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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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当然,也有更简单的可能。我们见过的两个粒子就不能是一对伙伴吗?也许光子与中微子会走到一起?或者,希格斯粒子与电子是一对?在已知粒子中发现未知的关系当然是很美妙的,而且令人信服。
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遗憾的是,没有一个理论成功假定了两个已知粒子间的超对称。相反,在所有的超对称理论中,粒子的数目至少多一倍。它们只不过假定每个已知粒子伴随着一个超伙伴。不但有超夸克,也有超轻子和光微子。成对的伙伴还有中微子与超中微子,希格斯微子与希格斯玻色子,引力微子与引力子。成双成对的粒子,仿佛满载着一艘粒子的诺亚方舟。纠缠在这个超子与微子的网络里,我们迟早会把巨人看作小丑,把小丑看作巨人,或者别的什么东西。
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不管好坏,大自然不是这样的。前面讲过,没有哪个实验产生过超电子的证据。直到今天,似乎也没出现过超夸克、超轻子或超中微子。世界有大量的光子(每个质子对应着十亿多个光子),但没人见过哪怕一个光微子。
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问题的解决是假定超对称是自发破缺的。我们在第四章讨论过对称是怎么自发破缺的。这种自发破缺可以推广到超对称。我们可以构造这样的理论:在它描述的世界里,力是超对称的,但那些定律却经过了精心的调节,从而使最低能量状态——即对称性消失的状态——不是超对称的。结果,不需要粒子的超对称伙伴具有相同的质量。
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这就产生一个丑陋的理论。为了打破对称,我们必须添加类似希格斯粒子的粒子。它们也需要超伙伴。还有更多的自由常数,可以调节来描述它们的性质。接着,我们不得不调节理论的所有常数,以满足所有的新粒子都有很大的质量,当然也就看不见了。
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对基本粒子物理学的标准模型做这样的事情,不需要添加假设,可以得到一个精巧的结果,叫最小超对称标准模型,简称MSSM。我们在第一章讲过,原来的标准模型大约有20个需要人工调节的自由常数,通过调节它们才能得到与实验一致的预言。MSSM增加了105个常数,为了保证理论与实验一致,理论家可以自由调节它们。假如理论是正确的,那么上帝就成了玩儿杂耍的。他喜欢键盘多的乐器,喜欢16条缆绳的帆船,那才好调整每个帆的形状。
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当然,自然也许喜欢这样。理论也可能真的解决常数的调节问题。这样的话,将常数从20个增加到125个,得到的结果是,没有一个新常数需要像原来的常数那样用心调节。尽管如此,有那么多需要调节的常数,实验家很难检验或否定理论。
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这些常数有很多安排,对它们来说,超对称都是破缺的,而每个粒子都有不同于其超伙伴的质量。为了隐藏看不见的另一半,我们不得不调节常数,使看不见的粒子质量远远大于我们看见的粒子的质量。我们必须要让这一点正确,因为假如理论预言了超夸克比夸克轻,我们就会有麻烦。不必担心,我们有很多不同的方式来调节常数,以保证我们没有见过的所有粒子都会因为很重而看不见。
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如果需要解释这样的常数调节,那么理论必须解释为什么希格斯玻色子具有我们想象的大质量。我们已经说过,即使标准模型也没精确预言希格斯粒子的质量,但它应该比质子重120倍。为了预言这一点,必须调整超对称理论,使超对称性能在这个质量尺度下恢复。这意味着看不见的超伙伴大约都有这个尺度的质量,如果真是如此,LHC应该看到它们。
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