愛因斯坦的未竟之夢，物理學「大統一理論」簡史（上）

作者：LAWRENCE M. KRAUSS

翻譯：山寺小沙彌

審校：帥姜凡學長

在2012年發現希格斯粒子之前，粒子物理學家曾經有過兩次噩夢：一個是大型強子對撞機（LHC）無法產生任何新的粒子，如果真是這樣，那麼它可能是最後一個用來研究物質基本結構的大型加速器了；另一個問題則在於，LHC的用途除了發現物理學家彼得·希格斯在1964年預測的希格斯粒子之外，似乎就沒有什麼其它作用了。

大型強子對撞機（LHC）

經驗告訴我們，每當我們解決了一個問題，揭開了它背後神秘的面紗，又會有許多新的問題湧現出來。因此，每個重大的科學突破，除了其自身的成果外，往往還會帶來更多需要解決的新問題。但儘管如此，這些科學突破本身能為我們繪製出一幅尋找問題答案的藍圖。希格斯粒子的成功發現，以及希格斯場的證實（在量子世界中，每個粒子都與一個場相關聯，希格斯粒子也不例外），是對20世紀物理學一個大膽預測的驗證。

不過，謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）的話依然是正確的：希格斯場就像一個「馬桶」，這個「馬桶」里隱藏著很多我們無法解釋的混亂細節。當大多數粒子穿越其中時，會與其發生相互作用，產生阻力來減緩它們的行動，並賦予它們質量，使它們「看起來很重」。因此，儘管通過基本粒子我們可以描述整個世界，然而我們所測量到的基本粒子的質量就像是一種「幻覺」，測量的過程其實也伴隨著一定的偶然性。

粒子相互作用 繪圖：Jonathan Feldschuh

希格斯理論的概念非常簡潔，它本質上是對物理學標準模型的特別補充。這個模型解釋了四大基本相互作用力（弱相互作用力、強相互作用力、引力、電磁相互作用力）中的三種，以及這些力與物質的相互作用。希格斯場被引入到理論中，使得我們能準確地解釋這個世界。但這並不是標準模型理論所要求的內容。宇宙本可以由沒有質量的粒子和弱相互作用力構成。

這時候我們不禁要問，為什麼會存在希格斯粒子呢？為什麼希格斯粒子有質量呢？（每當科學家問「為什麼」，他們真正想表達的是「怎麼會這樣」。）如果希格斯粒子不存在，那麼我們看到的這個世界也不會存在，但顯然這並不成其為一個解釋。研究希格斯粒子背後物理意義的終極目的就是解釋為什麼我們會存在。當我們問：「為什麼我們會存在？」，我們想表達的更深層意思是：「為什麼希格斯粒子會存在？」然而，標準模型並沒有給出我們想要的答案。

但是，理論與實驗的結合給了我們一些提示。1974年，在標準模型的基本結構確立不久後（其一些細節在接下來的十年中才被實驗證實）, 格拉肖和史蒂夫·溫伯格（Steven Weinberg）所在的哈佛大學的兩個物理學研究團隊注意到了一些有趣的事。格拉肖和哈沃德·喬吉（Howard Georgi）合作，完成了格拉肖迄今為止最偉大的研究：他們在現有的粒子和力之間尋找新的模型，並利用群論尋求新的可能性。

在標準模型中，自然界中的弱相互作用力和電磁相互作用力可以在較高的能量尺度上統一，物理學家把這兩種力統稱為「電弱相互作用力」。這意味著弱相互作用力和電磁相互作用力可以用相同的數學形式表達出來，它們都被相同的數學對稱性約束著，都是同一個更深層理論的不同表現形式。但是，希格斯場引起對稱性自發破缺，希格斯場只與傳遞弱作用的粒子發生相互作用，而不與傳遞電磁力的粒子發生相互作用。這種「自然的意外」使得這兩種力在我們可測量的尺度內看上去就好像是兩種完全不同的作用力——弱相互作用在較短的距離起作用，而電磁相互作用力在較遠的距離上起作用。

格拉肖和哈沃德·喬吉試圖將這一思想擴展，把強相互作用包含進來，他們發現，所有已知的粒子和除引力之外的三大基本作用力可以自然地都裝進一個基本的對稱結構里。隨後他們推測，這種對稱性可能在遠超當時實驗範圍的一些超高能量級別上（和短距離尺度內）自發地破缺，留下兩個獨立且不同的完整對稱性——產生了獨立的電弱相互作用力和強相互作用力，隨後，在較低的能量和較大的距離尺度下，電弱對稱性破缺，電弱相互作用力分離成短程的弱相互作用力和長程的電磁相互作用力。

