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当加速器产生出这些更重的粒子之时，它们迅速地衰变，最后变成与第一代粒子相同的粒子。因此，在当今世界，它们只具有学术研究的价值。但是，在能量充沛的早期宇宙环境下，它们可能会大量产生出来，并且对宇宙的演进构成影响。没有人知道，宇宙中何以允许4种基本粒子的更重的演化版本的存在。这是标准模型尚非物理学终极原理的另一个标志。但是不要因此而灰心。甚至当标准模型将这些不受人待见的额外因素加入粒子世界之中时，它也在排除其中一种作用力，同时也为排除另一种作用力指明了方向。
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除了粒子的质量与电荷之外，将W与z玻色子表述为弱场粒子的方程式和将光子表述为电磁场粒子的方程式极其近似。而且，麦克斯韦的电磁方程式已经描述了电荷的问题。20世纪60年代，物理学家们意识到，假如他们能够找到一种将质量加入光子的方法，他们将得到一套惟一的方程式，可以同时表述电磁场和弱场，这样他们就能将这两种场合并为一个“弱电”统一的相互作用。理论物理学家在找到圆满的模型之前，曾多次走错路，钻入了死胡同。9他们提出的模型如今成为标准模型的重要组成部分。这一模型实际上是由在CERN工作的英国物理学家彼得·希格斯（PeterHiggs）建立发展起来的，他试图找到一种强作用力模型，时下众多科学界人士也为这一概念的发展做出过贡献。
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希格斯提出的这一概念是，所有粒子本质上是没有质量的，但是存在一个充斥于宇宙而先前不为人知的“新”场，这种场作用于粒子，使其具有质量。这种场如今称为希格斯场。简单而形象地理解这一原理的方法是，想象如果空间中实际上存在看不见的气体，如空气，那么宇宙飞船的飞行方式就会被改变。在真空中，如果太空探测器是用火箭发动机提供稳定推力，那么只要发动机不断燃烧，探测器便以固定的速率加速。但是，如果探测器是在一个充满同质气体的空间中活动的话，由于空气阻力的缘故，当发动机以稳定的速率燃烧时，探测器的加速度就不会这么高。如果探测器比实际重量更重（质量更大）也会出现同样的效果。同样，无质量的粒子通过希格斯场时也会遇到阻力，于是粒子似乎是被赋予了质量，而这额外的质量取决于个别粒子的性质以及受到希格斯场影响的强度。
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这一模型预测了W和z粒子的质量，并且，正如我们所说，1984年欧洲核子研究中心进行实验的能量已经达到了能按照E=mc2方程产生具有预言的质量粒子的程度。结果发现这些粒子不但如预测的那样，而且质量也分毫不差。这是标准模型最重大的成就之一。但是，这一模型还有一个重要预测尚未得到检验。
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根据该模型，希格斯场像所有场一样，必须具有与之相关联的粒子——希格斯玻色子。这一粒子质量过大，无法在地球上任何一个实验中产生出来。然而，按照计划，2007年欧洲原子核研究委员会将会投入使用称为“大型强子对撞机”（LHC）的新加速器。从大型强子对撞机的巨大规模和高昂造价就可以看出，为了探究到了这一层次的宇宙本质，需要付出多么大的努力。大型强子对撞机深埋在一百米的地下，位于深入坚硬岩石之中周长27公里的圆形隧道中，它利用已经通过CERN现有加速器预先加速到高能状态的质子束，并把这束具有14TeV（1TeV即1万亿电子伏）能量的质子流分开，以两个方向沿隧道运行，迎头对撞。其动能相当于一只飞动的蚊子的动能——但是却是将这些动能压缩到一只蚊子体积的1万亿分之一的粒子上。这一能量足够纯粹用能量制造产生出1000个质子。大型强子对撞机还能将两束铅原子核以略微超过1000万亿电子伏特的能量对撞。大型强子对撞机使用1296个超导磁铁和2500个其他类型的磁铁引导并加速粒子束，其造价约为50亿欧元（接近35亿英镑）。这便是我们检验标准模型所必须付出的代价。如果标准模型确实是正确的，那么LHC全面运转之后应该能很快产生出希格斯粒子。如果能像先前预测的那样发现希格斯子，将会使标准模型更为可信，而彼得·希格斯也一定会得到诺贝尔奖。即便标准模型不能产生出预测的物质，也能为探索亚原子世界的科学模型指出更好的方向。
