物理学大统一理论简史

P.文章2012年希格斯粒子被发现之前，物理学家做过两次噩梦。第一个是大型强子对撞机（LHC）粒子加速器完全看不到任何东西。因为如果它真的这样做了，它很可能是最后一个用来探测宇宙基本组成的大型加速器。第二个是LHC将发现理论物理学家彼得·希格斯在1964年预测的希格斯粒子。。。没有别的了。

每次剥离一层现实，其他层都招手。因此，科学中的每个重要发展通常都让我们与答案有关的更多问题。但它通常至少让我们至少概述路线图，以帮助我们开始寻求这些问题的答案。成功发现HIGGS粒子，并借助于整个空间（在量子世界中，像HIGG的每种粒子都与场上相关的每个粒子）的验证是粗体科学的深刻验证20世纪的发展。

然而，谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow)的话听起来仍然是对的:希格斯粒子就像一个厕所。它隐藏了所有我们不愿提及的混乱细节。希格斯场与大多数基本粒子相互作用，当它们在空间中旅行时，产生一种阻力，使它们的运动减速，并使它们看起来质量巨大。因此，我们测量的基本粒子的质量，以及使我们的经验世界成为可能的基本粒子的质量，在某种程度上是一种幻觉——是我们特定经验的意外。

尽管这个想法可能很精妙，但它本质上是对标准物理模型的一个特别补充。标准物理模型解释了自然界已知的四种力中的三种，以及这些力如何与物质相互作用。它被添加到理论中去做精确模拟我们经验世界所需要的事情。但事实并非如此要求的理论。宇宙本可以愉快地存在于无质量粒子和长程弱力(与强力、引力和电磁力一起构成四种已知力)之中。我们就不会来这里问他们的事了。此外，希格斯玻色子的具体物理性质仅在标准模型中是无法确定的。希格斯粒子可能重20倍，也可能轻100倍。

那么，为什么希格斯玻色子会存在呢?为什么它有这么大的质量?(意识到每当科学家问“为什么?”)如果希格斯玻色子不存在，我们看到的世界就不存在，但这肯定不是一种解释。或者是吗?最终，要理解希格斯玻色子背后的物理原理，就必须理解我们是如何存在的。当我们问:“我们为什么在这里?”，在基本层面上，我们可能会问，“为什么希格斯粒子会在这里?”标准模型没有给出这个问题的答案。

然而，通过理论和实验的结合，确实存在一些线索。1974年，在标准模型的基本结构确立之后不久，在接下来的十年里，在细节被实验验证之前，哈佛大学的两个不同的物理学家小组，Sheldown Glashow和Steven Weinberg都在工作，他们注意到了一些有趣的事情。格拉肖和霍华德·格奥尔基做了格拉肖最擅长的事:他们在现有的粒子和力中寻找模式，并利用群论的数学寻找新的可能性。

在标准模型中，性质的弱和电磁力量以高能量的规模统一，分为物理学家称之为“电挖掘力”的单一力量。这意味着控制弱和电磁力的数学是相同的，由相同的数学对称约束，两种力是单个潜在理论的不同反射。但是，对称性由HIGGS田地“自发地破碎”，其与传送弱力的颗粒相互作用，而不是传达电磁力的颗粒。这种自然事故导致这两种力量在尺度上表现为两个单独的，不同的力量，我们可以测量 - 弱势是短距离和电磁剩余的远程。

Georgi和Glashow试图将这个想法扩展到强引力，并发现所有已知的粒子和三种非引力都可以自然地适用于一个基本的对称结构。然后，他们推测，这种对称性可以在一些远超出当前实验范围的超高能量尺度(和短距离尺度)自发断裂，留下两个独立的、独特的未断裂的对称性——从而产生单独的强电弱力。随后，在较低的能量和较大的距离尺度下，电弱对称会被打破，将电弱力分为短程弱电磁力和远程电磁力。

