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从超对称的故事我们看到,它从一开始就是为了隐藏统一的结果。这并不意味着超对称没用,它确实解释了为什么在经过了30多年的发展之后,还没有明确的可以检验的预言。
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我只能想象魏斯、朱米诺和阿库洛夫(那几个俄罗斯人中唯一健在的)会有什么感觉。他们也许做出了他们那一代的最重要发现,也许只是发明了一个与自然无关的理论玩具,至于到底是哪种情形,至今还没有证据。在过去的30年里,每个新基本粒子加速器开始运行时,要做的第一件事情就是寻找超对称预言的粒子。一个也没找到。常数不断向上调整,我们也等着下一次实验。
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今天,我们都在盯着CERN正在建设中的巨型重子对撞机(LHC)。如果计划进展正常,它将在2007年运行。粒子物理学家们都希望这个机器能帮助我们摆脱危机。最重要的是,我们想LHC能看到希格斯粒子,即携带着希格斯场的大质量玻色子。如果它不能,我们的麻烦就大了。
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但风险最大的思想还是超对称。如果LHC发现了超对称,其创立者理所当然会赢得诺贝尔奖。如果没有,就该有纸帽子带了——不是给他们,因为创立新理论是没有什么羞耻的,而是给我们这一代人,因为我们的一生都在扩张那个理论。
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LHC承载了太多的希望,因为它的发现能让我们更好地认识第一章提出的五大问题之一:如何解释标准模型的自由常数值?为说明这一点,我们需要理解这些数值的一个突出特征,即它们不是很小就是很大。一个例子是力的强度之间的差别。两个质子之间的电斥力比它们之间的引力强大约38个数量级。粒子质量的悬殊也很大。例如,电子质量是质子的1/1800。如果存在希格斯玻色子,其质量至少是质子的120倍。
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为了概括这些数据,我们似乎可以说粒子物理学是有等级的,而不是民主的。四种力的强度悬殊,从强到弱(即从强核力到引力)形成等级。物理学中的不同质量也形成等级。最顶层的是普朗克质量,它是量子引力效应发生作用时的能量(记住,质量与能量其实是同一个东西)。比普朗克质量大约低4个数量级,是另一个尺度,应该看到电磁力与核力的差别。在那个能量(叫大统一尺度)进行的实验看不到三个力,而只有一个力。比普朗克尺度小16个数量级是TeV尺度(即1012电子伏特),弱核力与电磁力就在这儿统一,因而叫弱相互作用尺度。在这个区域我们应该看到希格斯玻色子,许多理论家还希望看到超对称。LHC就是为了探测这个能量尺度下的物理学而建造的。质子质量比它低3个数量级,再低3个数量级就到电子,而也许还要低6个数量级才到中微子。这样继续小下去,最底层的就是真空能量,即使没有物质,它也存在于整个空间。
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这是一幅美妙而疑惑的图像。大自然为什么会那么等级森严?为什么最强与最弱的力悬殊那么大?为什么质子和电子质量比普朗克质量或大统一尺度小那么多?这就是通常所说的等级问题,我们希望LHC能为它带来一点光亮。
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那么我们通过LHC能看到什么呢?这是自20世纪70年代初标准模型成功以来粒子物理学的中心问题。理论家盼望LHC已经30年了,我们准备好了吗?令人沮丧的是,没有。
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假如准备好了,我们就可以令人信服地预言LHC能看到什么,而我们只需要等着检验就行了。假如我们真的完全认识了粒子物理学,而地球上几千个最聪明的人竟然说不出下一个伟大实验会发现什么,就太奇怪了。但是,除了希望看到希格斯玻色子以外,我们确实提不出什么明确的预言。
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你大概以为,既然没有共识,至少总该有几个竞争的理论能提出这样的预言吧。实际情况要坏得多。我们手头真的有几个不同的统一,而且都有一定的成绩,可没有哪一个特别显得更简单、更有解释能力,也看不出成功的迹象。为什么过了30年我们还不能将理论打扫干净呢,我们需要更仔细地来看等级问题。为什么质量和其他常数有那么大的悬殊?
