如何知道上帝的心思

2016-01-21作者:(英) Alok Jha 著编辑:翁小鲁

现代物理学的两大支柱分别是爱因斯坦的广义相对论和由尼尔斯•波尔、沃纳•海 森堡、保罗•狄拉克三人共同创立的量子力学,但广义相对论和量子力学的观点不是很 一致。因此,当我们要回答物理学中一些重大问题时就很头痛,比如:大爆炸时到底发 生了什么?宇宙从哪里来?该用广义相对论的方程(因为质量极大)还是用量子力学呢 (因为空间极小)?

困境一渺茫的统一场论

爱因斯坦的广义相对论描述了大质量物体的引力如何扭曲其周围的空间,将牛顿的万有引力定律导入了几何学的范畴。量子力学则认为亚原子 级别的世界是不可预测的,基本粒子的行为完全随机。建立一个统一所有 物理定律的“万物之理”已耗费了理论物理学家们几十年的时间。爱因斯 坦在其人生的后几十年尝试统一广义相对论和电磁学,但因为他对原子核 中潜藏的强核力和弱核力一无所知,且又对量子力学不甚重视,到了 1955 年去世时仍无所进展。

虽然其他物理学家对量子引力学也不抱着很认真的态度,但20世纪 物理学研究的大部分内容仍是发展和理解量子力学。五六十年代物理学界 的巨星们,包括美国的大师级人物理查德•费曼、穆雷•盖尔-曼和斯 蒂文•温伯格都曾孜孜不倦地对量子力学进行描述和完善,这才使其发 展成了一个健壮的理论,为今天的人们所了解和应用(例如,它是所有 电子元件背后的基本原理)。他们构建并完善了粒子物理学中的标准模型 (Standard Model)——对所有已知亚原子粒子的精确的量子力学描述,并 因此获得了几项诺贝尔奖。然而,这些工作却不曾缩短量子力学和广义相 对论之间的距离。但对统一理论的研究却从未停止。几十年来,理论物 理学家们一直不懈努力,他们已为统一自然界四种基本力打下了理论基础 (参见第12问),一些谜题也有了思路,比如:质量从何处来?为什么宇宙 的大部分不见了®?自从25年前标准模型建立后,粒子物理学领域并没有 什么重大发现。不过,新一代科学家们已在位于日内瓦的大型强子对撞机 中进行实验,着手将物理学中最精心构建的粒子撞成碎片。

①根据最乐观的估计,我们仅知道宇宙4%的质量是由原子构成的,剩余的是我们 知之甚少的暗物质和暗能量。

“我想知道上帝是怎么创造这个世界的。我对这样或那样的现象不感兴趣,对某物的范围不感 兴趣。我想知道他的想法,其他的都是细枝末节。”

超越标准模型

标准模型描述了 12种叫做“费米子”(fermion)的物质粒子的性质, 以及决定了它们之间如何相互作用的媒介粒子。物质粒子由6种夸克(它 们有的构成质子和中子,有的因为过重,只存在一瞬间便衰变为较轻的粒 子)和6种轻子(包括电子和中微子)构成。媒介粒子(称为“玻色子”) 包括光的粒子(光子)和胶子,它们将夸克限制在原子核中。此外还有反 物质,构成它们的粒子与一般物质类似,但带电性相反,如正电子质量与 电子相同,但带正电;反质子由反夸克构成,总体带负电。

如果可以拓展标准模型,使其包含引力方面的内容,这将是统一场论 发展上的一大步。已有观点认为引力子是传递引力的粒子,但直到目前仍 无法通过实验来观察验证这一点。尽管如此,科学家们仍然不懈地努力, 试图通过拓展标准模型来解决一个令人头疼的大问题——宇宙大部分是由 我们未知的东西构成的。科学家们认为宇宙有1/4是不产生辐射®、无法检 测的“暗物质”。有的理论科学家希望“超对称性”的观点或许能有助问题 的解决。“超对称性”是对标准模型的拓展,它认为每个已知的粒子都有 一个更重、超对称的“孪生子”:电子对应尚未发现的超电子(selection), 夸克对应超夸克(squark),光子与中微子对应光微子(photino)和中轻微 子(neutralino)。科学家们幸运地发现,中轻微子(也是最轻的粒子)的部 分属性与对神秘巨型暗物质的预测一致。

另一标准模型的替代理论称为“人工色理论”(technicolour)。超对称 理论仍沿用我们所熟悉的自然力,只是额外加了些粒子,而人工色理论则 引入了一种我们尚未检测到的古怪的“基本力”。比如,它提到夸克并非是 单一的粒子,而是更小的、叫做“techniquark”的集合体。

①所有物质,只要有温度,都会产生电磁辐射。

弦理论

超对称性也属于物理学中最近于“万物之理”的理论(即弦理论,尽 管仍有争议)的重要组成部分。弦理论能够解释量子理论和相对论,并能 解释统一场论的大多数问题。弦理论认为世界是11维的,但是,它的所有 观点都未经实验检验。实际上,它描述的尺度是如此微小,以至根本无法 对其进行验证,因此便产生一个问题:弦理论到底还能算得上是科学吗?

