1701013277
对称与量子层级出现的那些令人困惑、变化不定、随机的混乱局面到底有什么关系呢？物理学家需要化繁为简，才能理解现实，进而构建出现实世界的模型。对称为物理学家指了一条明路，尽管走上这条道路必然会遇到难以处理的数学问题。人们在原子核中发现中子的存在后，就踏上了这条道路。欧内斯特·卢瑟福曾预言，大多数的原子核中都存在一种不带电的粒子，即中子。之后不久，英国物理学家詹姆斯·查德威克证明这种粒子确实存在，并指出使质子结合在一起的那种未知作用力（现在叫作强核力）也会作用在中子身上。
1701013278
1701013279
质子带正电荷，当它们聚集在一起时，就会因为携带同种电荷而相互排斥。它们在原子核中结合得非常紧密，相互之间的排斥力肯定非常大，这说明将它们结合到一起的力更大。根据查德威克的发现，这种作用力似乎还会吸引不带电荷的中子。在中子被发现之前，人们并没有发现这个问题。如果原子核中只包含质子，就表明还存在电量相等的异性电荷，而且同性电荷被吸附在一起。但是，这种力还对中子有效，情况就大不相同了。这时候，有一个人站了出来，将对称引入原子核行为研究，并赋予了它核心地位。这个人就是沃纳·海森堡。
1701013280
1701013281
我们在上一章已经讨论过，海森堡用来研究量子相互作用的数学模型在宏观世界找不到对应物，我们也无法借助现实世界的类比来理解这个模型的作用原理，但这个模型没有导致任何问题，而且矩阵中的数字与现实世界的观察结果很吻合。海森堡认为，这个模型已经非常完美，不需要添加任何内容了。接下来，海森堡做出了一个非常大胆的举动：通过一种其实并不存在的对称性来研究原子核。但是，他使用的是“类似对称”的说法，似乎在暗示有某种重要事物隐藏在背后，但是他没有说明。
1701013282
1701013283
海森堡发现质子和中子的质量非常接近，两者之间只存在大约0.14%的差别。此外，原子核中质子和中子的数量往往相仿。不可否认，质子和中子数量不等的原子核也非常多。例如，最简单的原子——氢原子只有一个质子、没有中子，而简单元素锂的主要同位素锂–7有3个质子和4个中子。但是，一般而言，在最稳定的原子核中，质子和中子的数量几乎相等。
1701013284
1701013285
在对称思想（而不是实际数据）的启发下，海森堡似乎很自然地认为，将原子核中的粒子结合到一起的力，对于质子和中子应该具有相同的效果。海森堡还认为，如果将原子（包含相同数量的质子和中子）中的中子换成质子，或者将质子换成中子，原子核的状况应该也不会发生任何变化。也就是说，原子核似乎表现出某种对称性。海森堡把这种对称性称作同位旋。除了容易导致混淆以外，我们看不出这个命名方法有什么明显的原因，因为这个概念与旋转没有任何关系。海森堡假设质子和中子的同位旋大小相等，性质相反（质子的同位旋为+1/2，中子的同位旋为–1/2），结果发现根据这个假设得出的预测与现实正好吻合。
1701013286
1701013287
随着各种各样的其他粒子被人们发现，美国人默里·盖尔曼提出了粒子在另一个方面表现出的对称性，并称之为奇异数，从而拓展了同位旋的概念。根据他的研究结果，这些粒子按照奇异数和同位旋的不同形成了整齐的排列。如果绘制成图，就会发现每8个粒子结合在一起，表现出一种引人注目的对称性。这种对称性表明，有某种根本原因促使它们形成这种结构。也就是说，它们之所以表现出这种对称，是因为它们的结合具有某些特点。
1701013288
1701013289
然而，尽管按照假设的同位旋与奇异数，可以看出这些粒子表现出明显的对称性，但仍然存在一个问题：所有这些都建立在越来越疯狂的推理的基础上。它们的对称不是很完美，比如，中子和质子的质量并不相等。等到其他粒子（例如“级联粒子”）被引入之后，情况就更糟糕了。级联粒子同中子和质子属于同一类别，质量比其他粒子大40%。即使真的有对称性，也会被这些粒子破坏殆尽。然而，对称这个数学概念似乎有极强的诱惑力，让人难以放手。
1701013290
1701013291
盖尔曼努力寻找可以让粒子友好共处并且形成这种对称性的基本结构。他发现，最明显的原因就是质子、中子等假定的基本粒子是由更小的成分构成的，而且同位旋与奇异性就是由这种结构造成的。质子、中子以及从宇宙射线和粒子加速器中发现的大量新粒子似乎与原子一样，也是由更小的粒子构成的。这些粒子齐心协力，创造出我们观察到的或者假设的大小不等的电荷、同位旋和奇异数。
1701013292
1701013293
