讓晚年的愛因斯坦魂?duì)繅衾@的大統(tǒng)一理論究竟是什么？距離其第一個(gè)理論模型誕生已過去四十年，為何科學(xué)界至今都找不到直接證據(jù)來支持它？
20年來，日本的物理學(xué)家始終在監(jiān)測著安放于一座廢棄砷礦深處的一個(gè)巨型水箱。為什么他們要這么做？這個(gè)水箱有13層樓高，里面裝滿高純度水?？茖W(xué)家希望能夠觀測到水中的質(zhì)子發(fā)生自然衰變。在此期間，他們在這個(gè)龐大的水箱中有了另外的發(fā)現(xiàn)（與一種名為中微子的粒子相關(guān)），并因此榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。不過，該團(tuán)隊(duì)對質(zhì)子衰變的觀測仍在繼續(xù)——這種物理現(xiàn)象將確認(rèn)，在宇宙誕生之初，大自然四種“基本力”中有三種是從同一種力分離出去的。
“到目前為止，我們還沒能找到質(zhì)子衰變的證據(jù)，”東京大學(xué)的科學(xué)家三浦誠（Makoto Miura）說道，他是超級神岡探測器（Super-Kamiokande）實(shí)驗(yàn)質(zhì)子衰變觀測團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。
不同的大統(tǒng)一理論（GUT）認(rèn)為強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力是統(tǒng)一的，這些理論對質(zhì)子衰變的時(shí)間做出了一系列不同的預(yù)測。超級神岡探測器的最新分析數(shù)據(jù)表明，這種亞原子粒子的平均壽命至少能達(dá)到1.6x10 34年，比該團(tuán)隊(duì)在2012年測定的1.3x10 34年更長。這項(xiàng)研究的論文于10月發(fā)布，并正在接受《物理學(xué)評論D輯》（Physical Review D）的發(fā)表審議，其結(jié)論排除了一系列理論預(yù)測的質(zhì)子壽命，令四十多年來科學(xué)界孜孜不倦追求的大統(tǒng)一假說變得更加飄渺?！暗侥壳盀橹?，我們能夠驗(yàn)證這種理論的最可能方式就是觀測到質(zhì)子衰變，”來自特拉華大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·巴爾（Stephen Barr）說道。
如果觀測不到質(zhì)子衰變，就只有一些間接證據(jù)表明支配基本粒子的各種力是從單一的“大統(tǒng)一”力分離出來的：當(dāng)被賦予更高的能量時(shí)，這三種力的相互作用強(qiáng)度似乎會(huì)趨向一致；而且，它們的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表明，這三種力被包含在一個(gè)更大的整體當(dāng)中——就好像地球如今的大陸板塊表明，它們都是從遠(yuǎn)古的盤古大陸分離出來的。
“這么多的片斷都能完美契合，”巴爾說，“大多數(shù)人覺得，這不可能是巧合。”
如果這三種力在宇宙誕生之初的億兆分之一秒的確是同一種力，那么如今對這些力有著不同反應(yīng)的粒子將該是對稱且可互換的，就像水晶的晶面。隨著宇宙冷卻下來，那些對稱性遭到了破壞，猶如水晶破碎，然后才出現(xiàn)了我們在如今宇宙中所觀測到的不同粒子和復(fù)雜性。
