理論模型已經誕生40多年，為何依然沒有理論能支持它？

讓晚年的愛因斯坦魂牽夢繞的大統一理論究竟是什麼？距離其第一個理論模型誕生已過去四十年，為何科學界至今都找不到直接證據來支持它？

20年來，日本的物理學家始終在監測著安放於一座廢棄砷礦深處的一個巨型水箱。為什麼他們要這麼做？這個水箱有13層樓高，裡面裝滿高純度水。科學家希望能夠觀測到水中的質子發生自然衰變。在此期間，他們在這個龐大的水箱中有了另外的發現（與一種名為中微子的粒子相關），並因此榮獲諾貝爾獎。不過，該團隊對質子衰變的觀測仍在繼續——這種物理現象將確認，在宇宙誕生之初，大自然四種「基本力」中有三種是從同一種力分離出去的。

「到目前為止，我們還沒能找到質子衰變的證據，」東京大學的科學家三浦誠（Makoto Miura）說道，他是超級神岡探測器（Super-Kamiokande）實驗質子衰變觀測團隊的負責人。

不同的大統一理論（GUT）認為強相互作用力、弱相互作用力和電磁力是統一的，這些理論對質子衰變的時間做出了一系列不同的預測。超級神岡探測器的最新分析數據表明，這種亞原子粒子的平均壽命至少能達到1.6x10 34年，比該團隊在2012年測定的1.3x10 34年更長。這項研究的論文於10月發布，並正在接受《物理學評論D輯》（Physical Review D）的發表審議，其結論排除了一系列理論預測的質子壽命，令四十多年來科學界孜孜不倦追求的大統一假說變得更加飄渺。「到目前為止，我們能夠驗證這種理論的最可能方式就是觀測到質子衰變，」來自特拉華大學的物理學家斯蒂芬·巴爾（Stephen Barr）說道。

如果觀測不到質子衰變，就只有一些間接證據表明支配基本粒子的各種力是從單一的「大統一」力分離出來的：當被賦予更高的能量時，這三種力的相互作用強度似乎會趨向一致；而且，它們的數學結構表明，這三種力被包含在一個更大的整體當中——就好像地球如今的大陸板塊表明，它們都是從遠古的盤古大陸分離出來的。

「這麼多的片斷都能完美契合，」巴爾說，「大多數人覺得，這不可能是巧合。」

如果這三種力在宇宙誕生之初的億兆分之一秒的確是同一種力，那麼如今對這些力有著不同反應的粒子將該是對稱且可互換的，就像水晶的晶面。隨著宇宙冷卻下來，那些對稱性遭到了破壞，猶如水晶破碎，然後才出現了我們在如今宇宙中所觀測到的不同粒子和複雜性。

在過去的40年中，物理學家已經提出了多種大統一理論模型，對粒子可能的初始對稱狀態進行了描述。如果能找到正確的模型，我們將不僅能夠揭示大自然規律的基本數學結構（以及它們如何跟第四種力——引力——對上號），而且可能發現已知粒子之外的其他粒子。這反過來有可能為我們解答物理學的其他深奧秘密，比如宇宙物質和反物質之間的不平衡以及中微子無法解釋的質量。「毫無疑問，我們的夢想是建立一套統領一切的理論，」來自美國德州農工大學的物理學家迪米特里·南奧普洛斯（Dimitri Nanopoulos）如是說，正是他創造了「大統一理論」這個術語。

直接用實驗複製兩種力的合一，那將需要大到不可想像的能量。不過，大統一力應該會在今天的宇宙中留下微妙的痕迹。所有的大統一理論模型都斷定，夸克（它是構成質子和中子的基本單元）最初跟輕子（包括電子在內的一類基本粒子）是無法區分的。由於量子的不確定性，跟這種基本對稱相關的大統一力應該會偶爾重新浮現，自動將一個夸克（或反夸克）轉變為相應的輕子（或反輕子）。當這種情況發生在質子內部的一個夸克身上時，這個質子會瞬間瓦解，並在此過程中釋放出可被檢測到的輻射。這正是超級神岡探測器實驗的物理學家一直在翹首等待現象。

