万物理论 (3)超对称的思想是创造超引力的关键

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　　从弱力理论得到统一是正确方法的一个迹象。只描述弱力自身的量子场论是不能重正化的；也就是说，它具有不能由减去有限个如质量和荷的量来对消的无限。然而，阿伯达斯·萨拉姆和史蒂芬·温伯格于1967年各自独立地提出一个理论，在该理论中电磁力与弱力相统一，而且发现统一能解决无限的困难。这统一的力被称作弱电力。其理论可被重正化，而且它预言了三个w，w和z0的新粒子。1973年在日内瓦的cern发现了z0的证据。萨拉姆和温伯格在1979年获得诺贝尔奖，尽管直到1983年w和z粒子才被直接观察到。
　　在被称为qcd，或者量子色动力学的理论中强力自身可被重正化。按照qcd，质子，中子以及其它很多物质基本粒子是由夸克构成。夸克具有物理学家同意称之为颜色的奇妙性质(术语“色动力学”由此而来，尽管夸克的色仅仅为有用的标签——和可见的颜色没什么关联)。夸克处于三种所谓的颜色——红，绿和兰。此外，每种夸克都有一个反粒子伙伴，而那些粒子的颜色叫做反红，反绿和反蓝。其思想是只有不具有净颜色的组合能作为自由粒子存在。一种颜色和其反颜色抵消，因而夸克和反夸克形成一个无色的对，一种称为介子的不稳定粒子。还有，当所有三种颜色(或反颜色)混合，其结果就没有净颜色。三个夸克，每种颜色一个，形成叫做重子的稳定粒子，质子和中子是其中的例子(而三反夸克形成重子的反粒子)。质子和中子是构成原子核的重子，而且是宇宙中所有正常物质的基础。
　　qcd还有一个叫做渐近自由的性质，我们在第三章提到了它但未命名它。渐近自由是指当夸克靠近在一起时，它们之间的强力很小，但是如果它们离开很远则增大，它们相当类似由橡皮筋连在一起。渐近自由可以解释为何我们在自然中没有看到孤立的夸克，而且未能在实验室制造它们。尽管我们不能观察到单独夸克，因为它如此成功地解释质子，中子和其它物质的粒子，所以我们接受这个模型。
　　在统一了弱力和电磁力后，1970年代科学家寻找一种将强力加入到这理论中的方法。存在一些将强力和弱力以及电磁力统一的所谓的大统一理论或gut。然而它们中多数预言，质子——我们由之构成的材料，应在平均10的32次方年后衰变。鉴于宇宙只有10的10次方年那么老，这是非常长的寿命。但在量子物理中，当我们说一个粒子平均寿命为10的32次方年，我们不是指大多数粒子近似10的32方年，有些长一些，有些短一些。相反地，我们的意思是，每年每个粒子有10的32方分之一衰变的可能性。因而你只要盯着容纳10的32次方个质子的大容器几年，你就应能看到一些质子衰变。由于仅一千吨的水就包含10的32次方个质子，所以建造这样的大容器不甚困难。科学家进行了这种实验。结果是检测出衰减，并将其和持续从太空向我们撒来的宇宙线引起的其它事件区分开来绝非易事。为了尽可能减小干扰，这种实验在深处进行，诸如在日本的一座山下深3281英尺的神冈庄开炼矿公司的矿中进行，它可以防御一些宇宙线。研究者从2009年的观测结果作出结论，如果质子真地衰变的话，其寿命比10的34次方年还长，这对于大统一理论是个坏消息。
　　由于更早的观测证据也不能支持gut，大多数物理学家采纳称作标准模型的特别理论，它包含弱电力的统一理论和作为强力理论的qcd。然而在标准模型中，弱电力和强力分别作用，而未被真正统一。标准模型非常成功并且和所有现在的观测证据符合，但是因为除了没有将弱电力和强力统一外，它还没有纳入引力，所以终究是不满意的。
