我们离万有理论有多远？

2017 年 7 月 20 日 中科院物理所 Ethan Siegel

文：Ethan Siegel / 译：小雨

在爱因斯坦之前，物理学家就一直梦想着能够找到一个支配宇宙中所有现象的单一方程，将宇宙中所有不同的物理定律统一到一个框架中。十九世纪中期，詹姆斯·麦克斯韦实现了一次卓越的统一，他将支配电荷、磁力、电流、电磁感应等等相关现象的物理定律统一到一个单独的框架中。从那以后，物理学家就梦想能找到万有理论：一个统一宇宙中所有定律的方程。经历了这么多年对万有理论的苦苦追寻，我们是否已经取得了进展呢？

的确，在这个问题上我们已经前进了许多，但却远还未实现统一的梦想。不仅如此，我们甚至不确定是否真的存在所谓的万有理论。

△ 宇宙中已知的四种基本相互作用。从左至右分别是：作用于带电荷的粒子之间的电磁力；制约着放射性现象的弱核力；强核力负责将质子和中子紧紧地束缚在一起；在引力的作用下，苹果会落在地上，地球会绕着太阳转，星系才不会分崩离析。（图片来源：Maharishi University of Management）

到目前为止，我们已经发现的自然定律可以分为四种基本力：由广义相对论所支配的引力，以及三种支配粒子和它们之间相互作用的量子作用力——强核力、弱核力和电磁力。其实，早在广义相对论发表后的不久后，也就是在我们理解支配核力的基本定律之前，物理学家就已经开始试图将电磁力和引力统一起来。这些想法被称为卡鲁扎-克莱因理论(KK理论)。

△ 在20世纪20年代初，Theodr Kaluza 和 Oskar Klein 就尝试统一电磁力和引力。（图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）

通过在爱因斯坦的广义相对论上增加一个额外的空间维度，就会从五维时空(包括了传统的三个空间维度和一个时间维度)中会得出爱因斯坦的引力、麦克斯韦的电磁学和一个新的额外标量场。这个额外的维度必须足够的小，以至于不会对引力定律产生干扰，而且这额外的标量场在宇宙中并没有可识别的效应。由于我们无法通过该方式推导出一个引力的量子理论，并且随着量子物理学和核力的发现，使得KK理论就此失败。

△ 标准模型中的夸克、反夸克和胶子除了具有质量和电荷外，还具有其他粒子不具备的“色荷”。玻色子（Bosons）帮助其它粒子“交流”，这种交流我们称之为力。除引力外的三种基本力中有四种玻色子分别跟其它粒子作用。当两个电子相互排斥时，它们交换光子，这种交换我们称为电磁力。此外，无质量的胶子传递强核力，而大质量的W和Z玻色子则负责传递弱核力。（图片来源：E.Siegel）

但是到了1968年，关于强核力和弱核力理论的发展直接促成了标准模型建立，它囊括了强力、弱力和电磁力这三种基本力，并且描述了组成所有物质的基本粒子和它们之间的相互作用。在大约100GeV的高能情况下，一种能统一电磁力和弱力的对称性会被恢复。物理学家预言存在一种新的、大质量的玻色子。在1983年，伴随着W和Z玻色子的发现，这一预言得到了验证，统一的力被称为电弱力。至此，四种基本力被减少成三种。

△ 在宇宙早期，当能量足够高时，引力也能够与其它的三种基本力统一在一个框架中。（图片来源：ABCC Australia 2015 www.new-physics.com）

电弱统一的成功并没有使物理学家停下脚步，他们预测在更高的能量下，强力也会跟电弱力统一，这便是所谓的大统一理论(GUTs)。有一些人甚至认为在更高的能量下(大约在普朗克尺度下)，引力也能被统一在一起——这个目标正是弦理论的主要动机之一。但在这些想法的背后有趣的地方是，若要实现统一，则需要在更高的能量等级下恢复某些对称性。而如果宇宙在高能下具有对称性，而现今对称性破缺了，就会转换成某些可观测的现象：如新的粒子和新的作用力。

△ 标准模型中的粒子和它们对应的超对称伙伴粒子。在弦理论的背景下，为了统一四种基本力，这些粒子的出现是一个不可避免的结果。（图片来源：Claire David）

那么，有什么新的粒子和新的相互作用可以被预测呢？这取决你选择哪种统一理论的变体，但其中都包括：

重、中性的类似暗物质粒子；
超对称伙伴粒子；
磁单极子；
重、带电的标量玻色子；
多种类似希格斯玻色子的粒子，
传达质子衰变的粒子。

尽管我们可以从间接观测中确定宇宙中存在着暗物质，但目前没有任何一个暗物质粒子的候选者或者预言的衰变被观测到。

△ 物理学家Blas Cabrera设计了这样一个实验：把一个线圈降温至9K，使其成为超导线圈，并把它放在一个超导的铅箔筒中。该筒用以屏蔽掉一切带电粒子引起的磁通量和消除外界磁场的影响，只有磁单极进入线圈时可以引起磁通量的变化。假如有一个磁单极子从仪器中通过，仪器就会得到一个8磁子（磁子是一个常数）的信号。如果一个磁偶极子通过，就会得到一个+8磁子的信号紧随着一个-8磁子的信号。他确实得到了一些信号，但都是一两磁子而已，从来没有超过3磁子。直到1982年2月，情人节那天，卡布雷拉并没有到实验室工作。而当他再次回到办公室的时候，惊讶地发现仪器恰恰在情人节这天记录到了一个8磁子的信号。该图显示了Cabrera的实验结果（1982）。可惜在后来的实验中再也没有发现类似的信号。（图片来源：Cabrera B.）