他们称这种理论为“大统一理论”(GUT)。

大约在同一时间，温伯格、格奥尔基和海伦·奎因注意到一件有趣的事情——跟踪弗兰克·威尔切克、大卫·格罗斯和大卫·波利策的工作。随着距离的减小，强相互作用减弱，电磁相互作用和弱相互作用增强。

每次我们在宇宙中打开一个新窗口时，我们都很惊讶。

即使是火箭科学家也不知道这三种不同相互作用的强度在小距离范围内是否会变得相同。当他们进行计算时，他们发现(以测量相互作用的准确性)这样的统一看起来是可能的，但只有在统一的规模比质子的大小大约小15个数量级的情况下。

如果统一理论是霍华德·格奥尔基（Howard Georgi）和格拉肖（Glashow）提出的，这是个好消息，因为如果我们在自然界中观察到的所有粒子都以这种方式统一起来，那么新的粒子（称为规范玻色子）就会存在，它们会在夸克（构成质子和中子）与电子和中微子之间产生跃迁。这意味着质子可以衰变成其他更轻的粒子，我们可以观察到。正如Glashow所说，“钻石不是永恒的。”

即使在那时，人们也知道质子的寿命一定非常长。不仅因为我们在宇宙大爆炸140亿年后仍然存在，还因为我们小时候并没有死于癌症。如果质子衰变的平均寿命小于十亿年，那么在我们的童年时期，就会有足够多的质子在我们体内衰变，产生足以杀死我们的辐射。记住，在量子力学中，过程是概率的。如果一个质子平均存在十亿亿亿年，如果一个质子有十亿亿亿个质子，那么平均每年一个质子都会衰变。在我们的身体里有超过10亿亿个质子。

然而，由于所提议的距离尺度非常小，因此大质量尺度与大统一中自发的对称性破断有关，新的规范玻色子将获得大质量。这将使它们所介导的相互作用变得如此短距离，以至于在今天的质子和中子规模上，它们将弱得令人难以置信。因此，虽然质子可以衰变，但在这种情况下，它们可能会在衰变前存在一亿亿亿亿亿年。仍然是时候持有成长型股票了。

W.根据格拉肖、格奥尔基、格奥尔基、奎因和温伯格的研究结果，空气中弥漫着大合成的气味。在弱电理论获得成功后，粒子物理学家们感到雄心勃勃，准备进一步统一。

然而，人们怎么知道这些想法是否正确呢?没有办法建造一个加速器来探测比质子的剩余质量能量大几万亿倍的能量规模。这样的机器必须有月球轨道的周长。即使这是可能的，考虑到之前超导超级对撞机的失败，也没有政府会为此买单。

令人高兴的是，还有另一种方法，利用我刚才提出的那种给出质子寿命限制的概率论证。如果新的大统一理论预测一个质子的一生,说,一万亿年,然后如果能把一万亿个质子在单个探测器,平均每年其中之一会衰变。

哪里可以找到这么多的质子？简单：在约3000吨水中。

所以需要的是一箱水,把它在黑暗中,确保没有放射性背景,围绕它与敏感的光电管,检测器可以检测闪光,然后等待一年看到一个质子衰变时,一束光。尽管这看起来令人望而生畏，但至少有两项大型实验是为此而委托和建造的，一项是在伊利湖附近的一个深地下盐矿中，另一项是在日本神冈附近的一个矿井中。为了屏蔽宇宙射线，这些地雷是必要的，否则宇宙射线会产生一个背景，淹没任何质子衰变信号。

这两个实验都是在1982-83年左右开始收集数据的。大统一似乎是如此令人信服，以至于物理学界相信一个信号很快就会出现，大统一将意味着十年来粒子物理学的惊人变化和发现的顶峰——更不用说格拉肖和其他人获得另一个诺贝尔奖了。

不幸的是，大自然在这种情况下并不那么仁慈。第一年、第二年和第三年都没有迹象。格拉肖和格奥尔基提出的最简单、最优雅的模型很快就被排除了。但是，一旦“大统一”的风潮流行起来，就不容易放手了。还提出了其他统一理论的建议，这些统一理论可能导致质子衰变被抑制到超出正在进行的实验的极限。