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因此，我们认为自己已知的内容，是粒子物理学标准模型由能够再衍生两代粒子（原因不明）的两对4种基本粒子（电子和质子，上夸克和下夸克）融合而成。这一标准模型也融合了3种作用力（重力、弱电相互作用和强相互作用），外加希格斯场。这一揽子理论解释了地球上的一切，以及恒星演化的原理。但是，物理学家们想更进一步。他们意欲解释宇宙从何而来，以及恒星与行星之类天体如何生成。正如我们将在第三章所看到的，有确凿证据表明宇宙起源于约140亿年前的一个炽热火球，其能量远超我们通过实验所能得到的能量。因此，为了理解世界从何而来，并且最终理解“我们”从何而来，理论物理学家就必须超越标准模型而深入我们认为自己所知晓之事。
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宇宙传记 第二章 是否存在万物至理？
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电弱统一论的成功激励了物理学家，使他们意图统一电弱相互作用与强相互作用，并且渴望今后能将引力也融入进来。试图在一个数学模型中同时表述电弱相互作用与强相互作用的模型通常被称为大统一理论（Grand Unified Theories，缩写为GUTs）。如果再融入引力，那这一理论将成为“万物至理”（TheoryofEverything，缩写为TOE）。以我们目前的认识程度而论，以上两种情况中，“理论”一词或许换成“假说”或者“模型”更好。我们这些人（即物理学家）试图做的是要推断出宇宙演进的物理定律，这有点像传记作家或者历史学家推断恺撒等关键历史人物做出决策背后存在何种动机的过程。我们是在知道那些决策的结果之后，反过来推断其动机。同样，我们是在知道宇宙中物理定律运动的结果的情况下，逆向推断那些规律到底是什么。
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对于历史来说，用不同的方式观察某个事件，就能得到对该事件不同的理解。物理定律与此类似。例如，虽然我们根据中子衰变而提出弱场理论，但是此类相互作用也从另一侧面说明了大统一理论是如何构成的。外来中微子能够通过弱相互作用与中子发生作用（严格地讲，是与中子内的下夸克发生作用），而并非是中子分裂出电子和反中微子并将自身转变成质子。这一过程中，中微子转变成电子（并且中子转变成质子）。换言之，弱相互作用能够将一种轻子变成另外一种轻子。根据量子色动力学，当胶子在夸克间移动时，它们携带色荷，因而它们能改变夸克的颜色（应该说是“色荷”）。换言之，强相互作用能将一种夸克变为另一种夸克——这种把戏弱相互作用也会玩，只不过是方式不同罢了，是将中子内的下夸克变为上夸克。因此，将一种粒子（一种费米子）变为另一种粒子是可能的。物理学家们自我设问的问题是，是否能够找到一个模型，能将一种载荷子（一种玻色子）变为另一种？随着弱电统一理论和量子色动力学的成功，他们探寻这一问题答案的努力导致了大统一理论的发展。
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我们仍旧只能说这是一种可能的大统一理论，而非是独一无二确定无疑的理论。这一事实表明这项工作尚未完结。但是，所有这些模型都有一个重要意义——玻色子能将一种负荷转换成另一种负荷，也能将轻子变为夸克，反之亦然。这不足为奇，因为夸克和轻子有三代，每一代都会产生一对轻子和一对夸克，这就已经暗示我们，在这两个费米子之间，存在某种基本的联系。它意味着，正如中子能与弱场的玻色子相互作用衰变成质子，质子也应当能够与统一场的玻色子作用将其自身转变为轻子。这意味着甚至质子也会衰变，因为质子内部的夸克被转变成轻子。在整个大统一理论家族中，这是一个可靠并可以进行验证的预测。
