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不同的质量谱会使大型强子对撞机可以看到的粒子产生巨大差异。粒子只能衰变成其他更轻的粒子。衰变的链条——超对称粒子可能发生的一系列衰变,依赖于质量,也即哪些粒子更重、哪些更轻。各个衰变过程的速率也依赖于粒子的质量。一般较重的粒子衰变得更快一些,并且它们通常也更难产生,因为只有能量很高的对撞才能创造它们。将各种结果综合起来,我们可以得到一些比标准模型更基本以及处于更高能标的理论的启示。任何关于新物理理论的分析都可能被我们发现,这是毋庸置疑的。
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无论如何,我们需要牢记:尽管超对称对物理学家来说是一个热门方向,但这里仍存在着一些关于它是否真能应用于等级问题乃至真实世界的顾虑,有如下几个方面。
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首先,这可能也是最令人担忧的,我们到现在还没有任何实验证据。如果超对称存在,那么唯一能解释我们至今还没有观测到任何迹象的原因是,超对称伙伴的质量太大。但是,等级问题的自然解答需要超对称伙伴具有较轻的、合理的质量 。超对称伙伴的质量越大,超对称作为等级问题的解就越不适宜。该解答的荒谬程度由希格斯玻色子的质量与超对称破缺的能标之比决定。该数值越大,这个理论就越需要精细调节。
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目前还没有观测到希格斯玻色子的这个事实加深了问题的难度。在超对称模型中,为了使希格斯玻色子重得连实验也探测不到,唯一方法来自于重的超对称伙伴的巨大量子力学修正。但是同样地,这些极大的质量使得等级变得更不自然,哪怕是在超对称理论中也是如此。
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超对称的另一大挑战是,能否发现一个完整、自洽而又包含超对称破缺的模型 。超对称是一种非常具体的对称性,它将许多相互作用联系起来,并且排除了许多被量子力学认可的相互作用。一旦超对称破缺了,“无秩序原理”(anarchic principle)将占主导地位,即任何可能发生的都将发生。大多数模型会预测出在自然中从未见过的衰变或者极少见过的衰变来与预言结果符合。因此当超对称破缺时,由于量子力学的限制,很多非常丑陋的模型都将出现。
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物理学家也很可能错过正确答案。我们当然不能肯定地说好的模型不存在或者一种小的精细调节不会发生。当然,如果超对称是等级问题的正解,那么我们将很快于大型强子对撞机中发现它的证据,因此这值得一试。超对称的发现意味着,这个奇异的新时空对称性不仅适用于演算纸上的理论推导,也适用于现实世界。然而,在缺乏证据的情况下,尝试一些其他理论也是值得的。第一个我们要考虑的是技术色理论。
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模型二:技术色理论
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回溯到20世纪70年代,物理学家先考虑了另一种关于等级问题的可能解——技术色理论。此理论构建的模型中粒子通过一种新型力强烈地相互作用,人们戏谑地称之为技术色相互作用力(technicolor force)。这项提案是,技术色的作用与强相互作用力之间相互作用(物理学家也称之为色相互作用)类似,但是它在弱能标而非质子质量标度上将粒子束缚起来。
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如果技术色的确是等级问题的答案,那么大型强子对撞机不会只制造单一的基本希格斯粒子。相反,它会制造一个束缚态(类似于强子的物质),而该束缚态起到希格斯粒子的作用。支持技术色的实验证据将是大量束缚态粒子以及出现在弱尺度能标及以上的许多强烈的作用。它非常像我们所熟悉的质子,但是却出现在高得多的能标上。
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目前还没有任何证据,这为技术色模型添加了很多限制。如果该理论真的是等级问题的解,那么我们预期的证据已经出现了,当然我们也可能错过了一些微妙的事物。
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最重要的是,技术色模型的建立比超对称还难。找到一个与我们所有的观测相符的模型已经极其困难,而目前还没有发现一个完全合适的模型。
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无论如何,实验物理学家一直保持着开放的头脑并尽力在寻找技术色和其他新型强作用的证据,但是它们存在的可能性不是很高。然而,假如技术色的确是世界的基本理论,或许以后当我再敲进“technicolor”这个词时,可能Word程序会停止自动纠错以及停止自动将首字母“t”改成大写字母“T”了。