　　将强力和电磁力以及弱力融合在一起也许已被证明是困难的，但同将引力与其它三种力合并，或甚至创立一个独立的量子引力论相比，可谓小菜一碟。创立量子引力论被证明如此困难的原因必然与我们在第四章讨论过的海森伯原理有关。考虑到这个原理，结果是场的值与它的变化率起着和粒子位置与速度同样的作用，这点是不明显的。也就是说，其中一个越精确地被确定，则另一个只能是更不精确。其重要的推论之一是，不存在象空虚的空间的这类东西。那是因为空虚空间意味着无论是场值还是它的变化率都精确地为零。(如果场的变化率不为零，则空间不会保持空虚。)由于不确定性原理不允许场和变化率都是准确的，空间永不能空虚。它可拥有一个最低能量的态，称作真空，然而那个态遭受到所谓的量子颤抖，或者真空涨落——粒子和场不停出现和消失。
　　人们可将真空涨落认为是许多粒子对在某一时间一起出现，相互离开，然而又回到一起，并相互湮灭。按照费恩曼图，它们对应于闭合的圈。这些粒子称为虚粒子。和实粒子不同，不能用粒子探测器直接观察到虚粒子。然而，它们的间接效应，诸如在电子轨道上的能量的小改变可被测量到，并和理论预言一致到惊人的准确程度。问题是虚粒子具有能量，而且因为存在无限数目的虚粒子对，它们就会拥有无限的能量。根据广义相对论，这意味着它们会将宇宙弯曲到无限小尺度，这显然没有发生！
　　这个无限的困难类似于强，弱和电磁力理论中发生的问题，除了在那些场合重正化消除了无限。但在引力的费恩曼图中的闭圈不能被重正化吸收掉，因为在广义相对论中没有足够多的重正化参数(诸如质量和荷的值)去消除从理论来的所有量子无限。因此，我们留下了一个引力理论，它预言某些量，诸如时空曲率是无限的，这个理论无法开动一个可居住的宇宙。那意味着，获得聪明的理论的仅有可能性是不求助于重正化，所有的无限被某种办法对消掉。
　　1976年对这个问题找到一个可能的解决办法，它被称作超引力。这个前缀“超”加上不是因为物理学家认为这个量子引力论可能真的行得通，这一点是“超级的”。相反地，“超”是指理论拥有的称为超对称的一种对称。
　　在物理学中，如果一个系统的性质在某些诸如在空间中，将其旋转或取镜像的某种变换下而不受影响，则它拥有对称。例如，如果你把一个甜面包圈翻过来，它显得完全不同(除非它上部有巧克力，那种情景最好就吃掉它)。超对称是一种更微妙的对称，与通常空间的变换无关联。超对称的一个重要含义是，力粒子和物质粒子，因此力和物质，真正地仅是一个同样东西的两面。实际地讲，那意味着每个物质粒子，诸如夸克，应该具有一个力粒子的伙伴粒子，而每个力粒子，诸如光子应该具有一个物质粒子的伙伴粒子。因为，人们发现从力粒子闭圈引起的无限是正的，而从物质粒子闭圈引起的无限是负的，这样在理论中致使从力粒子和它们伙伴物质粒子引起的无限抵消掉，所以超对称具有解决无限的问题的可能性。可惜的是，需要找出在超引力中是否存在任何留下的未被对消的无限的计算是这么冗长，又这么困难，并且可能发生这样错误，使得没人准备着手进行。尽管如此，大多数物理学家相信，超引力可能是把引力和其它力统一问题的正确答案。
　　你也许会以为检查超对称的成立是件容易的事——就检查存在粒子的性质，并看它们是否配对。这样的伙伴粒子没有被观察到。然而，物理学家进行过各种计算表明对应于我们观察到的粒子的伙伴粒子应是质子一千倍那么重，如果不是更重的话。这种粒子太重了。以至迄今在任何实验中都看不到，但在日内瓦的大型强子碰撞机中有望最终创生这样的粒子。
　　超对称的思想是创造超引力的关键，但此概念实际起源于多年前研究所谓弦论的理论雏形的理论家们。根据弦论，粒子不是点，而是具有长度没有高度或宽度的象无限细的一段弦的振动模式。弦论也导致无限，但人们相信，这种无限在合适的版本中将被对消掉。它们还有另外不寻常的特征：只有在时空为十维而不是通常的四维时，它们才是协调的。十维也许听起来激动人心。但是你若忘记何处泊车它们就会引起真正的问题。如果它们存在的话，为何我们没有觉察到这些额外的维度呢？根据弦论，它们被卷缩成非常小尺度的空间。为了描述这个，想象一个二维的平面。
