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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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弦理论也引进了其他的元素——主要是膜,使得宇宙的几何更加丰富,假如宇宙果真包含额外维度的话。在20世纪90年代,弦理论学家约瑟夫·波尔钦斯基(Joseph Polchinski)所构造的弦理论不只是占据一个空间维度的被称为弦的物质的理论。与其他许多人一起,他们证明了:更高维度的、被称为膜的物质对该理论来说也是至关重要的。
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“Brane”(膜)这个词来自于“membrane”(薄膜)。与存在于三维空间中的二维曲面的薄膜类似,膜是存在于更高维空间中的较低维度的曲面。这些膜可以将粒子或者力束缚在它们上面,使得粒子或者力不能在全部的高维度空间中传播。在高维空间中的膜有点像浴室中的浴帘,它是三维房间中的一个二维曲面(见图17-7)。水滴只能沿着浴帘的二维表面运动,很像粒子和力被束缚在二维膜的“表面”一样。
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膜
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膜是存在于更高维空间中的较低维度的曲面。这些膜可以将粒子或者力束缚在它们上面,使得粒子或者力不能在全部的高维度空间中传播。
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图17-7 膜将粒子和力束缚,它们只能停留在它的上面而不能离开,就像水滴只能沿着浴帘下滑而不能离开一样。
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