是 同一條能量弦的兩端，既然不可能存在只含一端的弦，夸克和膠子就不可 能獨(dú)立存在。這一觀點(diǎn)在物理學(xué)家們提出了更為完善的、描述強(qiáng)核力的色 動(dòng)力學(xué)后“失寵”。色動(dòng)力學(xué)精確地從量子力學(xué)的角度描述了夸克和膠子之 間的相互作用。
但弦理論并非從此退出歷史舞臺(tái)，而是隨后發(fā)展成為一種不僅能解釋 強(qiáng)核力，還有可能解釋四種基本力的理論。最早的“升級(jí)版”弦理論認(rèn)為 宇宙間所有物體，從地球到你現(xiàn)在手中所拿的書(shū)，都是由微小的、振動(dòng)著 若干股能量（即所謂的弦）構(gòu)成的。一時(shí)間，不同版本的弦理論各執(zhí)一詞， 直到美國(guó)科學(xué)家艾德·威滕（弦理論之父和 近似“當(dāng)代愛(ài)因斯坦”一樣的人物）出面，混亂局面才得以平息。他通過(guò)M理論來(lái)表 明：那些彼此競(jìng)爭(zhēng)的理論實(shí)際上是同一觀點(diǎn) 的不同側(cè)面。
在M理論之前，弦理論的世界只有十 維，其中一維為時(shí)間，三維為空間，還有6 個(gè)額外的維度，它們“蜷曲”得如此微小，肉眼根本見(jiàn)不著。威滕的M理論另增加了 一維空間，因此維度總數(shù)變?yōu)?1，威滕認(rèn) 為這個(gè)世界不僅含有弦，還有看起來(lái)更像面 (surface)或膜（membrane)的東西。這些膜（brane)存于三維或維度更髙的空間 中，它們含有足夠的能量，能變得巨 大無(wú)比，甚至像整個(gè)宇宙那么大。 額外的維度還能解決為什么引 力如此弱的問(wèn)題。也許，引力 實(shí)際很大，只是存于目前尚未 發(fā)現(xiàn)的維度中。我們之所以覺(jué)得引 弱，是因?yàn)樗挥幸恍〔糠譂B入我們所在的世界。
弦理論的發(fā)展涉及了許多數(shù)學(xué)方面的工作，它們是由世界最頂尖的科學(xué)家們來(lái)完成的。弦理論是目前為止在統(tǒng)一量子力學(xué)和引力方面最流行的觀點(diǎn)。但是，它的觀點(diǎn)遠(yuǎn)超乎我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的體驗(yàn)，以至于許多批評(píng)人士認(rèn)為，弦理論與其運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)往恒星方說(shuō)是對(duì)自然的終極科學(xué)描述，不如說(shuō)是一種哲學(xué)理論。除非弦理論能得到 向偏移。我們將這一作用稱為引力。
質(zhì)量從哪里來(lái)
質(zhì)量從哪里來(lái)這個(gè)問(wèn)題似乎讓人莫名其妙。質(zhì)量本來(lái)不就在那嗎？如 果要詳細(xì)些，你可以說(shuō)：質(zhì)量是費(fèi)米子（夸克和輕子）在一個(gè)物體中所累 加的量。把這些微小的質(zhì)量加起來(lái)，你就得到一顆原子或更大的物體的總 質(zhì)量。真要有如此簡(jiǎn)單就好了。以這樣的邏輯，你可能認(rèn)為這本書(shū)的質(zhì)量 就是它所有書(shū)頁(yè)中的原子的總和。然而如果你再仔細(xì)想想，就會(huì)發(fā)現(xiàn)非常 奇怪的問(wèn)題，物質(zhì)粒子，夸克和輕子，本身沒(méi)有質(zhì)量嗎?
物理學(xué)家從未真正搞明白這個(gè)問(wèn)題，直到一名靦腆的愛(ài)丁堡物理學(xué)家 彼得·希格斯提出了一個(gè)可能的答案。他認(rèn)為，構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子剛形 成時(shí)，即在大爆炸后的幾分鐘內(nèi)，是沒(méi)有質(zhì)量的，但很快，某樣?xùn)|西的激 活便使得它們獲得了質(zhì)量。這樣“東西”便是尚未發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)，它遍布整個(gè) 空間，不論粒子在哪里，它都依附其上，“拽”著它們，于是形成了我們所
①如果這些粒子沒(méi)有質(zhì)量，怎么就最后產(chǎn)生了質(zhì)量？如果它們有質(zhì)量，質(zhì)量又是哪 里來(lái)的呢？可見(jiàn)問(wèn)題并非如此簡(jiǎn)單。
稱的質(zhì)量。在希格斯的場(chǎng)中，有的粒子比另一些粒子的相互作用更強(qiáng)。光 的粒子是不受該場(chǎng)影響的，故而無(wú)質(zhì)量；較重的粒子在場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)就仿佛 蹚過(guò)泥潭般步履蹣跚。希格斯的計(jì)算表明，若要受此場(chǎng)影響，費(fèi)米子必須 通過(guò)一種尚未發(fā)現(xiàn)的粒子即希格斯的玻色子，與場(chǎng)相互作用，從而使費(fèi)米子獲得質(zhì)量。
如何驗(yàn)證我們的想法
深埋于日內(nèi)瓦附近的侏羅山底下、橫跨法國(guó)與瑞士邊界的，是一個(gè)周 長(zhǎng)為27千米的環(huán)形隧道。它已見(jiàn)證了歷史上一些極為重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并 將于21世紀(jì)繼續(xù)這一光榮使命。這便是歐洲粒子物理研究所備受關(guān)注的大 型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，質(zhì)子在這一粒子加速器中以近光速對(duì)撞，爆炸將使粒子分 裂，瞬間產(chǎn)生只有在宇宙大爆炸后幾秒之內(nèi)才存在的狀態(tài)?？茖W(xué)家們希望 爆炸將形成一批之前從未在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的新粒子。宇宙學(xué)家們將會(huì)仔細(xì) 察看爆炸后的殘骸，以期發(fā)現(xiàn)線索，進(jìn)而驗(yàn)證他們有關(guān)宇宙基本屬性的觀點(diǎn)。
他們首先尋找的就是希格斯玻色子，然后是與超對(duì)稱和新維度有關(guān)的 特征。物理學(xué)家們認(rèn)為，后者將會(huì)通過(guò)產(chǎn)生短時(shí)存在的微小黑洞而表現(xiàn)出 來(lái)。不論大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)什么，都會(huì)改變物理學(xué)，促進(jìn)有關(guān)力的統(tǒng) 一和暗物質(zhì)的問(wèn)題的解決。不過(guò)，也有可能事與愿違，如果 科學(xué)家們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)希格斯的玻色子呢？如果在加速器能達(dá) 到的髙能狀態(tài)下，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粒子并不含有超對(duì) 稱的“孿生粒子”呢？就算如此，依然會(huì)有一些科學(xué)家感 到很興奮，因?yàn)檫@意味著他們需要重新審視現(xiàn)實(shí)。
隨著強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，一些物理學(xué)家極力確保不放過(guò)任何能證明某些理論錯(cuò)誤的情 形。物理學(xué)家吉姆·阿爾卡利利寫道：“如 果沒(méi)找到證據(jù)證明一些瘋狂的想法，人 們不會(huì)太計(jì)較；但如果這些想法得到 了證實(shí)，他們就會(huì)為自己之前沒(méi)有勇 氣提出它們而懊悔莫及?！?/p>
文章選自：《如何尋找外星人？——35問(wèn)揭示科學(xué)之美》
出 版 社：人民郵電出版社
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