现在，我们把那些更小的组成部分叫作夸克。这个名字是盖尔曼取的，人们通常认为他是从詹姆斯·乔伊斯的“小说”《芬尼根守灵夜》中获得的灵感，因为书中有“对麦克老大三呼夸克”这样的诗句。但是，盖尔曼却说他起名时首先想到的是“quork”（郭克）这个词，然后才联想到那句诗，并且接受了人们普遍把这个名称错拼写成“quark”（夸克）的事实。不管怎么说，这个名字也比“埃斯”（ace）强。埃斯是欧洲核子研究中心的乔治·茨威格为他独立提出的一个类似概念取的名字。最终，“夸克”这个名字沿用下来。
1701013294
1701013295
光子最初是普朗克为满足数学工具的需要而提出的一个理论概念，与之相似，盖尔曼提出夸克这个概念时，也是为了简化数学结构，他并不认为真的存在这种粒子。但是现在，人们不仅认为这种粒子确实存在，而且认为它们（可能）是一种基本粒子。按照盖尔曼最初的设想，夸克有三种“味”，即上夸克、下夸克和奇夸克（由此可以看出它与乔伊斯的那句诗的确是有关系的）。将两个或三个夸克结合在一起，就能构成我们观察到的所有粒子。此外，如果构成质子和中子的上夸克和下夸克在质量上略有不同，而且奇夸克的质量略大一些，就可以解释为什么粒子间的对称性会遭到破坏了。可观察粒子的对称性确实存在，但这不是说它们的质量具有对称性，而是说构成这些粒子的基本粒子具有对称性。
1701013296
1701013297
事实上，仅有三种味是不够的。随着观察的深入，局面似乎越发混乱。大约20年之后，量子色动力学产生。盖尔曼受到描述光与物质相互作用的量子电动力学理论所取得的成绩的启发，选择了这个相似的名称。量子色动力学认为，夸克之间的力是由胶子这种粒子产生的，它不是一种简单的力，而是会呈现出各种各样的“颜色”（夸克的味不同于现实世界的味道，同样，夸克的色与现实世界的颜色也没有任何相同点），包括红、绿、蓝。事实上，夸克一共只有三种颜色，夸克的反粒子则呈现互补色，即反红色、反绿色和反蓝色。
1701013298
1701013299
这个系统的高明之处在于，这些夸克结合在一起之后一定会呈现白色。因此，在由三个夸克构成的粒子中，例如质子或中子，这三个夸克必须分别是红色、绿色和蓝色，而由两个夸克构成的粒子，如介子，则必须包含某种颜色和它的互补色。要让整个系统正常运转，还必须有与颜色有关的胶子，一共有8种。从数学的角度看，这个方法了不起的一点是：它围绕这种“色荷”重新形成对称。由于质量不同，夸克的对称性不可避免地具有不完美的特点，而没有质量的胶子却表现出完美的对称性。
1701013300
1701013301
随着理论物理学家和应用数学家的研究不断深入，他们发现对称似乎可以揭示宇宙中更多的深层次奥秘。对称似乎是一种自然趋势，也就是说，人们越来越倾向于用对称这个数学工具去推导现实的本质。但是，这样做存在一个问题。我们知道粒子的质量并不真的具有对称性，我们还知道自然界的各种力也大相径庭。即使真的存在某种深层次的对称性，似乎也早已被破坏殆尽了。从人们新近用来研究宇宙起源的模型来看，宇宙在刚开始的时候是完全对称的，但是这种对称性早已不存在。在这个过程中，到底发生了什么？
1701013302
1701013303
这里存在一个与集合论选择公理有几分相似的问题。在人类干预的前提下，从集合中选择一个元素是一件易如反掌的事情，但是在没有人参与时，该如何选择呢？同样道理，如果对称一度存在而随后遭到破坏，那么导致对称破缺的原因到底是什么？人们需要找出“对称自发性破缺”的机理所在。人们经常举铅笔的例子来说明这个问题。将铅笔的笔尖朝下，直立在桌面上。铅笔必然会倒下，破坏直立的平衡状态，然后笔尖指向某个方向。但是，我们无法预测铅笔会在直立的状态下倒向何方。
1701013304
1701013305
不幸的是，这个例子是有缺陷的。如果铅笔真的处于完美的对称状态，就绝不会倒下，因为它必须受到某个力的作用，才会倾倒。就像电影《盗梦空间》中的那个陀螺一样，铅笔会一直保持明显违背自然常识的直立状态。只要对称遭到一点儿破坏，例如铅笔的平衡或笔尖的形状有瑕疵，或者受到气流等外力作用，铅笔就会倒下。我们生活在一个不对称的世界中，所以我们知道铅笔肯定会倒。
1701013306
1701013307
对称被广泛地应用于探索宇宙奥秘的活动中，已经成为人们提出物理理论的主要手段。但是，我们必须十分小心。诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼认为，如果我们假定某些对称性真实存在，我们构建的科学模型就可能具有误导性。他说：
1701013308
1701013309
对称，即使是现实世界中的近似对称，也可能是一个功能强大的工具。但是，我们人类经常犯错，认为某些事物表现出完美的对称性。实际上，这些对称只是人们的错觉，或者是其他事物不经意间造成的偶然结果。
1701013310
1701013311