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模型三:额外维度
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超对称或者技术色都不能为等级问题提供完美的解答。超对称理论还没有准备好容纳从实验中体现出来的超对称破缺,而由技术色理论的推导来预测正确的夸克和轻子质量则更困难 。因此物理学家决定着眼于更远的地方并考虑一些表观上更具猜测性的其他想法。别忘了,即使一个想法起初看似丑陋或者不明显,在完全理解它的内涵以后,我们也可能觉得它是最优美的,而且更重要的是,它是正确的。
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20世纪90年代,物理学家对于弦理论及其组成的理解越来越好,这导出了解决等级问题的新方案。这些想法是由弦理论的元素推动的(虽然不见得可以从它非常受限的结构直接推导出来),并且涉及空间的额外维度。如果额外维度存在(我们有理由相信这是可能的),那么它们可能是解决等级问题的关键。如果确实如此,那么它们将在大型强子对撞机中产生其存在的实验证据。
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更多的空间维度是一种奇异的观点。如果宇宙有这些维度,那么空间将非常不同于我们每天生活中所观察到的。除了三个方向——左右、上下、前后,或者另一种描述方法——经度、纬度、高度,空间还可能在没有人可以看到的方向上延展。
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显然,因为我们看不见它们,所以这些新的空间维度一定是隐藏起来的。就像物理学家奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)于1926年所提议的,可能因为它们太小,以至于不能影响任何我们可以看到的东西。这种想法是说,我们受制于有限的分辨率,这些维度可能小得无法让人察觉。我们可能看不到某个卷曲的维度,我们不能在该维度上穿行——就像走钢丝的人会认为他的道路是一维的(见图17-6)。[71]
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图17-6 一个人与一只小蚂蚁在一根钢丝绳上的体验是不同的。对人来说,绳子看起来是一维的,而对蚂蚁来说则是二维的。
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另一种可能性使维度可以隐藏起来,因为时空是卷曲的或者弯曲的,就像爱因斯坦指出的在出现能量之后所发生的现象。如果弯曲得足够巨大,那么额外维度的效应是不明显的,正如拉曼·桑卓姆与我在1999年所提议的那样。[2] 我在《弯曲的旅行》中详细分析了这一点,这意味着弯曲几何可能为隐藏维度提供了一种方法。
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假如我们永远无法看到额外维度,为什么我们会认为它们可以存在呢?物理学史上有过许多发现了我们看不见之物的例子——没有人可以“看见”原子,没有人可以“看见”夸克,而我们现在有它们存在的实验确证。
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没有哪一个物理定律告诉我们空间只能有三维。爱因斯坦的广义相对论在任何维度都成立。事实上,在爱因斯坦完成他的引力理论之后不久,西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)推广了爱因斯坦的想法,提议存在第四个空间维度。5年以后,奥斯卡·克莱因提出了这个推广的维度应该如何卷曲起来,使之有别于另三个我们熟知的维度。
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作为一个率先将量子力学与广义相对论结合起来的理论,弦理论是物理学家现在醉心于额外维度的一个原因。弦理论没有明显导出我们所熟悉的引力理论,该理论必须包含空间的额外维度。
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时常有人问我存在于宇宙中的维度是多少维。我们不知道。弦理论建议有6个或7个额外维度,但是模型的创建者的眼界开阔。可以想象,不同的弦理论模型给出的可能性不同。无论如何,模型创建者关心的仅仅是那些足够弯曲或者足够影响物理预测的维度。对于那些与粒子物理学现象相关的维度,比它们更小的维度也可能存在,但是我们忽略这些如此细小的东西。我们再次采用有效理论的方法,略去对测量影响太小或者不可见的东西。
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