大統一的夢想始於1974年，當時謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年獲得諾貝爾獎，現任職于波士頓大學）和哈沃德·喬吉（Howard Georgi，現任職於哈佛大學）發現，數學的對稱群 SU(3)、SU(2)和U(1)——它們分別對應於強相互作用力、弱相互作用力和電磁力，加在一起共同構成了粒子物理學的「標準模型」——可以被納入一個單一的更大對稱群，把所有已知粒子都囊括在內，即SU(5)。

「我們認為它美到了極致，」格拉肖回憶道。

然而，作為第一個和最簡單的大統一理論模型，SU(5)模型所預測的質子壽命已經被證偽——其他模型最初做出的眾多預測也沒有逃脫相同的命運。現在，超級神岡探測器正在驗證數個流行模型所做的預測，但按照過去20年的經驗來看，這項工作取得大突破已變得很難。「現在要實現大的進步比以前難多了，因為它累積了如此多的數據，」來自波士頓大學的物理學家艾德·卡恩斯（Ed Kearns）如是說，他從一開始就參與了超級神岡探測器實驗。

這讓大統一理論的命運充滿了不確定性。仍然未被證偽的「翻轉SU(5)」大統一理論模型的提出者之一巴爾把這種情形比作一個人等待配偶回家，「如果對方晚了10分鐘，你可以為此找到一種簡單的解釋。晚了1小時，也許那些解釋就變得有點不太可信。如果對方晚了8小時……你會開始擔心另一半沒準已經沒命了。所以，這裡的關鍵是，你在什麼時候判定自己的理論沒戲了？」

他說，眼下，「我們所處的階段更多的類似於對方晚了10分鐘，或者晚了1小時，大統一理論仍然完全有可能是正確的。」

如果大統一理論確實是正確的，那就意味著，宇宙誕生之初存在那種基本對稱，之後因為溫度下降而遭到破壞——這就像是水，它呈液態時在每個方向上看起來都一樣，而在凍結成冰之後就擁有了不同的方向。

對稱性是指系統發生改變前後的狀態是等價的。比如，把一個正方形旋轉90度，它看起來跟原來一模一樣。要讓一個矩形對象呈現出這種旋轉對稱性，它必須擁有4個相同的邊。同樣，如果大自然的規律中存在一定的對稱性，那麼它必須要依靠一組對稱的粒子來實現。

位於日本神岡縣的超級神岡探測器，這是它在2006年重新注水時拍攝的照片。

就拿SU(3)來說，這個對稱群對應的是強相互作用力（正是它讓夸克結合成了質子和其他複合粒子）。該對稱群中包含了這樣的規則：三種電荷不同（通常標記成紅色、藍色和綠色）的「上夸克」（它是六種夸克類型中的一種）都是可以互換的。也就是說，如果你把全宇宙中的所有紅色上夸克換成藍色，把所有藍色上夸克換成綠色，把所有綠色上夸克換成紅色，這種變化是不會被察覺到的。「下夸克」和其他類型的所有夸克也都具有這種三重態對稱性，就好像一個等邊三角形的三條邊。膠子是在兩個夸克之間傳遞強相互作用力的基本粒子（它有八種類型），我們可以把它想像成三角形的轉子。

與此同時，SU(2)對稱群對應的是弱相互作用力（很多放射性衰變就是由它引起的）。該對稱群中包含了，比如說，上夸克和下夸克之間的對稱性。如果把描述弱相互作用力的方程式中的所有上夸克和下夸克進行互換，「你也永遠不會察覺，」南奧普洛斯說道。

像SU(5)那樣的大統一理論模型，它包含了SU(3)、SU(2)和U(1)的所有對稱性，並加入了新的對稱性。例如，SU(5)把夸克和反夸克跟輕子和反輕子組合成了「五重態」，就像是正五邊形無法區分的五條邊。在這個更大的數學結構中，傳遞強相互作用力、弱相互作用力和電磁力的基本粒子是等價的；它們共有12種類型，自然而然，另有對應的12種基本粒子負責傳遞單一的「大統一」力。