他們「謙虛地」將這個理論稱為大統一理論（GUT）。

與此同時，溫伯格和哈沃德·喬吉發現了有趣的事。雖然強相互作用力在較小的距離尺度上會變弱，但是電磁相互作用力和弱相互作用力卻在此時變得更強。

每當我們打開宇宙之窗的時候，我們都會對窗外的事物感到驚訝。

火箭科學家們對這三種力在某些尺度上是否相同並不感興趣，因為他們關注更多的是，火箭能否發射升空以及如何改進火箭的性能。當他們進行計算時，他們發現這些力是可以統一的，但是僅僅在比質子的尺寸小15個數量級時才能統一。

如果統一理論真的是哈沃德·喬吉和格拉肖所提出的這種理論，這對我們來說是一個好消息，因為如果我們觀察到的所有粒子都是這樣統一的，那麼在夸克（由質子和中子組成）與電子、中微子的轉變之間存在著一種新的粒子（稱為規範玻色子）。 這意味著質子可能會衰變成其他更輕的粒子，而且我們也能探測到這些新粒子。正如格拉肖所說的那樣「即使鑽石化學性質非常穩定，它也無法永恆不變」。

雖然質子會衰變，但是質子必須有一個令人難以置信的長壽命。這是因為我們在大爆炸140億年之後還能存活，而且我們不會在孩童時期就死於輻射。如果質子的平均壽命小於1018年，那麼我們在童年的時候就會被體內的質子衰變產生的輻射殺死。在量子力學中，事件發生具有概率性，如果質子的平均壽命為1018年，假設人體有1018個質子，那麼平均每年就會有一個質子在人體內衰變變併產生輻射，進而危害我們的身體。但是，我們的身體里不僅僅只有1018個質子，所以質子的壽命肯定大於1018年。

然而，由於大統一理論中提到的距離尺度非常小，因此與對稱性自發破缺相關聯的質量尺度非常大，也就是說，規範玻色子將獲得較大的質量。這些規範玻色子使得他們參與的相互作用過程的尺度變得極小，以至於在質子和中子的尺度上，這些相互作用非常微弱。因此，即使質子會衰變，人還是可以存活的，如果上述條件成立，也許質子的平均壽命可能有1024年，即使是這樣，你還是可以順利長大成人的。

經過格拉肖、喬吉、奎恩和溫伯格等人努力，空氣中似乎瀰漫著「大一統」的味道。在電弱統一理論成功提出之後，粒子物理學家們雄心勃勃，準備進一步統一四大基本相互作用力。

然而，如何知道這些理論是否正確呢？當時還無法建造出一台可以探測比質子的能量（質能方程換算出靜止質量下質子的能量）高約1015數量級能量的加速器，這樣的加速器的周長必須有月球軌道那麼長。但是，即使我們可以製造出這樣的加速器，鑒於之前超導超級對撞機（SSC）失敗的教訓，沒有誰是會為此買單的。

幸運的是，我們還有其他的解決方案，通過我剛剛提到的質子壽命極限的論證也可以解決問題。如果新的大統一理論能夠預測出質子的平均壽命，比如說1030年，那麼如果在一個探測器中放入1030個質子，平均每年我們就能探測到有一個質子發生衰變。

那麼，我們到哪裡尋找數量如此龐大的質子呢？答案很簡單：大約3,000噸水。

我們要做的是將一大罐水放在黑暗的環境中，確保周圍沒有輻射，然後在這罐水周圍布置好極其敏感的光電探測器，它們可以探測質子衰變過程中放出的光。一切準備就緒之後，我們所要做的就是靜靜地等待質子發生衰變。世界上有兩台這樣大型的實驗裝置，一個位於伊利湖旁邊的鹽礦地下深處，還有一個在日本的上岡縣附近的礦井裡。選址在礦山是必要的，因為礦山會屏蔽宇宙射線，這些宇宙射線會干擾質子衰變產生的信號。

大型強子對撞機（LHC） 繪圖：Jonathan Feldschuh

這兩個實驗室於1982-1983年間採集數據。大統一理論如此迷人，物理學們相信信號很快就能出現，而大統一理論意味著十多年來物理學的巨大成就，它將把粒子物理學的發展推向頂點，格拉肖等人也可能因此獲得諾貝爾物理學獎。