从各方面考虑，这都是一件忧伤的事情，因为我们已经寻找得非常努力了。在1982年，有一个寻找磁单极子的实验观测到了一个疑似的信号，一时掀起了寻找磁单极子的热潮。不幸的是，这是一次异常结果，后来的实验者中没有一个人能够再次看到任何相同的信号。同样还是在上个世纪八十年代，科学家开始建造巨大的水箱和其它的原子核，以寻找质子衰变的证据。而这些大型水箱后来也被改造成中微子探测器，且至今为止仍没有观测到一个衰变的质子。现在，质子的寿命被实验限定为大于10^35年——这要比宇宙的年龄都高出25个数量级。

△ 日本超级神冈的大水槽，最严格的限制了质子的寿命。后来，探测器成为了出色的中微子探测器，但至今仍未发现一个质子衰变的事件。（图片来源：Kamioka Observatory）

这就有点糟糕了，因为大统一理论还提供了一个解决物质/反物质不对称性的漂亮途径。在宇宙早期，炽热的环境足以产生所有可能存在粒子的物质和反物质对。在大部分GUT模型中，这些粒子中有两个特别重的粒子，被称为X和Y玻色子，它们带有电荷、并包含夸克和轻子耦合。物理学家预测在物质和反物质的衰变方式中存在着一种不对称性，从而可以产生相较于反物质而言更多的物质，即使最初什么都没有。但不幸的是，我们还没有找到证明这种粒子和或相互作用的证据。

△ 具有正确的GUT性质的物质与反物质玻色子（X和Y，以及反X和反Y）的相同对称的集合，可以导致我们在宇宙中发现的物质与反物质的不对称性。（图片来源：E.Siegel/Beyond the Galaxy）

一些物理学家主张宇宙必须拥有这些对称性，而证据就隐藏在大型强子对撞机都无力探索的高能下。但另外一些人则开始思考一个令人更加不安的可能性，即：自然或许并不统一。或许根本就不存在大统一理论来描述物理实在；或许一个引力的量子理论无法与其它的力统一；或许重子产生过程和暗物质的问题有其它的答案，而不是基于现在这些想法。毕竟，我们的宇宙究竟是怎样的最终仲裁者并不是我们的想法，而是实验和观测的结果。

△ 标准模型的拉格朗日量，包括了五个独立的部分：(1) 描述了胶子。(2)大概一半的方程是用来解释玻色子之间的相互作用的，特别是W和Z玻色子。(3)这个部分的方程描述了基本物质粒子与弱核力之间是如何作用的。根据该公式，物质粒子共分为三代，每一代都有不同的质量。弱核力帮助那些质量较大的粒子衰变为质量较小的粒子。这部分也包括了与希格斯场的基本作用，也就是一些基本粒子获得质量的来源。有趣的是，这部分方程的其中一个假设与物理学家近年的发现相悖。它错误的假设中微子是没有质量的。而我们在实验中已经探测到中微子具有轻微的质量。(4)在量子力学中，粒子的运动路径并不是单一的，也就是说有时候在这一类型的数学方程中会出现“冗余”。为了消除这些冗余，理论学家经常利用虚粒子，他们称之为鬼粒子（或鬼场）。这个部分的方程描述了物质粒子如何与希格斯鬼粒子（希格斯场的虚拟实体）作用。(5)方程的最后一部分包括了更多的鬼粒子，它们叫做法捷耶夫-波波夫鬼粒子，用来抵消发生在弱核力的相互作用时的冗余。（图片来源：Thomas Gutierrez）

尽管我们可以用一个单一的方程写下标准模型，但这并不是真正意义上的统一，其中不同的、独立的项支配着宇宙的不同部分。标准模型中不同的部分之间并不相互作用，比如色荷并不影响电磁力或弱力，以及一些与应该发生的相互作用有关的未解的问题，如为什么CP破坏不发生在强力中。

△ 自发对称破缺是粒子物理学标准模型的基础原则之一。举一个简单的例子，让铅笔笔直竖立，这时它处于对称状态。但它是不稳定的。铅笔倒下时（肯定会倒下的），它会随机倒向一方，从而打破对称。因此，当对称性恢复时（势能的顶端），就会发生统一。但是对称性破缺时，如上图的球滚到底部，即相当于今天观测到的宇宙，会产生新的大质量粒子。（图片来源：Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011)）

一个能解释这些问题的统一理论是许多物理学家的希望，希望它能解决许多物理学所面临的许多开放性问题和谜题。但是，任何额外的对称性——那些在高能下会恢复的对称性但今天却破缺的——都会产生新的粒子、新的相互作用以及新的物理定理。我们已经试图使用我们需要解决的规则来反向设计一些预测，但是我们希望找到的粒子和统一却从未实现。统一理论并不能帮助我们推导一些涌现的性质，比如化学、生物、地质学或意识等等，但却能帮助我们更好的理解万物的起源。

△ 宇宙的演化历史。（图片来源：Luis Álvarez-Gaumé & John Ellis, Nature Physics 7, 2–3 (2011)）

当然，这还存在另外一种可能，即宇宙根本就无法统一，而我们之所以有这么多不同的定律和规则的原因是：我们所发明的对称性仅仅只是我们自己的数学发明，而不是对物理宇宙的描述。对于每一个优雅，美丽，令人信服的物理理论，都有一个同样优雅、美丽和引人注目的错误的物理理论。在这些事情上，就像在所有科学问题上一样，我们人类需要提出对的问题，但由宇宙来决定要告诉我们什么样的答案。无论答案是什么，那都是我们所拥有的宇宙。而我们要做的就是去思考这些答案意味着什么。

本文经Ethan Siegel授权翻译，略有增删，原文发表于：https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/07/08/ask-ethan-how-close-are-we-to-a-theory-of-everything/#2bd8b1255e9c

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