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统一场中假定存在的玻色子被称为X和Y粒子。它们从未被探测到，但这并不奇怪，因为模型告诉我们，X和Y粒子，以粒子标准来衡量，肯定具有巨大的质量——典型情况下是质子质量的1000万亿倍（1015倍），因而要求加速器的能量能够达到比我们发现W和z粒子所需要的高出一万亿倍（1012）的程度。10多种X与Y粒子像夸克一样也有部分电荷——相当于1个电子4/3，或者1/3的正负电荷。它们还具有不同的色荷。如今，质子只有在能够以真空涨落的形式从量子不确定性中“借得”适量能量之后，才会发生衰变，在短瞬间产生玻色子。
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如此，某种形式的质子衰变就能这样进行下去。质子中的1个上夸克（2/3电荷）将自身转变为1个反上夸克（-2/3电荷）并且释放出1个X玻色子（这个玻色子的质量甚至大大超过夸克的质量！）。这个X玻色子（4/3电荷）也将与1个临近的下夸克作用，转变为正电子。这使得反夸克与质子中剩余的1个上夸克相匹配。这个上夸克及其反物质相对物反夸克形成一个称为临界点的暂时临界状态，但是很快便会彼此消融，释放出正电子并迸发出高能电磁辐射（光子），这便是最初质子的遗痕。但是，这种反应的发生完全依赖于从真空中获得能量使虚拟X玻色子能维持足够长的时间。虚拟玻色子存在的时间很短，只能移动不超过10-29厘米便会消失，因而两个夸克彼此距离只有如此接近才能受其作用。
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模型告诉我们这种情况到底有多大可能性。根据那些模型中最简单的形式，个别质子发生真空涨落凭空产生足够能量的机会非常之小，即便你有一个充满质子的盒子，再等上超过1030年（那差不多是宇宙年龄的1万亿亿倍），也只有半数的质子会衰变。质子数的多少并不重要。如果开始时有1000个质子，那么经过那段时间将有500个会衰变。如果开始时有10亿个质子，那么经过那段时间只有5亿个会衰变。出于显而易见的原因，这一特定的时间量程被称为质子的“半衰期”，而且这种衰变过程存在不同的特定半衰期。11显然，对于单个质子来说，其在一个人的生命周期中发生衰变的机会微乎其微。然而，宇宙中存在着大量质子（例如，你身体内大约含有1029个质子）。如果你在相当短时间内观察大量质子，你至少应该能看到少数几个发生衰变。假如半衰期是1030年，假如你观察10吨重的大块物质，你每年应该看到大约5个质子的衰变。任何物质无不如此——水、铁、香肠或者任何包含质子的东西。这种实验已经在做了（通常是用大罐的水，因其便于操作），目的是寻找这种衰变所产生的标志性的正电子。直到现在，质子衰变的痕迹从未被观测到，而且这也告诉我们，质子的半衰期至少是5×1032年（即5后面跟32个0）。这比最初的大统一理论所预言的半衰期要长。但这实际上是好消息，因为出于其他原因，人们对模型也进行了改进，结果使得计算结果发生变化，使得质子的半衰期更长了。
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其中的一个改进是，当你接近1个粒子时，某种与作用力的强度有关的改变发生了。我们先前探讨相互作用力的强度之时，所说的力是在距离粒子相当远的距离（与粒子的大小相比较）下测得的力的强度。因为从人类标准来看，电子的“一定距离”仍旧是极其微小的，所以这是一个恰当的最初近似值。然而，环绕电子的虚拟带电粒子云屏蔽了电子显露于外的本征电荷。这层屏蔽使得我们从某个距离上测量到的电磁作用力，比真的能“近距离”测量所获得的作用力要弱。因此，就单个电子或者任何带电粒子而论，在小范围内距离越接近其电磁作用越强。另一方面，当你接近粒子时，夸克和胶子与虚拟粒子相互作用的方式使得粒子的强相互作用变弱了。因为W和z粒子质量的影响，电弱相互作用较电磁作用要复杂些。考虑这些因素，相互作用与电磁作用的“净”强度介于强相互作用与电磁作用之间，并且随距离接近而减弱。