當他們提出SU(5)模型時，格拉肖和喬吉立刻意識到，SU(5)結構中那額外的12種載力子（force carrier）會引起質子衰變。當SU(5)的大統一力突然變成我們如今所見的三種力時，12種原始的載力子就變成了它們當前的樣子，而另外12種載力子並沒有消失，只是變得極其沉重和無力。這些幽靈般的載力子會偶爾出現，把一個夸克改換成一個輕子。喬吉和其他科學家計算得出，如果SU(5)模型是正確的，那麼質子（由三個夸克構成）平均會在10 29年內發生衰變。

上世紀80年代，美國俄亥俄州的Irvine-Michigan-Brookhaven（IMB）探測器實驗和神岡探測器實驗（它是超級神岡探測器的前輩）均證偽了這一預測。物理學家找到了一些迴旋餘地，提出了比原來長出100多倍的新時間預測，但這還不夠。在於1996年正式啟動的幾年之後，超級神岡探測器實驗明確排除了SU(5)的可能性。「大家都很沮喪，」巴爾回憶道。

自那以後，隨著科學研究的深入，情況反而變得更加模糊不清。SU(5)模型已經儘可能簡單，但研究人員發現了一系列其他讓現有粒子可以嵌入其中的對稱群，它們的額外功能和變數允許質子衰變以慢得多的速度進行。這些模型中有幾個增加了一種額外的對稱性，即「超對稱」（supersymmetry），它讓粒子的數量增加了一倍。其他模型，諸如翻轉SU(5)，對SU(5)五重態中的夸克和反夸克如何跟輕子和反輕子搭配進行了重排，並在此過程中增加了一種額外的對稱性。

大統一理論的發展

標準模型的粒子和各種力可以被嵌入越來越大的對稱群中，這對應的就是大統一理論越來越高的複雜性。以下圖表通過Elementary Particle Explorer製作，它們是一些大統一理論的二維投影。我們可以看到，粒子依據自己的電荷沿著灰色軸線排布。載力子（玻色子）通過圓形和正方形標示，構成質量的粒子（費米子）則用其他多邊形標示。

超級神岡探測器的最新研究成果將質子壽命的下限設定在略高於1034 年，從而印證了很多大統一理論模型預言的區間——其中包括翻轉SU(5)，它預言的質子衰變期在1034至1036年之間。「我對此感到非常興奮，」南奧普洛斯說道，他是在上世紀80年代提出翻轉SU(5)模型的研究人員之一。

不過，儘管超級神岡探測器有可能在未來幾年挖到金礦，對這些模型當中的一個加以驗證，但也有可能即便再運行20年也只是將質子壽命的下限稍微上調一些罷了，而無法明確排除任何模型。

日本正在考慮斥資10億美元建造名為究極神岡（Hyper-Kamiokande）的新探測器，它的體積將比超級神岡大出8-17倍。在運行20年後，究極神岡探測器將能探測到1035年的質子衰變。它有可能觀測到衰變的微妙跡象，或者，什麼也觀測不到。「我們可能運氣不佳，」巴爾說，「或許我們建造出了有史以來最大的探測器，而質子衰變的速度卻剛好比它的探測極限慢了一點，那我們就不走運了。」

不管探測器造得有多大，物理學家總是可以提出更加複雜的大統一理論模型來規避實驗驗證——就比如E6或E8那樣的對稱群，它們擁有豐富的參數可供調節，讓質子可以擁有任意長的壽命。這些模型中可能有一個是正確的，但沒有人會知道答案。「人們可以構建出具有更高對稱性的模型，倒置過來，試圖避開質子衰變，」南奧普洛斯說，「好吧，你可以這樣做，但是……總不能就這麼交差吧。」

比如，在SU(5)模型被排除之後，格拉肖在很大程度上已經失去了對整件事情的興趣。「觀測質子衰變一直沒有成功，」他說，「那麼多偉大的想法夭折了。」

大統一理論並沒有完全宣告破產，我們找到的旁證跟以往一樣引人注目。但是，這種理論可能會繼續停留在永恆的不確定狀態，就像永遠不確定是否會衰變的質子。

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