1861年, 詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)發(fā)表在當時英國著名學術期刊《哲學雜志》上的方程式，奠定了電、磁、光朝向統(tǒng)一的理論框架。在今日所進行的包括大型強子對撞機（LHC）在內的實驗中，物理學家是否更接近于萬物統(tǒng)一的目標——
物理學：邁向大統(tǒng)一理論的150年
馮詩齊/編譯
J·克拉克·麥克斯韋
如果這件事發(fā)生，請不要把它看作是好萊塢的噱頭，在瑞士日內瓦郊外大型強子對撞機(LHC)工作的物理學家也決不會在突然間被驚得目瞪口呆，或許他們的監(jiān)視器上不會出現這樣的信息：“檢測到了希格斯玻色子?！?/span>
相反，他們將為此對幾個月以來的進程展開工作：計算機將搜索幾拍字節(jié)(1015字節(jié))的數據，這都是在為數不多的獨特事件搜索中得到的對撞數據，可能標志著目標物的存在，而物理學家則對每個候選對象進行甄別復核。只有當他們積累了足夠的確信事件之后——也許要一打——他們才會公開宣布廣受關注的希格斯被發(fā)現。
盡管如此繁復，這樣的宣告也將是引人注目，并且是及時的。恰恰就在150年前，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James ClerkMaxwell)展示了三個明顯不同的現象——電、磁、光——它們只是同一種現象的不同表現形式，即我們今天稱之的電磁學。希格斯的發(fā)現會在“標準模型”的空缺處填上最后和最關鍵的一部分，即包括4種自然力中的3種：電磁力、對亞原子粒子起作用的弱作用力和強作用力的麥克斯韋方程的擴展，以將統(tǒng)一理論向前推進一大步。希格斯玻色子被認為是與電子、夸克以及其他基本粒子實現互動，賦予它們質量，從而使之能夠為標準模型來刻畫我們所知道的宇宙。
今天標準模型的地位，相當于當年未由實驗證明電磁波存在時的麥克斯韋理論。美國麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)與其同行2004年因參與創(chuàng)立標準模型而分享了諾貝爾物理學獎。他說：“標準模型看似不錯，許多預測都得到了證實，但最引人注目的新東西還有待驗證?！?/span>
即便是找到了預言中的希格斯玻色子，看來物理學家仍然不會滿足，因為最終目標是統(tǒng)一理論。該理論認為，所有觀察到的粒子和力只是一個單一的底層系統(tǒng)上的不同表現形式而已，而這個底層系統(tǒng)可以用一個共同的數學框架來表達。這樣一個優(yōu)雅的結果是無法從標準模型中得出的，標準模型僅僅是作為事后補救，包含對原子核進行約束的強力，而對引力則不著一詞。標準模型對暗物質也未加說明，暗物質是一種看不見的物質，遠多于約占其五分之一的組成恒星和星系的普通物質。
盡管物理學家贊同需要某種大統(tǒng)一理論，但他們并不知道這樣的理論會是什么樣的。四十多年來——差不多同標準模型存在的時間一樣長——研究者們已經用各種古怪的想法如超對稱性、額外維度以及全息時空等方法來試著完善它?！艾F在的情形是，桌面上放著一大堆假設，它們中多數都并不是新的，并且都缺乏實驗的支持，”加拿大圓周理論物理研究所的物理學家李·施莫林(Lee Smolin)說。“欣慰的是，實驗終于要進行了，”施莫林接著說，“在未來幾年里，LHC和其他的實驗，對于物理學家的理論概念是否符合實際，將會有一個更清晰得多的想法，并將其用到最終的統(tǒng)一理論中?！?/span>
超對稱性
如果希格斯玻色子恰恰如標準模型所預測的那樣，那么它內部的角動量將為零，這是為粒子物理學家所偏愛的能量處于115億和180億電子伏特(GeV)間的質量。但進行這樣的匹配搜尋會是相當枯燥的事，倫敦國王學院的理論物理學家約翰·埃利斯(John Ellis)說。他認為，如果LHC的物理學家找不到任何東西的話，想必會有趣得多?！敖涍^那么多年的猜測，我們終于在合適的燈柱下開始尋找，而要找的目標卻全然不在此處！這將迫使理論家重新回到出發(fā)點”，埃利斯說，“但出發(fā)點也各式各樣?！庇锌赡苁且愿鼜碗s的方式產生質量，或許產生出更出人意料的東西，“這將是非常令人興奮的。”