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如果标准模型是完美的，所有这些作用在一定距离上将显得强度相同。正如所述，研究更短距离上的作用力需要将粒子束加速到更高能量，等于说在一定能量下，强弱相互作用和电磁相互作用显示出相同强度。这一距离确实极其微小——约为10-29厘米。我们几乎无法理解如此微小的数字究竟意味着什么，我们可以假设，当1个典型的原子核膨胀为直径1千米的球体时，10-29厘米的物体同比才能膨胀到1个原子核的大小。其能量当量约是1个质子物质能量的1015倍，是我们通过实验远无法达到的。无独有偶，其能量相当于X与Y玻色子的质量。我们也可以换个方式，从能量产生粒子来思考。如果拥有足够产生X和Y玻色子的能量，肯定也足以产生出W和z粒子和你想得到的胶子。如此，所有虚拟粒子便都成为现实粒子——它们不再是虚拟粒子，而是因获得能量而成为真正的粒子，即不再像电子那样必须环绕粒子形成紧密粒子云，而是可以自由游荡的粒子了。如此，屏蔽效应消失了，所以我们便能看到其净荷载了（电荷、色荷等）。
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标准模型及其进一步阐释的缺陷是尽管其预测了发生这些过程的能量级别，但是却无法预测将3种相互作用统一起来的同样的能量。据称，电磁相互作用与弱相互作用以某一能量级汇入电弱相互作用中，电磁作用和强相互作用以另一种能量级汇入，而弱相互作用和强相互作用则以第三种略有不同的能量级汇入。但是这三种统一可以用大统一理论体系中的一种，即超对称理论（suPersymmetry，缩写为SUSY）融汇起来。
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我们已见识过粒子对称性，即一种费米子变化为另一种费米子，以及一种玻色子转变为另一种玻色子。20世纪70年代中期，朱利安·怀斯（Julian Weiss）在德国，布鲁诺·祖米诺（Bruno zumino）在美国的加利福尼亚分别提出了超对称理论，即费米子和玻色子可以通过另一种对称作用——超对称性——相互转化，即将费米子转化为玻色子，反之亦然。
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对于常识来说，这太荒谬了。物质怎么能转变成力，力又怎么能转变成物质呢？但是，量子世界经常与常识相违背，而我们也的确遇到过一些怪异的现象。量子世界中波与粒子是可以相互转化的，或者说这是事物的两个方面，即便我们在日常生活中将电子视为粒子，而将电磁力视为波。因此，将力的承载物看作可以与物质的粒子相互转换似乎也不是太令人惊诧的思维跳跃。量子语言中，超对称性意味着费米子能转化为玻色子，而玻色子也能转化为费米子。但是，旧的费米子不能转化为旧有的玻色子，每种粒子都必须与其超对称性对应物相匹配。
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然而，其对应物何在呢？我们已经知道，轻子和夸克是存在关系的，因此电子和中微子“隶属于”上夸克和下夸克。但是没有任何一种已知的物质粒子能够通过适当的超对称性“隶属于”某种已知的力的承载物，而且也没有任何一种已知的玻色子“隶属于”任何一种费米子。但是理论家并未受此现实限制的影响，提出（在数学家的支持下），每一种已知的费米子（如电子）应该有一个超对称伙伴（在这种情况下，将其称作selectron），我们从未见过它；每种类型的玻色子（如光子）也应该有一个费米子对应物（在这种情况下，称作Photino），我们也从未见过。这些假想的实体统称为“超对称性粒子”。之所以从未发现过这种粒子，首先是因为它们的质量很大（所以在地球上的加速器实验中并没有制造出任何这种粒子）；其次，它们不稳定，因此会迅速衰变为某种熟悉的费米子和玻色子，以及较轻的超对称性粒子的混合物。假如超对称性的想法是正确的话，应该只有一个例外。最轻的这些“超对称伙伴”（可能是Photino）应该是稳定的——它们不可能再衰变成比其自身更轻的东西了，因为不存在这样的更轻的东西。
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人们之所以对这套想法非常认真地加以考虑，是因为为了给最简化版的超对称性（也称为最小超对称性）腾出空间，对标准模型的修改，会将电磁力、弱力和强力发生变化，使它们正好在某个点上汇聚到一起。这个点就是能量大约为1016GeV（10亿电子伏特），而不是1015GeV。此外，将超对称性加入方程组也改变了质子预测的半衰期，使其超过了迄今所做实验测得的水平。