　　因为你需要两个数(例如水平和垂直坐标)去定位平面上的任何点，所以称平面是两维的。另一个两维的空间是麦秸的表面。为了在这个空间定位，你要知道这一点在沿着麦秸长度的何处，还需要位于沿其圆周维度的何处。然而如果麦秸非常细，那么只用沿着麦秸长度的坐标你就能得到近似得非常好的位置，这样你可不考虑圆周的维度。而如果麦秸在直径方向是亿亿亿亿亿分之一百英寸，你就根本不会觉察到圆周的维度。这就是弦理论家拥有的额外维的图像——这些额外维在小至我们看不见的尺度上，高度弯曲或卷曲的。在弦论中额外维被卷曲成所谓的内空间，相对于我们日常生活中经验到的三维空间。正如我们正要看到的，这些内部状态不仅是毫无声息的隐藏的维度。它们具有重要的物理意义。
　　弦论除了维数的问题，还受另一个令人困惑的问题的折磨：似乎至少存在五种理论以及几百万种额外维卷缩的方式，对于那些提倡弦论是万物的唯一理论的人而言，这是非常令人困窘的可能性。后来，大约在1994年左右，人们开始发现对偶性——不同的弦论以及不同的卷缩额外维的方式，是描写四维中的同样现象的全然不同的方式。此外，他们发现超引力也以这种方式和其它理论相关联。弦理论家现在坚信，五种弦理论和超引力只是一个更基本理论的不同近似，各自在不同的情形成立。
　　正如我们早先提到的，那个更基本的理论称为m理论。似乎无人知道“m”代表什么，它可能代表“主要”“奇迹”或者“神秘”。它似乎是所有这三者。人们仍然努力去释明m理论的性质，但那也许是不可能的。在传统上，物理学家期望自然有一个单独理论，这或许难以获得支持，并且也不存在一个单独的表述。我们要描述宇宙，可能只好在不同的情形下用不同的理论。每一种理论都拥有它自己的关于实在的版本。但是根据依赖模型的现实主义，只要在理论一旦交叠，也就是它们都能适用之处，它们的预言一致，那就可以被接受。
　　不管m理论是作为一个单独的表述，还是只作为一个网络而存在，我们的确知道它的一些性质。首先，m理论具有十一维时空，而不是十维时空。弦理论家早就怀疑，十维的预言也许必须调整，而最近的研究显示，一维的确被忽略了。还有，m理论不仅包含有振动的弦，还包含点粒子，二维膜，三维块，以及其它更难被想象的占据直至九维的更多空间维度的其它物体。这些物体被称作p—膜(这儿p从零到九)。
　　卷缩成极小维度的大量方式又是怎么回事呢？在m理论中那些额外的空间维度不能以任意方式卷缩。该理论的数学限制内空间维度能被卷缩的方式。内空间的准确形状既确定物理常数的值，比如电子的荷，又确定基本粒子之间的相互作用。换言之，它确定自然的表观定律。我们说“表观”是因为我们说的定律是指在我们的宇宙中观测到的——四种力的定律，以及诸如那些表征基本粒子的质量和电荷的参数。但是更基本的定律是m理论中的那些定律。
　　因此，m理论的定律允许拥有不同表观定律的不同宇宙，依内空间如何卷缩而定。m理论具有允许不同内空间，也许多达10的500次方的解，这意味它允许10的500次方的不同宇宙，各自具有自己的定律。为了得到那有多少的印象，这么考虑：如果某种生物只在一毫秒就能分析为那些宇宙中的每一个预言的定律，并且从大爆炸就开始进行，至今那个生物才研究了其中的10的20次方个。而且那是连在喝咖啡的时间都不休息。
　　几个世纪之前，牛顿证明，数学方程能对物体相互作用给出令人惊讶的准确描述，无论是在地球还是在天穹。科学家们由此相信，如果我们知道正确的理论并拥有足够的计算能力,便能预见整个宇宙。后来出现了量子不确定性，弯曲空间，夸克，弦，以及额外维，而他们工作的最后结果是10的500次方个宇宙，各拥有不同定律，其中只有一个对应于正如我们所知道的宇宙。物理学家原先希望创造一个单独的理论，把我们宇宙的表观定律解释成一些简单假设的唯一可能的结果，这种希望也许必须被抛弃。那我们该怎么办？如果m理论允许10的500次方族的表观定律，那我们为何落到这个宇宙，并拥有我们可见到的定律？其它那些可能的世界又是怎样的呢？