尽管这个例子并不完美，但是它确实可以说明近似对称的自发性破缺。人们认为，我们现在已经发现的各种力就是源于这种自发性破缺。当系统由高能状态进入低能状态时，就会发生这个过程。高能状态更有可能具有随机性，因此表现出更明显的对称性。与倒在桌子上的铅笔相比，直立的铅笔具有更多的势能。与之类似，加热传统的磁体并使它超过某个温度水平，它就会失去磁性。这是因为在热动能的作用下，磁体内部的磁畴由整齐排列变成了杂乱无序的随机排列。借助数学模型，我们可以将弱核力和电磁力统一起来。在宇宙诞生之初，弱核力和电磁力似乎是统一的，但是，随着宇宙的温度不断降低，对称自发性破缺最终导致这两种力的分离。
1701013312
1701013313
尽管数学模型非常简洁，但是它与我们观察到的现实并不完全吻合。对称理论要求负责传递作用力的玻色子（例如，传递电磁力的光子和传递强核力的胶子）必须没有质量。光子和胶子的确没有质量，但是负责传递第三种力（核裂变时出现的、可以使一种粒子变成另一种粒子的弱核力）的三种粒子都有质量。于是，对称理论似乎被彻底颠覆了。
1701013314
1701013315
对于某些人而言，数学是推动物理发展的全部动力，而对称理论的这些瑕疵令人无法接受，因此他们决定想办法做出补救，以便对称可以继续发挥推动作用。于是，他们提出了一个非常大胆的想法：有没有可能这些携带弱核力的粒子真的没有质量，但是宇宙中却存在一个力场，就像电磁场（以及其他场）那样充斥在宇宙中，为自然界提供另外一种作用力呢？这个力场非常特别，它的唯一作用就是拖曳粒子，使携带弱核力的玻色子产生具有质量的假象。人们以该理论的一个创立者的姓名将其命名为“希格斯场”。
1701013316
1701013317
在用希格斯场打好“补丁”之后，人们发现整个系统中可能还隐藏着一种对称性。唯一的问题是，没有证据可以证明希格斯场的确存在。希格斯场是人们弥补理论瑕疵的应急之举，具有主观随意性，没有得到实验数据的支持。因此，寻找希格斯力的携带粒子——希格斯玻色子的工作具有非常重要的意义。2013年，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验得出的一些结果在令新闻媒体摸不着头脑的同时，又让这些媒体欣喜若狂，原因是这些实验结果与希格斯玻色子存在的假设并不冲突。但有必要强调一点，所有这些实验结果都是间接证据，而且这套理论无法预言希格斯玻色子的质量到底是多少。
1701013318
1701013319
目前，人们利用数学推导结果搭建而成的模型，在诸多领域取得了实实在在的成绩。例如，在上述对称理论基础上建立的粒子物理标准模型就是一个成功的案例。尽管还有若干问题有待解决，但是它的很多预测与现实高度吻合。然而，这个模型中有很多要素都来自于直接的观察结果，而不是根据主体结构的预测。到目前为止，该模型还无法解释宇宙中暗物质（人们认为，暗物质的数量多于普通物质）的本质，也无法解释对称性和质量的存在原因。我们只知道某些事物表现出某种对称性，或者具有质量，但是无法解释具体的原因。此外，在物质粒子与携力粒子之间也没有发现明显的相关性。
1701013320
1701013321
为了回避其中的某些问题，人们再一次求助于数学工具。在成功应用对称理论的经验的引领下，有人提出了一种叫作超对称的全新对称概念，将这两大类粒子联系到一起。这个理论唯一需要解决的就是“简单化”问题。由于每种粒子都需要找到一种与之相反的超对称粒子，以致标准模型过于复杂。光子、胶子等携力玻色子需要与光微子、胶微子等物质粒子对称，与此同时，电子、夸克等构成物质的费米子也需要有与之对称的携力粒子，即所谓的超电子、超夸克。
1701013322
1701013323
在我创作本书的时候，人们还没有找到任何关于超对称粒子存在的证据。如果这套理论是正确的（目前还没有任何合理的理由可以证明这套理论是正确的），在完美对称的宇宙之中，粒子和它们的超对称粒子就应该具有相同的质量，我们也就可以轻松地探测到超电子的存在。由于至今还没有探测到这些超对称粒子，所以我们必须彻底打破这种对称性，使这些超对称粒子的质量增加至等于或者大于希格斯玻色子的质量。也就是说，如果用大型强子对撞机完成更高能量水平的实验（这是未来的目标之一），就应该可以增加超对称理论发挥作用的可能性，但更有可能会起到反作用。
1701013324
1701013325
然而，对于利用纯粹的数学方法推导出物理理论的“魔术表演”而言，超对称只是一道开胃菜，而在“简单”的超对称理论中加入大量全新内容的弦论才是精心烹制的大菜。从弦论的总体描述来看，这套理论似乎兼具简单、美观这两个特点，但是一旦进行深入研究，就会发现它的复杂程度非常高，难点体现在具体内容上。总的来说，弦论就是用弦这个单一的一维实体来取代那些纷繁复杂的基本粒子。
1701013326
[
上一页 ]
[ :1.701013277e+09 ]
[
下一页 ]