更多

李淼:弦论小史(1-6全)

2011-02-21 12:45:43 来源:

作者:李淼

弦论小史(1)

这是应《现代物理知识》邀请写的文章。这篇文章将尽量不同于我的书《超弦史话》,除了题目比较接近。

阅读费恩曼的物理学讲义,我们注意到作者一开始就提出一个有趣的问题。为了预防未来的一场毁灭性的灾难,不让人类的文明就此毁灭,如果我们只能给未 来的智慧生物留一句话,那么这句话应该是什么?费恩曼提出他的答案:物质世界是由永恒运动着的原子所组成,当这些原子分开时,存在吸引力,当这些原子靠近 时,又存在排斥力。

注意,这里不含任何物理学原理,如量子力学的测不准原理,相对论的光速不变原理。费恩曼的那句话又和一些原理有关,是人类关于我们这个世界目前所知 的最基本的事实。原子的运动是永恒的,这含有惯性原理以及某种程度上的测不准原理。当原子之间的距离足够大是,主导的力是吸引力,这解释了地球上所有物体 为什么具有一定的凝聚性,例如水这样的液体,石头、木头这样的固体,同时又解释了地球本身为什么是一个整体,太阳系为什么是一个整体,银河系为什么是一个 整体。当原子之间的距离变得很小时,主导的力变成排斥力,这解释了我们看到的许许多多的物体为什么具备稳定性,没有在一夜之间塌缩,等等。我们还可以从费 恩曼的那句话中推出热和热传导……

所以,在费恩曼看来人类文明迄今为止所发现的关于世界最重要的事情是还原论。世界虽然在表面开起来多种多样,其实还原后是简单的,只有分子和原子。 当我们继续追问下去的时候,我们发现有很多种原子。这些原子可以被继续还原成电子和原子核。而原子核可以还原成质子和中子,后者又可还原成夸克和胶子。

到了夸克、胶子和电子,人们似乎走不下去了。也许世界是由这些最基本的“砖块”码成的,除了这些砖块之外,还有一些类似的但不常见的砖块。那些砖块需要特殊的仪器才能被我们看到,例如高能加速器。在高能加速器上,我们可以看到类似电子的mu子,他们看起来非常像电子,除了质量和寿命不同外。除了这些看起来像电子的粒子外,还有中微子,对所有物体有最好的穿透力。用专业术语说,中微子和所有其他粒子的相互作用非常微弱,所以它们可以轻松地穿透物体,包括整个地球本身。

中微子为什么能够轻松地穿过物体?因为在它们和其它粒子如电子和质子之间的相互作用是通过一种我们很难看到的粒子来传递的。这些粒子相比其它粒子来 说质量很大,所以能够传递的力很快就随着距离变小了,加之,这些粒子本身也是极其不稳定的,很快就会衰变成其它粒子。这些粒子叫中间玻色子。

将所有以上提高的粒子加起来,它们组成一个和谐的家庭。这个家庭目前只有一位非常重要的人物缺席,换句话说,我们的仪器还没有强大到可以看到这位重 要人物,它的专业名字叫黑格斯粒子。这个粒子至今还没有被看到的原因有两个,第一它的质量很重,可能是中间玻色子的一倍多到两倍,甚至更重。第二,黑格斯 粒子和其它粒子的相互作用也很弱。黑格斯粒子的命名来自于它的父亲之一,彼得·黑格斯。1964年,除了黑格斯之外,另外五名物理学家,分成两组人,也在 理论上提出了它的存在的可能。所以,有些喜欢八卦的人很担心如果将来在某个仪器上,如明年将要运转的大型强子对撞机上,发现黑格斯粒子,彼得·黑格斯有无 可能获得诺贝尔物理学奖,因为诺贝将不能同时奖给三个以上的科学家。

为什么黑格斯粒子这么重要?因为如果没有它,许多粒子不会有质量,特别是电子和中微子这些叫做轻子的粒子。质子和中子的质量只有一小部分来自于黑格 斯粒子,大部分质量来自于今天我们还没有完全理解的所谓的色动力学,就是胶子引起的相互作用。在我们所处的空间中,黑格斯粒子所对应的场无所不在。有人打 了一个很形象的比方,黑格斯场就像一场晚宴中的众宾客充斥着空间,而其它粒子们就像晚宴中的重要客人,当任何一位这样的客人移动的时候,引起周围普通客人 的围观和招呼甚至索要签名,使得他们难以移动,于是质量就增加了。