希格斯粒子就像厕所。它隐藏了所有我们不愿提及的混乱细节。

然而，1987年2月23日发生的另一件事证明了我发现的一个几乎普遍的格言:每当我们打开一扇新的宇宙之窗，我们都会感到惊讶。在那一天，一群天文学家在夜间拍摄的照片中观察到近400年来最近的爆炸恒星(一颗超新星)。这颗恒星距离地球约16万光年，位于大麦哲伦星云中。大麦哲伦星云是银河系的一个小卫星星系，位于南半球。

如果我们关于爆炸的恒星是正确的,大多数的能量释放的形式应该是中微子,尽管可见光释放如此之大,超新星是天空中最亮的宇宙烟花爆炸时的速度(大约每100年一个爆炸星系)。粗略估计，巨大的IMB (Irvine- Michigan-Brookhaven)和Kamiokande水探测器应该能观测到大约20个中微子事件。当IMB和神冈派的实验人员回去查看他们当天的数据时，你瞧，IMB在10秒的间隔内显示了8个候选事件，神冈派显示了11个这样的事件。在中微子物理学的世界里，这是大量的数据。中微子天体物理学领域突然成熟了。这19个事件产生了大约1900篇物理学家的论文，比如我，他们意识到，它们提供了一个前所未有的窗口，可以深入到一颗爆炸恒星的核心，以及一个实验室，不仅是天体物理学的实验室，也是中微子物理学本身的实验室。

通过实现大型质子衰减探测器可以使用双方目的作为新的天体物理探测器，几个团体开始建立新一代的这种双功探测器。世界上最大的一个被康马矿再次建成了堪称Super-Kamiokande，并充分理由。这款猛犸象50,000吨水箱，围绕着11,800光发作，在一个工作矿井中运行，但实验与实验室洁净室的纯度保持着。这是绝对必要的，因为在这个规模的探测器中，不得不担心外部宇宙射线，而且还要担心水中的内部放射性污染物，这可能沼泽地被搜查任何信号。

与此同时，在此期间，对相关天体物理学中微子信号的兴趣也达到了一个新的高峰。太阳中微子产生由于核反应在其核心力量,和超过20年,使用一个庞大的地下探测器,戴维斯射线探测到太阳中微子物理学家,但一直发现事件率大约三倍低于预测使用太阳的最佳模型。在加拿大萨德伯里的一个深矿井里建造了一种新型的太阳中微子探测器，后来被称为萨德伯里中微子天文台(SNO)。

Super-Kamiokande现在几乎连续运行，通过各种升级，超过20年。没有发现质子衰变信号，也没有观测到新的超新星。然而，在这个巨大的探测器上对中微子的精确观测，结合在SNO上的互补观测，肯定地证实了Ray Davis观测到的太阳中微子赤字是真实的，而且它不是由于太阳中的天体物理效应，而是由于中微子的特性。这意味着，在已知的三种中微子中，至少有一种不是无质量的。由于标准模型不能容纳中微子的质量，这是第一次明确的观察到，在标准模型和希格斯玻色子之外，一定有一些新的物理现象在自然界中运行。

此后不久，对高能宇宙线质子撞击大气层并产生包括中微子在内的粒子向下簇射时定期轰击地球的高能中微子的观测表明，还有第二个中微子具有质量。这个质量稍大一些，但仍然远小于电子的质量。由于这些结果，斯诺和神冈大学的团队领导获得了2015年诺贝尔物理学奖——就在我写这些话的初稿前一周。到目前为止，这些诱人的新物理学暗示还没有被当前的理论所解释。

质子衰变的缺失虽然令人失望，但结果并非完全出乎意料。自从“大统一”被首次提出以来，物理学的格局发生了轻微的变化。对这三种非引力相互作用的实际强度进行更精确的测量，再加上对这些相互作用强度随距离变化的更复杂的计算，表明如果标准模型中的粒子是自然界中唯一存在的粒子，这三股力量的力量不可能按单一的规模统一起来。为了实现“大统一”，必须存在一些能量尺度上的新物理学，而不是目前已经观测到的物理学。新粒子的存在不仅会改变能源规模三个已知的相互作用可能统一,也往往会抬高大统一尺度,从而抑制质子的速度decay-leading预测寿命超过一千万亿年。