埃利斯認為，不然的話，LHC完全有可能找到的不是一個希格斯粒子，而是它們的一個家族。這將是超對稱的標志，因為這個理論預測了一個迄今尚未觀察到的‘超粒子’的動物園，一個匹配了標準模型25個粒子中的每一個——它們中有傳遞核力的玻色子，像光子、膠子和希格斯，以及費米子，像夸克和電子，它們構成了物質。這些超對稱粒子會很重，至少有600電子伏。
超對稱性引起了物理學家的興趣，因為它為玻色子和費米子提供了一種統(tǒng)一的數學的描述。同時，這個理論還將大大加強了強力、弱力及電磁力的‘大統(tǒng)一’，剩下的只是引力未獲得解釋。
在標準模型中，強力的相對強度如果用類似于電荷的一個常數表示的話，與弱力及電磁力的強度是非常不同的。但是如果超對稱性的假設不虛，則量子校正顯示所有三種力的強度完全相等，就好象在我們的期待中這些力實際上是一種真正的力。
超對稱性也可以解決大統(tǒng)一理論中的某些問題，例如它們預言質子應該是不穩(wěn)定的——在計算中超對稱粒子的存在往往會抑制質子衰變，導致衰變率遠遠低于目前實驗所規(guī)定的限度。
最后，或許最重要的是從觀察者的立場看，超對稱性很可能為暗物質提供了一個非常好的解釋。暗物質這個無形的宇宙陰霾，其行為像一個巨大的粒子群，與普通原子的相互作用非常弱，迄今只發(fā)現其對可見的恒星和星系的引力影響。在標準模型中沒有粒子具有合適的特性，但它們預言的某些超對稱粒子卻有。如果它們之中的某個的確是暗物質粒子，那么它將很快被檢測到，不僅僅是在LHC被檢測到，而是在世界上多個目前正在進行暗物質探測的單位都會檢測到。
額外維度
與LHC的物理學家的對話有時會變得超現實——特別是當他們繃著臉開始談論科學虛構的主要話題，即額外維度時。
一個重要原因是，他們假設了這一前景是因為額外維度是弦理論所預測的，而弦理論則是迄今最流行的建立在標準模型基礎上的有關統(tǒng)一論的嘗試。弦理論假設：基本粒子實際上是能量的振動弦。由于該理論是1960年代后半葉發(fā)展起的，至今仍然是一個沒有得到物理證據支持的“智力練習”。但即便如此，它還是如此地引人注目，并預告了許多力的存在，有點類似于標準模型中的強力、弱力和電磁力，以及弦理論以自然的方式合并了超對稱性，其中也包含了引力。弦理論方程組顯示，弦的閉合圈表現得像引力子，即假設的攜帶引力的粒子。新澤西州普林斯頓高等研究院的弦理論家內森·塞伯格(Nathan Seiberg)說：“它綜合了我們所知道的所有物理原理，沒有任何其他假設如此地接近事實?！鳖~外維的出現是因為弦理論具有其最天然的11維形式，它們中僅有4維能被我們觀察到：空間的3個維度和時間的1個維度。塞伯格說，弦理論允許它們如此緊密地卷在一起以致它們在通常情況下難以看到。
如果由對撞產生的粒子具有足夠的能量，即有足夠短的量子波長圍繞著卷曲在一起的維度盤旋，則LHC有可能檢測到那些額外的維度。根據愛因斯坦著名的相對論，盤旋的能量將表現為質量，LHC的物理學家因此能檢測到標準模型粒子所具有的較重質量的伙伴族。
同樣是弦理論產物的另一個替代方案，設想我們所感覺到的三維空間實際上是在高維空間中浮動的一種膜。而我們從來沒有注意到額外的方向，是因為所有標準模型的粒子都被限制在膜上，但LHC的對撞可能會有足夠的能量讓一個來自膜外的引力能量破裂。其結果將是一股由對撞產生的噴射流噴向對撞點的一邊，而另一邊顯然沒有什么與之平衡，似乎噴射流撞上了突如其來的閃電。
LHC大型對撞檢測裝置之一的緊湊渺子線圈副發(fā)言人阿爾伯特·德勒克(Albert de Roeck)說，LHC的物理學家已經計算出所有這些額外維度現象的實驗特征，“不過，實驗目標是想掌握額外維度的大小?！比绻鼈兙淼眠^緊，尺度小于10-19米，那么為探測它們所需的能量將超出LHC的能力范圍。