欧洲核子中心的大型强子对撞机的主要目的是发现黑格斯粒子。这只是书面上的理由,很多参加这项宏大实验的物理学家以及相关的人则希望除了黑格斯粒子 外,强子对撞机还会发现一些我们在理论已经预料和没有料到的粒子和现象。因为,很多迹象表明,即使将黑格斯发现使之和粒子大家庭团聚,这个表面上看起来很 和谐的家庭总有种种问题,有破裂的迹象。所以,我们期待更多更新的成员加入大家庭。几乎所有高能物理界的同行都期待强子对撞机在今后几年为我们带来惊喜。

cern.jpg

(上图是探测器之一Atlas上用来确定粒子轨迹的光谱仪)

凡事总有例外,肯定有一部分人认为黑格斯粒子是最后的圣杯,被我们找到之后粒子物理的标准模型就完全确立,今后我们不会再有任何所谓的基础物理的发 现了。就像19世纪末开尔文勋爵说的那样,今后几代粒子物理学家的任务将是寻找每个物理学参数的小数点后几位的数字。这种工作将使得粒子物理显得更加不重 要,不吸引人。如果我们有精力和金钱去做这样的事,有人会说,真的不如去做与日常生活更密切相关的研究,例如材料物理,生物物理,量子计算,等等。

但是,同一个开尔文勋爵也说过,物理学的晴空中还漂浮着两朵乌云。这句话放在今天再适合不过,一百多年后,物理学的晴空中又升起了两朵乌云。这两朵 乌云相比开尔文时代的乌云看起来更加诡异,更加不可捉摸。这两朵乌云都和高能物理的兄弟学科宇宙学有关。其中一朵乌云出现的时间长些,就是所谓的暗物质。 天文观测表明,在类似银河系的大多数星系中,存在一些利用传统的观测手段看不到的物质。这些物质既不发光,也不辐射其它波段的电磁波,甚至也不辐射其它轻 粒子,所以叫做暗物质。暗物质的存在改变了星系、星系团这些巨大系统的引力结构,所以暗物质参与万有引力相互作用。

暗物质的构成到今天还不十分清楚。有些人认为这些看不见的物质可能是燃烧完的恒星,甚至黑洞,如果我们还不能完全排除它们,这些“正常”的候选者肯 定不是暗物质的主要成分。剩下的最有可能的是基本不怎么参与相互作用的粒子,如所谓的轴子,超对称理论中的中性微子,等。如果是超对称理论中的最轻的中性 粒子,这个粒子很可能在强子对撞机中其它超对称粒子的衰变过程中产生。一位不相信超对称的粒子物理学家曾经说过,如果超对称是可能的话,中性微子是最好的 理由。他的观点代表了很多人的看法,所以不相信超对称的人对超对称偶尔也会致敬。无论如何,暗物质的存在暗示了所谓的标准粒子模型肯定不是最终理论。

暗物质也许离我们的日常生活足够遥远,但它却和宇宙今天的格局息息相关。毫不夸张地说,如果我们喜欢追根究底,我们会发现如果没有暗物质,人类的存 在就是不可能的事情。原因很简单,在宇宙的年龄只有几亿年的时候,我们今天看到的一些恒星和星系开始形成,形成的原因是宇宙中的物质密度不是严格均匀的。 但是,如果没有暗物质,那个时候的物质密度非均匀性不够大,不足以使得通常的物质形成恒星和星系。没有恒星和星系,自然就不会有
身为第三代恒星的太阳,自然也不会有人类产生。

在谈第二朵乌云之前,我们再说几句关于大型强子对撞机的话。对于一个粒子物理学家来说,天空中的乌云远远不止两朵。他们会说,标准模型中有这样的问 题,有那样的问题,这些问题都可能导致灭顶的大问题。是否这些问题离我们不远,强子对撞机很快机会告诉我们答案。我个人觉得,当强子对撞机开始运转之后, 我们打开了偷窥自然的一扇重要的窗口。非常有可能,许许多多不大不小的乌云从这个窗口逸出,布满我们以为干净晴朗的物理学天空。

bulletcluster.jpg

(子弹星系团,目前暗物质存在的最好的观测证据)

galaxyclustercl002417.jpg

(星系团CL0024+17,环状暗物质引起的引力透镜效果非常明显)

相关热词搜索: 李淼 :

上一篇:超弦理论
下一篇:奇妙的光子

头条推荐

栏目本月热点

宇宙

精彩图片

前沿