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等级问题面临两个挑战。第一个是什么决定着常数,是什么导致了那么大的差别?第二个是常数是如何固定下来的?这个稳定性问题很令人困惑,因为量子力学有一个奇怪的趋向,要把所有质量拉到一起来,趋近普朗克质量。这里我们不必讨论为什么,但其结果是,我们调节常数的摁钮仿佛由一直绷紧的橡皮筋联系着。
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结果,我们可以在标准模型里保留常数的巨大差别,但这要求精确选择常数。我们希望的实际质量的悬殊越大,理论家必须越精细地调节其内禀质量(即没有量子效应时的质量),将它们截然分开。至于如何精细,要看粒子的类型。
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规范玻色子的问题不是很大,对称性基本上消除了橡皮筋对其质量的拉扯。不论是否考虑量子效应,光子(携带电磁力场的玻色子)都没有质量,所以它不存在问题。组成物质的粒子,如夸克和轻子,也没有问题。它们来自量子效应的那部分质量,正比于其内禀质量。如果内禀质量小,总质量也小。于是我们说,规范玻色子和费米子的质量是受保护的。
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问题出在不受保护的粒子,在粒子物理学的标准模型里,那意味着希格斯粒子,而且只有希格斯粒子。原来,为了防止希格斯质量被拉向普朗克质量,我们必须把标准模型的常数精确调整到小数点后面32位。如果有一位数字不精确,希格斯玻色子最后都会比预言的质量大得多。
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于是,挑战落到了希格斯粒子——就是要将它做小。1975年以来探讨过的许多物理学思想都是为着这样一个目的。
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驯服希格斯粒子的方法之一是假定它不是基本粒子。如果它是不那么狂野的粒子构成的,问题就解除了。希格斯玻色子由什么组成,人们提出过几个设想。最精致也最贫乏的理论假设希格斯玻色子是很重的夸克或轻子的束缚态。它不添加任何新东西——没有新粒子和需要调节的新参数。这个理论只是假定重粒子以新的方式黏结。这种理论的唯一问题在于很难通过计算验证它、发现新结果。20世纪60年代它刚提出时,超出了我们的实验能力,今天依然如此。
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差不多同样精致的另一个假说认为,希格斯玻色子由一种新夸克构成,它不同于组成质子和中子的夸克。起初,这看起来像是解决问题的一种“人工”方案,因而那种夸克被称为“拟夸克”(techniquark)。束缚它们的是一种新力,类似束缚质子和中子的夸克的强核力。在量子色动力学中,力有时叫“色”,于是这种新力被当然地称作“拟色”(Technicolor)。
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这个想法容易计算。问题是很难让理论满足观察的各种现象。不过,那也不是完全没有可能,因为它有许多变量。多数变量被排除了,还剩下几个。
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第三种假设是将所有基本粒子变成复合粒子。20世纪70年代后期,有几个人在研究这种想法。那是很自然的事情:既然质子和中子由夸克组成,为什么不继续下去呢?也许还有更深层的结构,夸克、电子、中微子,甚至希格斯玻色子和规范玻色子,都是由更基本的粒子组成的,我们可以称它们为“前子”(preon)。这种理论很优美,实验那时已经为我们发现了45种基本费米子,而它们都可以通过两种前子的组合来构成。
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而且,这些前子模型解释了观察到的但标准模型没有解释的某些特征。例如,夸克有两种似乎不相干的性质——色与荷。每种夸克表现三种状态(“色”),这个三重态为规范理论提供了需要的对称性。但为什么是三色呢?为什么不是二或四?每个夸克还带有电荷,以电子电荷的1/3和2/3的形式出现。每种情形都有数字3,意味着色与荷这两种性质可能有共同的起源。不论标准模型还是弦理论(就我所知),都没能说明这种巧合,但前子模型可以非常简单地解释它。
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遗憾的是,前子理论也有无法回答的重大问题。那些问题牵扯到什么力把前子粘结成我们看到的粒子。问题就在于,要让那些粒子在保持小质量的同时也保持它们本来的大小。因为前子理论家不能解决这个问题,前子模型到1980年就消亡了。最近我和一些著名物理学家谈话,他们是那以后获得博士学位的,甚至从来没有听说过前子模型。
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于是,把希格斯玻色子变成复合粒子的所有努力都不能令人相信。有时,我们理论家似乎山穷水尽了。假如希格斯玻色子是基本粒子,那么该如何把握它的性质呢?
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限制粒子自由的一个办法是将它的行为与另一个行为被约束的粒子捆绑在一起。我们知道,规范玻色子和费米子是受保护的,它们的质量不会任意变化。能有将希格斯粒子与质量受保护的粒子系在一起的对称性吗?如果可以那样,那么最后也许能驯服希格斯。我们所知的唯一能做这件事情的对称是超对称,因为超对称联结费米子与玻色子;因此,在超对称理论中应该存在与希格斯粒子为伴的费米子,叫希格斯微子(Higgsino)。(在超对称理论中,约定在费米子的超对称伙伴前冠以字母“s”,而在玻色子的超对称伙伴后缀以“ino”。)希格斯微子是费米子,所以它的质量会受到来自量子效应的质量的保护。这样,超对称告诉我们,两个超伙伴有着相同的质量。因此希格斯粒子的质量也必然受保护。
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这个思想很好地解释了为什么希格斯质量比普朗克质量小。前面说过,这个想法很精妙,但其实也很复杂。
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首先,理论不可能是部分超对称的。如果一个粒子有超对称伙伴,那么所有粒子都有。因此,每个夸克有一个叫超夸克的玻色子伙伴。光子的伙伴是一种新的费米子,叫光微子(photino)。于是,相互作用需要调整,当我们在用光微子取代光子的同时也用超夸克取代所有夸克,不同的可能结果发生的几率是不变的。
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