然而，不幸的是，這個實驗並沒有讓物理學家們稱心如意。第一年、第二年甚至是第三年，探測器都沒有探測到信號。哈沃德·喬吉和格拉肖的想法就這麼被否定了。但是，一旦大統一理論出現問題，物理學家們就不會輕易放過這些棘手的「刺蝟」。他們提出了一些其他的大統一理論，用以解釋為什麼質子衰變超出了這些實驗所能觀測到的極限。

希格斯粒子就像一個「馬桶」。它隱藏在所有的細節里，甚至超過了我們所能談論的範圍。

然而，1987年2月23日，發生了另一件事件，證明了我的格言幾乎是普遍適用的：每當我們打開宇宙之窗的時候，我們都會對窗外的事物感到驚訝。那天，一群天文學家在夜間獲得的照相板中觀察到超新星爆炸，這是近400年來觀察到的距離我們最近的超新星爆炸。這顆超新星距離我們大約有160,000光年，它位於麥哲倫星系。

如果我們關於恆星爆炸的想法是正確的，爆炸過程中大部分能量以中微子的形式釋放。由於爆炸釋放出超強亮度的可見光，超新星爆炸可能是宇宙中最明亮的宇宙煙花（平均每個星系每100年有一顆超新星爆炸）。粗略估計，巨型IMB（歐文-密歇根-布魯克海文）和Kamiokande（神岡探測器）應該看到了約20個中微子事件。當IMB和Kamiokande的實驗者回去審查他們當天的數據時，他們看到IMB在10秒的時間內顯示了8個候選的事件，而Kamiokande則顯示了11次這樣的事件。在中微子物理學的世界裡，這是一大堆數據，它們使得中微子天體物理學突然間達到了成熟的境界。物理學家們通過這19次事件能寫約1,900篇論文，他們透過這些事件看到了恆星爆炸的關鍵，它們能為天體物理學、物理學中的中微子做出巨大的貢獻。

由於認識到大型質子衰變探測器既能用於天體物理，也能用於中微子探測，一些研究團隊便開始構建新一代的雙用途探測器。隨後，世界上最大的一個質子衰變探測器於Kamioka（神岡，位於日本）再次建成，被命名為Super Kamiokande（超級神岡探測器）。這個龐然大物由一個5萬噸的大水罐和周圍的11,800個光電探測器構成，放置在一個礦井裡運行。這個礦井的清潔度和實驗室差不多，保持清潔度是必要的，因為對於一個尺寸如此大的探測器而言，物理學家們不僅要考慮宇宙射線的影響，還要考慮水裡一些放射性元素可能會干擾我們想要尋找的信號。

日本超級神岡探測器

與此同時，物理學家們對於尋找天文中微子信號的興趣也達到了最高點。太陽由於其內部的核反應而產生中微子，20多年來，物理學家雷蒙德·戴維斯（Ray Davis）使用地下的大型探測器，發現了太陽中微子，但是他經過計算髮現，太陽中微子產生的概率比用當時最好的模型（貝特的太陽模型）預測的概率要低三分之一。因此，一台新型的太陽中微子探測器於加拿大薩德伯里的一個深礦中誕生了，命名為薩德伯里中微子觀測站（SNO）。

超級神岡探測器20多年來幾乎一直運行著，期間經歷了幾次升級。然而，它並沒有探測到質子衰變信號，也沒有觀測到新的超新星。但是，將超級神岡探測器和薩德伯里中微子觀測站的工作相結合，我們可以肯定地說，雷蒙德·戴維斯觀測到的太陽中微子虧損是真實存在的，而且引起太陽中微子虧損的原因是中微子的性質而不是太陽的天體物理效應。這意味著三種已知類型的中微子（電子中微子、μ子中微子和τ子中微子）中至少有一種是具有質量的。標準模型中描述的中微子是沒有質量的，因此這是第一個明確指出在標準模型和希格斯粒子外存在著其他新物理規律的觀測結果。

薩德伯里中微子觀測站

不久之後，觀測來自地球大氣層中的中微子（來自太空的高能宇宙射線轟擊地球大氣層會產生大量粒子，其中包括大量中微子）證實了第二種中微子也具有質量。該中微子質量稍大一些，但仍遠遠小於電子質量。由於這些研究成果，SNO和Kamiokande的團隊領導人獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。直到目前為止，這些令人興奮的新發現仍然不能由現在的理論來解釋。

未完待續，下周四見。

編輯：山寺小沙彌

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