随着这些发展的发生，理论家们在新的数学工具的驱动下探索一种可能的自然界的新型对称，这就是众所周知的超对称。这种基本对称不同于以往任何已知的对称，因为它连接了自然界中两种不同类型的粒子，费米子(自旋为半整数的粒子)和玻色子(自旋为整数的粒子)。这样做的结果是，如果这种对称性在自然界中存在，那么对于标准模型中的每一个已知粒子，都必须至少存在一个相应的新基本粒子。对于每一个已知的玻色子，必然存在一个新的费米子。对于每一个已知的费米子，必然存在一个新的玻色子。

由于我们还没有看到这些粒子，这种对称性无法在我们所经历的水平上在世界上表现出来，它必须被打破，这意味着新粒子都将获得足够重的质量，以至于它们在迄今为止建造的任何加速器中都没有被看到。

在没有任何新粒子存在的证据的情况下，一种对称性突然使自然界中的所有粒子加倍，这有什么吸引力呢?这种诱惑很大程度上在于大统一的事实。因为如果大统一理论存在于比质子静止质量能量高15到16个数量级的质量尺度上，这也比电弱对称破缺的尺度高约13个数量级。最大的问题是，根据自然的基本规律，为什么以及如何在尺度上存在如此巨大的差异。特别是,如果标准模型希格斯粒子是真正的最后残余的标准模型,问题出现了,为什么是希格斯粒子的能量规模对称打破13个数量级小于对称性破缺与任何新的领域的规模必须引入肠道对称分解成单独的组件部队吗?

经过三年的大型强子对撞机运行，没有任何超对称性的迹象。

问题比出现的问题更严重。当一个人考虑虚拟粒子的影响时（在时间尺度上出现并消失的时间，即它们的存在只能间接探测它们），包括任意大量质量的粒子，例如假定的大统一理论的规格粒子，这些往往会驱动高原的质量和对称性尺度，使其基本上变得靠近或相同的肠道尺度。这会产生一个被称为自然问题的问题。在技​​术上是不自然的，在通过HIGGS粒子和肠道对称性被任何新的重字段标量断裂所述对称性的肠道对称性的标度之间具有巨大的层次结构。

数学物理学家爱德华·威腾(Edward Witten)在1981年一篇有影响力的论文中指出，超对称有一种特殊的性质。它可以在我们目前可以探测的尺度上，驯服任意高质量和高能量的虚拟粒子对世界性质的影响。由于相同质量的虚费米子和虚玻色子产生的量子修正除了符号外完全相同，如果每一个玻色子都伴随着一个质量相同的费米子，那么虚粒子的量子效应就会抵消掉。这意味着，在我们可以测量的尺度上，任意高质量和高能量的虚拟粒子对宇宙物理特性的影响现在将被完全消除。

然而，如果超对称性本身被破坏（必然如此，或者普通物质的所有超对称伙伴都将具有与观测到的粒子相同的质量，我们也将观测到它们），那么量子修正将不会完全抵消。相反，它们将产生与超对称破坏尺度相同的质量贡献。如果它可以与电弱对称性破缺的尺度相比较，那么它就可以解释为什么希格斯质量尺度是这样的。

这也意味着我们可以开始观测到大量的新粒子——普通物质的超对称伙伴——目前大型强子对撞机正在探测的规模。

这将解决自然性问题，因为它将保护希格斯玻色子的质量不受可能的量子修正的影响，而量子修正可能将希格斯玻色子的质量推高到与大统一理论相关的能量规模一样大。超对称可以使能量(和质量)的“自然”大层次分离出电弱尺度和大统一尺度。

这种超对称性在理论上可以解决众所周知的层次问题，这极大地增加了物理学家对它的了解。它促使理论家们开始探索包含超对称破缺的现实模型，并探索这一想法的其他物理后果。当他们这么做的时候，超对称的股票价格一路飙升。因为，如果把自发打破超对称的可能性纳入到三种非重力力随距离变化的计算中，那么突然之间，三种力的强度就会自然地集中在一个单一的、非常小的距离尺度上。大统一又变得可行了!