在過去的40年中，物理學(xué)家已經(jīng)提出了多種大統(tǒng)一理論模型，對粒子可能的初始對稱狀態(tài)進(jìn)行了描述。如果能找到正確的模型，我們將不僅能夠揭示大自然規(guī)律的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)（以及它們?nèi)绾胃谒姆N力——引力——對上號），而且可能發(fā)現(xiàn)已知粒子之外的其他粒子。這反過來有可能為我們解答物理學(xué)的其他深?yuàn)W秘密，比如宇宙物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不平衡以及中微子無法解釋的質(zhì)量?！昂翢o疑問，我們的夢想是建立一套統(tǒng)領(lǐng)一切的理論，”來自美國德州農(nóng)工大學(xué)的物理學(xué)家迪米特里·南奧普洛斯（Dimitri Nanopoulos）如是說，正是他創(chuàng)造了“大統(tǒng)一理論”這個(gè)術(shù)語。
直接用實(shí)驗(yàn)復(fù)制兩種力的合一，那將需要大到不可想象的能量。不過，大統(tǒng)一力應(yīng)該會(huì)在今天的宇宙中留下微妙的痕跡。所有的大統(tǒng)一理論模型都斷定，夸克（它是構(gòu)成質(zhì)子和中子的基本單元）最初跟輕子（包括電子在內(nèi)的一類基本粒子）是無法區(qū)分的。由于量子的不確定性，跟這種基本對稱相關(guān)的大統(tǒng)一力應(yīng)該會(huì)偶爾重新浮現(xiàn)，自動(dòng)將一個(gè)夸克（或反夸克）轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的輕子（或反輕子）。當(dāng)這種情況發(fā)生在質(zhì)子內(nèi)部的一個(gè)夸克身上時(shí)，這個(gè)質(zhì)子會(huì)瞬間瓦解，并在此過程中釋放出可被檢測到的輻射。這正是超級神岡探測器實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家一直在翹首等待現(xiàn)象。
大統(tǒng)一的夢想始于1974年，當(dāng)時(shí)謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，現(xiàn)任職于波士頓大學(xué)）和哈沃德·喬吉（Howard Georgi，現(xiàn)任職于哈佛大學(xué)）發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)的對稱群 SU(3)、SU(2)和U(1)——它們分別對應(yīng)于強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力，加在一起共同構(gòu)成了粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”——可以被納入一個(gè)單一的更大對稱群，把所有已知粒子都囊括在內(nèi)，即SU(5)。
“我們認(rèn)為它美到了極致，”格拉肖回憶道。
然而，作為第一個(gè)和最簡單的大統(tǒng)一理論模型，SU(5)模型所預(yù)測的質(zhì)子壽命已經(jīng)被證偽——其他模型最初做出的眾多預(yù)測也沒有逃脫相同的命運(yùn)?，F(xiàn)在，超級神岡探測器正在驗(yàn)證數(shù)個(gè)流行模型所做的預(yù)測，但按照過去20年的經(jīng)驗(yàn)來看，這項(xiàng)工作取得大突破已變得很難?！艾F(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)大的進(jìn)步比以前難多了，因?yàn)樗鄯e了如此多的數(shù)據(jù)，”來自波士頓大學(xué)的物理學(xué)家艾德·卡恩斯（Ed Kearns）如是說，他從一開始就參與了超級神岡探測器實(shí)驗(yàn)。
這讓大統(tǒng)一理論的命運(yùn)充滿了不確定性。仍然未被證偽的“翻轉(zhuǎn)SU(5)”大統(tǒng)一理論模型的提出者之一巴爾把這種情形比作一個(gè)人等待配偶回家，“如果對方晚了10分鐘，你可以為此找到一種簡單的解釋。晚了1小時(shí)，也許那些解釋就變得有點(diǎn)不太可信。如果對方晚了8小時(shí)……你會(huì)開始擔(dān)心另一半沒準(zhǔn)已經(jīng)沒命了。所以，這里的關(guān)鍵是，你在什么時(shí)候判定自己的理論沒戲了？”