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因此，没有证据表明超对称性理论是错误的，甚至，我们很快就可能找到证据表明它是正确的。物理学家们之所以对大型强子对撞机的前景兴奋不已，原因之一就是它能够产生超对称性配偶子（或称超对称性伙伴，suPersymmetricPartners），其质量是质子质量的数千倍（数万亿电子伏特）。如果大型强子对撞机不能产生出希格斯粒子（HiggsParticles），那便会太出乎意料了，整个大统一理论也恐怕要另起炉灶了。不过这种事情几乎不可能发生，原因之一是大统一理论至少有一项可取之处。对其有利的证据的来源表明，粒子物理学家为了检验其模型，正不断地求助于天文学。
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最小超对称性的另一个预言就是中微子也有微小质量。在不包含超对称性的标准模型中，中微子像光子一样完全没有质量。20世纪60年代后期，一个旨在观测太阳中微子流的实验显示到达地球的中微子微乎其微，这一直以来都是一个谜。太阳中心的核反应产生大量电子中微子并使其得以发光，而且这些倾泻到地球上（并穿越过去）的中微子可以通过核物理学和天体物理学标准模型预测出来。然而，当雷·戴维斯（RayDavis）与其同事在美国开始中子流观测实验时，他们仅仅发现了相当于预测值1/3的此类粒子。假定核物理学与天体物理学模型是正确的——有众多独立证据证明这一点——一种可能的解释是，电子中微子在飞向我们的途中，变成了另外形式的中微子。这一过程称为振荡，即电子中微子会变成μ介子和T粒子中微子，而后在穿越空间时再变回电子中微子，或者两者的混合，因为最初的电子中微子最终混入了三种形式的中微子。因为中微子共有3种，而且混合得很平均，这一过程就导致了戴维斯所设计的探测器只能发现1/3的中微子，因为它“看不到”其他形式的中微子。但是，只有在中微子具有质量的情况下，才会发生这种振荡。在20世纪70年代，这可是戏剧性的发现，而且是物理学界一项新的进展。天文发现向物理学家们展示了所知最微小粒子的特性。依靠这些开创性的实验，其他的地面上进行的对太阳中微子的研究以及实验中对中微子振荡的直接观测，都证实了天文学家是正确的。中微子的确具有质量（大约不到1/10电子伏）12，而且它们也发生振荡。循着这一系列发现，我们很快便会看到，天文学与粒子物理学的联系越来越紧密了。
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总而言之，大统一理论与超对称性理论的结合看来前景广阔，而且其预测结果将在21世纪头10年之内得到检验。如果实验顺利，下一步将是设法将重力纳入这一体系，造就真正的万物至理。总之，若要做到这一点必须将引力作用表述为粒子交换的形式，称为引力子，而且必须假定存在超对称性对偶子——引力微子（gravitino），从而将引力纳入超对称性体系。这种对大统一理论的变革统称“超引力理论”，但它们推测的成分多一些，尚待实验检验。引力子并不单纯是由超对称性大统一理论（SUSY GUTs）预测出来的。任何版本的量子理论都将引力作用想像为引力子交换，就像电磁作用是通过光子的交换起作用一样。广义相对论指出，引力作用与引力波相联系，正如电磁作用与电磁波相关一样。光子是电磁场的量子，同样，引力子是引力场的量子。引力子必须像光子那样无质量，以便引力产生像电磁作用般的远距离影响。但是，与光子不同的是，引力子能（根据模型如此）相互作用，使得计量起来极为困难。因为，引力极其微弱，所以就需要极其敏感的探测器来识别与引力子有关的波。这样的探测器正在建造中，大约再过不了几年便可直接用来探测引力辐射。然而，已经有天文观测证据表明（此处指关于脉冲双星的研究，即相互绕转两颗中子星），引力波是存在的。
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