这个极为艰深、复杂的数学理论最早出现于20世纪60年代后期,用以描述强核力------ 种防止原子核因质子间的互斥力而分崩离析的强作用力。质子由叫“夸克”的粒子构成,而夸克通过传递强核力的胶子结合在 一起。起初的弦理论是为了回答为什么夸克和胶子总形影不离,即便原子 经过粒子加速器后已支离破碎。简单地说,弦理论认为胶子和夸克可能是 同一条能量弦的两端,既然不可能存在只含一端的弦,夸克和胶子就不可 能独立存在。这一观点在物理学家们提出了更为完善的、描述强核力的色 动力学后“失宠”。色动力学精确地从量子力学的角度描述了夸克和胶子之 间的相互作用。

但弦理论并非从此退出历史舞台,而是随后发展成为一种不仅能解释 强核力,还有可能解释四种基本力的理论。最早的“升级版”弦理论认为 宇宙间所有物体,从地球到你现在手中所拿的书,都是由微小的、振动着 若干股能量(即所谓的弦)构成的。一时间,不同版本的弦理论各执一词, 直到美国科学家艾德•威滕(弦理论之父和 近似“当代爱因斯坦”一样的人物)出面,混乱局面才得以平息。他通过M理论来表 明:那些彼此竞争的理论实际上是同一观点 的不同侧面。

在M理论之前,弦理论的世界只有十 维,其中一维为时间,三维为空间,还有6 个额外的维度,它们“蜷曲”得如此微小,肉眼根本见不着。威滕的M理论另增加了 一维空间,因此维度总数变为11,威滕认 为这个世界不仅含有弦,还有看起来更像面 (surface)或膜(membrane)的东西。这些膜(brane)存于三维或维度更髙的空间 中,它们含有足够的能量,能变得巨 大无比,甚至像整个宇宙那么大。 额外的维度还能解决为什么引 力如此弱的问题。也许,引力 实际很大,只是存于目前尚未 发现的维度中。我们之所以觉得引 弱,是因为它只有一小部分渗入我们所在的世界。

弦理论的发展涉及了许多数学方面的工作,它们是由世界最顶尖的科学家们来完成的。弦理论是目前为止在统一量子力学和引力方面最流行的观点。但是,它的观点远超乎我们对现实世界的体验,以至于许多批评人士认为,弦理论与其运动轨迹都会往恒星方说是对自然的终极科学描述,不如说是一种哲学理论。除非弦理论能得到 向偏移。我们将这一作用称为引力。

质量从哪里来

质量从哪里来这个问题似乎让人莫名其妙。质量本来不就在那吗?如 果要详细些,你可以说:质量是费米子(夸克和轻子)在一个物体中所累 加的量。把这些微小的质量加起来,你就得到一颗原子或更大的物体的总 质量。真要有如此简单就好了。以这样的逻辑,你可能认为这本书的质量 就是它所有书页中的原子的总和。然而如果你再仔细想想,就会发现非常 奇怪的问题,物质粒子,夸克和轻子,本身没有质量吗?

物理学家从未真正搞明白这个问题,直到一名腼腆的爱丁堡物理学家 彼得•希格斯提出了一个可能的答案。他认为,构成物质的基本粒子刚形 成时,即在大爆炸后的几分钟内,是没有质量的,但很快,某样东西的激 活便使得它们获得了质量。这样“东西”便是尚未发现的场,它遍布整个 空间,不论粒子在哪里,它都依附其上,“拽”着它们,于是形成了我们所

①如果这些粒子没有质量,怎么就最后产生了质量?如果它们有质量,质量又是哪 里来的呢?可见问题并非如此简单。

称的质量。在希格斯的场中,有的粒子比另一些粒子的相互作用更强。光 的粒子是不受该场影响的,故而无质量;较重的粒子在场中运动时就仿佛 蹚过泥潭般步履蹒跚。希格斯的计算表明,若要受此场影响,费米子必须 通过一种尚未发现的粒子即希格斯的玻色子,与场相互作用,从而使费米子获得质量。

如何验证我们的想法

深埋于日内瓦附近的侏罗山底下、横跨法国与瑞士边界的,是一个周 长为27千米的环形隧道。它已见证了历史上一些极为重要的科学实验,并 将于21世纪继续这一光荣使命。这便是欧洲粒子物理研究所备受关注的大 型强子对撞机,质子在这一粒子加速器中以近光速对撞,爆炸将使粒子分 裂,瞬间产生只有在宇宙大爆炸后几秒之内才存在的状态。科学家们希望 爆炸将形成一批之前从未在实验中检测到的新粒子。宇宙学家们将会仔细 察看爆炸后的残骸,以期发现线索,进而验证他们有关宇宙基本属性的观点。他们首先寻找的就是希格斯玻色子,然后是与超对称和新维度有关的 特征。物理学家们认为,后者将会通过产生短时存在的微小黑洞而表现出 来。不论大型强子对撞机发现什么,都会改变物理学,促进有关力的统 一和暗物质的问题的解决。不过,也有可能事与愿违,如果 科学家们并没有发现希格斯的玻色子呢?如果在加速器能达 到的髙能状态下,科学家们发现标准物质粒子并不含有超对 称的“孪生粒子”呢?就算如此,依然会有一些科学家感 到很兴奋,因为这意味着他们需要重新审视现实。

随着强子对撞机中实验的进行,一些物理学家极力确保不放过任何能证明某些理论错误的情 形。物理学家吉姆•阿尔卡利利写道:“如 果没找到证据证明一些疯狂的想法,人 们不会太计较;但如果这些想法得到 了证实,他们就会为自己之前没有勇 气提出它们而懊悔莫及。”


内容来源:书问

作者[英]杰哈(Jha, A. )
出版人民邮电出版社
定价39元
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