第11章 万物理论 (3)

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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。