他說，眼下，“我們所處的階段更多的類似于對方晚了10分鐘，或者晚了1小時(shí)，大統(tǒng)一理論仍然完全有可能是正確的?！?/p>
如果大統(tǒng)一理論確實(shí)是正確的，那就意味著，宇宙誕生之初存在那種基本對稱，之后因?yàn)闇囟认陆刀獾狡茐摹@就像是水，它呈液態(tài)時(shí)在每個(gè)方向上看起來都一樣，而在凍結(jié)成冰之后就擁有了不同的方向。
對稱性是指系統(tǒng)發(fā)生改變前后的狀態(tài)是等價(jià)的。比如，把一個(gè)正方形旋轉(zhuǎn)90度，它看起來跟原來一模一樣。要讓一個(gè)矩形對象呈現(xiàn)出這種旋轉(zhuǎn)對稱性，它必須擁有4個(gè)相同的邊。同樣，如果大自然的規(guī)律中存在一定的對稱性，那么它必須要依靠一組對稱的粒子來實(shí)現(xiàn)。
位于日本神岡縣的超級神岡探測器，這是它在2006年重新注水時(shí)拍攝的照片。
就拿SU(3)來說，這個(gè)對稱群對應(yīng)的是強(qiáng)相互作用力（正是它讓夸克結(jié)合成了質(zhì)子和其他復(fù)合粒子）。該對稱群中包含了這樣的規(guī)則：三種電荷不同（通常標(biāo)記成紅色、藍(lán)色和綠色）的“上夸克”（它是六種夸克類型中的一種）都是可以互換的。也就是說，如果你把全宇宙中的所有紅色上夸克換成藍(lán)色，把所有藍(lán)色上夸克換成綠色，把所有綠色上夸克換成紅色，這種變化是不會(huì)被察覺到的?！跋驴淇恕焙推渌愋偷乃锌淇艘捕季哂羞@種三重態(tài)對稱性，就好像一個(gè)等邊三角形的三條邊。膠子是在兩個(gè)夸克之間傳遞強(qiáng)相互作用力的基本粒子（它有八種類型），我們可以把它想象成三角形的轉(zhuǎn)子。
與此同時(shí)，SU(2)對稱群對應(yīng)的是弱相互作用力（很多放射性衰變就是由它引起的）。該對稱群中包含了，比如說，上夸克和下夸克之間的對稱性。如果把描述弱相互作用力的方程式中的所有上夸克和下夸克進(jìn)行互換，“你也永遠(yuǎn)不會(huì)察覺，”南奧普洛斯說道。
像SU(5)那樣的大統(tǒng)一理論模型，它包含了SU(3)、SU(2)和U(1)的所有對稱性，并加入了新的對稱性。例如，SU(5)把夸克和反夸克跟輕子和反輕子組合成了“五重態(tài)”，就像是正五邊形無法區(qū)分的五條邊。在這個(gè)更大的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中，傳遞強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力的基本粒子是等價(jià)的；它們共有12種類型，自然而然，另有對應(yīng)的12種基本粒子負(fù)責(zé)傳遞單一的“大統(tǒng)一”力。
當(dāng)他們提出SU(5)模型時(shí)，格拉肖和喬吉立刻意識(shí)到，SU(5)結(jié)構(gòu)中那額外的12種載力子（force carrier）會(huì)引起質(zhì)子衰變。當(dāng)SU(5)的大統(tǒng)一力突然變成我們?nèi)缃袼姷娜N力時(shí)，12種原始的載力子就變成了它們當(dāng)前的樣子，而另外12種載力子并沒有消失，只是變得極其沉重和無力。這些幽靈般的載力子會(huì)偶爾出現(xiàn)，把一個(gè)夸克改換成一個(gè)輕子。喬吉和其他科學(xué)家計(jì)算得出，如果SU(5)模型是正確的，那么質(zhì)子（由三個(gè)夸克構(gòu)成）平均會(huì)在10 29年內(nèi)發(fā)生衰變。
上世紀(jì)80年代，美國俄亥俄州的Irvine-Michigan-Brookhaven（IMB）探測器實(shí)驗(yàn)和神岡探測器實(shí)驗(yàn)（它是超級神岡探測器的前輩）均證偽了這一預(yù)測。物理學(xué)家找到了一些回旋余地，提出了比原來長出100多倍的新時(shí)間預(yù)測，但這還不夠。在于1996年正式啟動(dòng)的幾年之后，超級神岡探測器實(shí)驗(yàn)明確排除了SU(5)的可能性?！按蠹叶己芫趩?，”巴爾回憶道。
