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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950073]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2010年1月，各路英雄齐聚于南加州的一个会议，商讨大型强子对撞机纪元中暗物质的搜寻事宜与粒子物理学的新进展。会议的组织者、紧凑μ子线圈实验的成员之一、加州理工学院物理系教授——玛利亚·斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu）邀请我做开场报告，并介绍大型强子对撞机的主要任务与近期将要研究的物理目标纲要。
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玛利亚希望开一个互动性较强的会议，因此她建议我们三个开场报告的报告人来一次“决斗”（duel），假设“决斗”这个词可以用于三个人而不至于使人困惑的话。而受邀的听众则形成了更大的挑战，因为他们的人员组成从相同领域的专家到加州对技术领域感兴趣的观察家。玛利亚让我深刻挖掘、仔细寻找并且忽略当前理论与实验的一些特征。而其中一位与会者——丹尼·希利斯（Danny Hillis），他是Applied Minds公司一位优秀的非物理学人士，他建议我把一切讲得尽可能地基础，让非专业人士也可以理解。
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在面对如此多的矛盾、分歧以及众口难调的意见时，我做了一件任何很多人都会做的事情——拖延。我在网上搜索的内容构成了我的第一张幻灯片（见图17-1），结果这个关于“小错误与一切”（typo and all）的主题成为丹尼斯·奥弗拜（Dennis Overbye）发表在《纽约时报》上文章的主题。
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图17-1 几种候选模型，这是我在会上展示的一张幻灯片。
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这些主题指的是我和后续的演讲者计划要涉及的话题。但是伴随着决斗的两只猫的入场，我利用音效制造了一种幽默（这里我却不能重现该场面），其寓意乃是反映两个模型所具有的既令人热血沸腾又让人捉摸不定的性质。与会的每个人无论多么强烈地相信自己正在研究的内容，都清楚地知道实验数据马上就会浮出水面，而数据将是谁能笑到最后（或者得到诺贝尔奖）的最终裁判。
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大型强子对撞机呈现给了我们唯一一个创造新理解与新知识的机会。粒子物理学家希望能尽快回答我们已经思考了很久的艰深问题：
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●为什么粒子具有实验观测到的如此质量？
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●什么是暗物质？
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●额外维度能解决等级问题吗？
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●时空有额外的对称性吗？
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●现今的工作有完全无法预见的东西吗？
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被提议的解决方案包括一些模型，例如超对称、技术色、额外维度。当然最终答案也可能完全不同于任何期望的东西，但是模型可以为我们的搜寻提供具体目标。本章接下来展示一些候选模型，并讨论它们对于等级问题的回答，以及介绍它们为大型强子对撞机将进行的探测类型所做的添砖加瓦的工作。为这些或者其他模型所进行的搜寻工作即将展开，无论哪一种结果将构成自然的真实理论，这些工作都将为我们提供宝贵的见解。
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模型一：超对称
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我们将从一种离奇的对称性——超对称以及与它相结合的模型出发。如果你在理论粒子物理学中做一个问卷调查，那么一大部分人可能会说：超对称可以解决等级问题。更进一步，如果你询问实验物理学家他们期望寻找什么新物质，那么也有一大部分人会提议超对称。
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从20世纪70年代开始，许多物理学家已经认为具有超对称的理论是非常美妙、神奇，所以他们相信它也一定存在于自然当中。他们更进一步得出：超对称模型中的三种相互作用在高能标时具有相同的强度。因为在标准模型中这些强度只是接近，所以超对称模型是标准模型的一个发展，使得统一理论成为可能。许多理论物理学家也发现超对称是等级问题最有说服力的解决方法，哪怕将所有细节与我们所知道的事情联系起来很困难。
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超对称模型假定标准模型中的任何基本粒子，例如电子、夸克等等，都有自己的伙伴——有着相似的相互作用但不同的量子力学性质的粒子。如果世界果真是超对称的，那么它一定存在许多未知的粒子——每一种已知粒子的超对称伙伴都在等待我们去发现（见图17-2）。
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超对称模型可以帮助解决等级问题，而且一旦它这么做了，它必定做得非常地超凡脱俗。在一个严格超对称的模型中，来自粒子及其超对称伙伴的虚效应严格相消。也就是说，如果你把来自标准模型的每种粒子的所有量子力学贡献全部加合起来，并统计它们对希格斯玻色子质量的效应，那么你将发现它们加起来全等于零 。在超对称模型中，希格斯玻色子将是零质量或者质量很小，哪怕出现了量子力学虚效应的修正。因此在一个真实的超对称理论中，粒子与其超对称伙伴的贡献将会严格相消（见图17-3）。
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可能这听起来很神奇，但由于超对称是一种非常特殊的对称性，所以这是有保证的。超对称是一种时空对称性，类似于你所熟悉的转动与平移对称性，但它将时空拓展到了量子领域。
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图17-2 在超对称理论中，每一种标准模型的粒子都有一个超对称伙伴。该理论的希格斯区超出了标准模型。
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