超对称性被破坏的模型还有另一个吸引人的特点。有人指出，早在发现顶夸克之前，如果顶夸克很重，那么通过它与其他超对称伙伴的相互作用，它可以对希格斯粒子的性质产生量子修正，如果大统一发生在更高的超重尺度上，这将导致希格斯场在其当前测量的能量尺度上在整个空间形成相干背景场。简言之，电弱对称破缺的能量尺度可以在一个理论中自然产生，在这个理论中，大统一发生在一个更高的能量尺度上。当顶夸克被发现并且确实很重时，这增加了超对称性破坏可能是观测到的弱相互作用的能量尺度的可能性的吸引力。

为了实现“大统一”，必须存在一些能量尺度上的新物理学，而不是目前已经观测到的物理学。

然而，所有这些都是有代价的。希格斯玻色子理论要成立，就必须有两个，而不是一个。此外，如果建造一个像大型强子对撞机这样的加速器，人们可能会开始看到新的超对称粒子，它可以探测接近电弱尺度的新物理学。最后，理论中最轻的希格斯粒子不能太重，否则机制就会失效。

当对希格斯粒子的搜索继续进行而没有产生任何结果时，加速器开始越来越接近超对称理论中最轻希格斯玻色子质量的理论上限。这个数值大约是质子质量的135倍，细节在某种程度上取决于模型。如果希格斯粒子可以被排除在这个范围之外，那么它就表明所有关于超对称性的炒作都是如此。

好吧，事情结果不同。在LHC中观察到的HIGG的质量约为质子质量的约125倍。也许盛大的合成在达到范围内。

目前的答案是……不是那么明确。普通粒子的新超对称伙伴的特征对大型强子对撞机来说应该是非常惊人的，如果它们存在的话，我们中的许多人都认为大型强子对撞机发现超对称的机会要比发现希格斯粒子的机会大得多。事实并非如此。经过三年的大型强子对撞机运行，没有任何超对称性的迹象。形势已经开始让人感到不安。对普通物质的超对称伙伴的质量所能设定的下限越来越高。如果它们太高，那么超对称破缺尺度将不再接近电弱尺度，许多用于解决层次问题的超对称破缺吸引人的特征将消失。

但情况并非没有希望，大型强子对撞机再次启动，这次的能量更高。超对称粒子可能很快就会被发现。

如果是，这将产生另一个重要的后果。宇宙学中一个更大的谜团是暗物质的本质，它似乎主宰着我们所能看到的所有星系的质量。它是如此之多，以至于它不可能像普通物质一样由相同的粒子组成。例如，如果是这样的话，对大爆炸中产生的氦等轻元素丰度的预测将不再与观测相符。因此，物理学家有理由确信暗物质是由一种新型基本粒子构成的。但是什么类型?

在大多数模型中，普通物质中最轻的超对称伙伴是绝对稳定的，并且具有许多中微子的特性。它的相互作用弱，电中性，所以它不会吸收或发射光。此外，我和其他人在30多年前进行的计算表明，大爆炸后遗留下来的最轻超对称粒子的剩余量，自然会在这个范围内，所以它可能是主导星系质量的暗物质。

在这种情况下，我们的星系将会有一个由暗物质粒子组成的光晕呼啸而过，包括你正在阅读这篇文章的那个房间。正如我们许多人不久前也意识到的那样，这意味着如果一个人设计出敏感的探测器并把它们放在地下，就像(至少在精神上)已经存在于地下的中微子探测器一样，他可能会直接探测到这些暗物质粒子。在世界各地，有六个美丽的实验正在做着同样的事情。然而，到目前为止，什么也没有看到。