為什么物理學家要冒風險在LHC中尋找額外維度，這是一種截然不同的可能性。“我沒有屏住我的呼吸，”倫敦帝國理工學院的物理學家米切爾·達夫(Michael Duff)說，“我敢打賭，如果有額外維度存在，它們的普朗克尺度應在10-35米，”在那樣的尺度，量子力學和引力將會以某種目前仍未知的方式結合。
雖然如此，額外維度的尋求仍被認為是值得的，盡管它們的存在并不證明弦理論的正確，完全可以要額外的維度而不要弦。但是，確認其主要的預言之一將會顯著改善弦理論的處境。
全息術
它本來應當不錯，不過令從事弦理論研究的人員感到苦惱的是某些東西似乎不見了?！拔覀冎廊绾斡嬎阆依碚撝械拇罅繓|西，”塞伯格說，“但我們不具備它的概念基礎——即一組所有事物都應遵循的基本原理。”
這是為所有的物理學家，而不僅僅是為弦理論家享有的一個更深層次的原理。一個已引起許多關注的想法，即來自于英國劍橋大學史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)及其同伴在1970年代的令人驚異的發(fā)現：在黑洞周圍空間中的量子效應導致其發(fā)出輻射，而黑洞本該只吞不吐，即只管吞噬質量或能量?！斑@是一個驚人的現象，”法國馬賽地中海大學的物理學家卡洛·羅威利(Carlo Rovelli)說。三種表面上似乎各不相干的現象：引力、量子力學和熱力學卻以某種方式相互糾結在一起，“而我們至今仍不很明白這是為什么。”
而努力搞清這一結果卻已將理論物理學家推到了某些奇怪的方向上。例如，根據標準熱力學，任何物體的溫度與其熵相關，即外部觀察者測量其對象組成的排列和運動的信息量，但是并無一種方法能讓觀察者從黑洞內獲取到任何信息。因為任何東西只要走到比我們所稱的視界表面或更接近黑洞時，那就與宇宙的其余部分斷絕了。如果一個黑洞如同霍金等人所證明的是由熱力學所支配，則它所有的三維內部信息必須以某種方式編碼在它的二維視界上。
此外，經過幾十年對這種觀點的分析和概括，許多物理學家現在相信它適用于任何三維體，從黑洞到真空：三維體的全部信息內容可編碼在其二維表面上。換言之，最終萬物的統(tǒng)一理論將根據低維的現實來描述顯然是固態(tài)的三維世界。我們的宇宙將會以來自二維全息的三維光學圖像理論而顯露。
雖然這個“全息原理”可能是某個最終的統(tǒng)一理論的一個元素，但它本身并不會說明這種理論該是如何，也并不是每個物理學家都認可它?！八苡腥?，也很刺激，但也極為含糊，”維爾切克說。至少從數學的角度，全息原理的一個版本經過了廣泛研究，并不適用于我們所稱的AdS/CFT二元性的弦理論模型。或許更重要的是，它有可能是用來驗證思路的。
克雷格·霍根(Craig Hogan)是位于伊利諾斯州巴達維亞的費米實驗室粒子天體物理中心的主管，他表示，如果全息原理得到證實，量子效應就可能從光束中產生一種長達1分鐘的全息噪聲，這可以通過已在引力波實驗中使用的一種超精密激光干涉儀來檢測。
霍根說和他的同事已經開始檢驗這種效應是否會如預期的那樣。如果是，他們希望明年進行全面的試驗，預計在三年時間里將耗資200萬美元?！白鲞@些實驗還算是便宜的，”霍根說，“對一些我們所不知道的物理現象做測試，并根據定義進行探索。”
在所有有助于統(tǒng)一物理學的理論中，包括弦理論、全息術以及更為晦澀難解的概念，許多理論很有可能是出于同一種思路，只是切入的角度不同而已。但發(fā)現之路只有一條，那就是對其進行檢驗?！?span lang="EN-US">LHC給了我們一次大膽跨躍的希望，”塞伯格說，“在新的一年里我們應該學會更聰明些。”
[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]
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