自那以后，隨著科學(xué)研究的深入，情況反而變得更加模糊不清。SU(5)模型已經(jīng)盡可能簡單，但研究人員發(fā)現(xiàn)了一系列其他讓現(xiàn)有粒子可以嵌入其中的對稱群，它們的額外功能和變量允許質(zhì)子衰變以慢得多的速度進(jìn)行。這些模型中有幾個(gè)增加了一種額外的對稱性，即“超對稱”（supersymmetry），它讓粒子的數(shù)量增加了一倍。其他模型，諸如翻轉(zhuǎn)SU(5)，對SU(5)五重態(tài)中的夸克和反夸克如何跟輕子和反輕子搭配進(jìn)行了重排，并在此過程中增加了一種額外的對稱性。
大統(tǒng)一理論的發(fā)展
標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子和各種力可以被嵌入越來越大的對稱群中，這對應(yīng)的就是大統(tǒng)一理論越來越高的復(fù)雜性。以下圖表通過Elementary Particle Explorer制作，它們是一些大統(tǒng)一理論的二維投影。我們可以看到，粒子依據(jù)自己的電荷沿著灰色軸線排布。載力子（玻色子）通過圓形和正方形標(biāo)示，構(gòu)成質(zhì)量的粒子（費(fèi)米子）則用其他多邊形標(biāo)示。
超級神岡探測器的最新研究成果將質(zhì)子壽命的下限設(shè)定在略高于1034 年，從而印證了很多大統(tǒng)一理論模型預(yù)言的區(qū)間——其中包括翻轉(zhuǎn)SU(5)，它預(yù)言的質(zhì)子衰變期在1034至1036年之間?！拔覍Υ烁械椒浅Ｅd奮，”南奧普洛斯說道，他是在上世紀(jì)80年代提出翻轉(zhuǎn)SU(5)模型的研究人員之一。
不過，盡管超級神岡探測器有可能在未來幾年挖到金礦，對這些模型當(dāng)中的一個(gè)加以驗(yàn)證，但也有可能即便再運(yùn)行20年也只是將質(zhì)子壽命的下限稍微上調(diào)一些罷了，而無法明確排除任何模型。
日本正在考慮斥資10億美元建造名為究極神岡（Hyper-Kamiokande）的新探測器，它的體積將比超級神岡大出8-17倍。在運(yùn)行20年后，究極神岡探測器將能探測到1035年的質(zhì)子衰變。它有可能觀測到衰變的微妙跡象，或者，什么也觀測不到?！拔覀兛赡苓\(yùn)氣不佳，”巴爾說，“或許我們建造出了有史以來最大的探測器，而質(zhì)子衰變的速度卻剛好比它的探測極限慢了一點(diǎn)，那我們就不走運(yùn)了。”
不管探測器造得有多大，物理學(xué)家總是可以提出更加復(fù)雜的大統(tǒng)一理論模型來規(guī)避實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——就比如E6或E8那樣的對稱群，它們擁有豐富的參數(shù)可供調(diào)節(jié)，讓質(zhì)子可以擁有任意長的壽命。這些模型中可能有一個(gè)是正確的，但沒有人會(huì)知道答案?！叭藗兛梢詷?gòu)建出具有更高對稱性的模型，倒置過來，試圖避開質(zhì)子衰變，”南奧普洛斯說，“好吧，你可以這樣做，但是……總不能就這么交差吧?！?/p>
比如，在SU(5)模型被排除之后，格拉肖在很大程度上已經(jīng)失去了對整件事情的興趣。“觀測質(zhì)子衰變一直沒有成功，”他說，“那么多偉大的想法夭折了?！?/p>
大統(tǒng)一理論并沒有完全宣告破產(chǎn)，我們找到的旁證跟以往一樣引人注目。但是，這種理論可能會(huì)繼續(xù)停留在永恒的不確定狀態(tài)，就像永遠(yuǎn)不確定是否會(huì)衰變的質(zhì)子。
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