所以，我们可能处在最好的时代，也可能是最坏的时代。大型强子对撞机的探测器和地下直接暗物质探测器之间正在进行一场竞赛，看谁能首先发现暗物质的性质。如果任何一个小组报告了一个发现，它将预示着一个全新的发现世界的开启，可能导致对大统一本身的理解。如果在未来的几年里没有发现，我们可能会排除一个简单的暗物质超对称起源的概念，并反过来排除整个超对称概念作为层次问题的解决方案。在这种情况下，我们将不得不回到绘图板，除非我们在大型强子对撞机上看不到任何新的信号，我们将几乎没有指导方向，以推导出一个可能是正确的自然模型。

当大型强子对撞机报告了一个诱人的可能信号时，事情变得更有趣了，这个信号来自一个比希格斯粒子重6倍的新粒子。这种粒子不具有人们所期望的任何普通物质的超对称伙伴的特征。一般来说，当收集到更多的数据时，最令人兴奋的虚假信号就会消失，大约在信号首次出现6个月后，在收集到更多的数据后，它就消失了。如果没有，它可能会改变我们对大统一理论和电弱对称的所有看法，相反，它会提出一种新的基本力和一组能感受到这种力的新粒子。但是，尽管它产生了许多充满希望的理论论文，自然似乎选择了另一种方式。

没有明确的实验方向或对超对称性的证实，迄今为止并没有使一组理论物理学家感到困扰。在1984年，超对称的美丽数学方面鼓励了一个自20世纪60年代以来就休眠的想法的复活，当时南阳一郎和其他人试图理解这种强大的力量，就好像它是一个由弦状激发连接起来的夸克理论。当超对称量子理论成立的字符串,创造了被称为超弦理论,开始出现一些令人惊异的美丽的数学结果,包括统一的可能性不仅三个一些力量,但所有四种已知的力在本质上为一个一致的量子场论。

然而，该理论需要大量新的时空维度存在，而迄今为止，还没有一个被观测到。此外，该理论没有做出其他的预测，这些预测目前还无法通过设想的实验进行验证。这个理论最近变得更复杂了，现在看起来弦本身可能甚至不是这个理论的中心动力变量。

这些都没有浇灭超级弦理论(现在被称为m理论)的铁杆物理学家们的热情。自20世纪80年代中期的全盛期以来，30多年来，他们一直在继续研究超弦理论。伟大的成功是周期性地声称,但到目前为止,m理论缺乏的关键元素标准模型这样一个科学事业的胜利:接触世界的能力我们可以测量,解决其他令人费解的谜题,并提供基本的解释我们的世界出现了。这并不意味着m理论不正确，但在这一点上，它主要是猜测，尽管善意和动机良好的猜测。

值得记住的是，如果历史的教训有任何指导作用，大多数最前沿的物理观点都是错误的。如果不是，任何人都可以做理论物理。按照希腊人的科学理论，经过几百年或几千年的碰撞和失误，才得出标准模型。

这就是我们所处的位置。伟大的新实验见解是否即将到来，可能验证或否定理论物理学家的一些更宏大的推测？还是我们正处在沙漠的边缘，在那里，大自然不会给我们任何线索，告诉我们应该往哪个方向去寻找，以更深入地探索宇宙的本质？我们会发现的，我们将不得不接受新的现实。

劳伦斯·m·克劳斯(Lawrence M. Krauss)，理论物理学家和宇宙学家，“起源项目”(Origins Project)的负责人，亚利桑那州立大学地球与空间探索学院(School of Earth and Space Exploration at Arizona State University)的基础教授。他也是畅销书的作者包括无中生有的宇宙和《星际迷航》的物理学。

版权所有©2017作者:Lawrence M. Krauss。摘自即将出版的书迄今为止最伟大的故事:我们为什么在这里?由劳伦斯M. Krauss发表于Simon＆Schuster，Inc。的Atria Books of Simon＆Schuster，Inc。通过许可印刷。