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大统一理论

(2015-06-12 03:44:47)
标签:

大统一

物理

相互作用

分类: 知识
大统一理论

现在自然界存在四种相互作用(四种“力”):电磁、弱、强和万有引力。20世纪六七十年代,前三种相互作用的机制逐渐被了解,形成了粒子物理的标准模型。在这种机制中,相互作用是由自旋为1的规范场,叫规范玻色子,来传递的;光子传播电磁作用,W和Z玻色子传递弱作用,胶子传递强作用。虽然相互作用的性质不同,但是可以用同样的数学语言来描述,即群论。首先赋予每种粒子一种属性,名为“荷”,发生某种相互作用就对应带某种“荷”的粒子吸收或者辐射出了传播该作用的玻色子。“荷”可以由一个数来表示,或者多个数一起表示。例如,电磁、弱和强作用的“荷”分别是由1,2和3个数来表示,所以用规范群U(1), SU(2)和SU(3)来分别描述。

由于这三种作用的数学结构的相似性,人们自然猜想能否用一种理论统一描述它们。最简单的模型就是SU(5)规范理论。在这种模型中,“荷”由五个数表示(弱和强作用中的2+3个数),对应的玻色子除了已知的几种之外,还包含新的玻色子,能够传递新的相互作用,比如一个夸克通过辐射出这种玻色子而变成了电子。各种粒子的电荷不是任意设定的,而是由其他五种“荷”量子数运算得到。这显示了大统一理论的魅力。但是,大统一理论面临两个难题。首先,理论预言新的相互作用将会导致质子衰变,而实验结果表明质子寿命至少为10^31年(宇宙年龄约为10^10年)。这一现象对理论产生很强的限制,使得人们必须假定传播新作用的玻色子非常重,从而使预言的结果非常小。另外一个难题是理论要求所有相互作用的强度一样大,否则就不叫大统一了。然而,实验测量发现强相互作用远大于电磁和弱相互作用。为了调和这种矛盾,需要引入跑动耦合参数。耦合参数就表征了相互作用的大小,但是该参数却不是常数,而是随着能量变化的。对于电磁和弱作用来说,能量越高,耦合参数越大;能量越低,耦合参数越小。这种现象与我们日常所见的电磁屏蔽效应类似,可以理解。比较奇怪的是强相互作用的耦合参数随着能量的增加而减小,这一现象被称为“渐近自由”,在1973年被发现,也因此使得人们相信量子色动力学是描述强相互作用的正确理论。该发现荣获2004年诺贝尔物理学奖。在实验方面,美国斯坦福直线加速对撞机上的数据显示在高能对撞中,质子内部似乎是广大的虚空和极小的核子,核子之间的作用非常小,即渐近自由。这一特征被Feynman概括成部分子模型,结合量子色动力学,理论成功地解释了实验结果。

在跑动耦合参数的概念中,我们在低能实验中观测到的三种相互作用耦合参数的不同,与在高能实验中三种相互作用耦合参数相同并不矛盾。在SU(5)大统一模型中三种耦合参数确实会在10^15GeV能量处汇合,遗憾的是,这样的数值预言的质子寿命是10^29年,与实验不符。

人们不愿放弃这种大统一的理想,尝试在此基础上做点修改,从而满足实验限制。当然,如果没有新思想,鲁莽地考察其他非最小模型很可能走错方向。幸运的是,“超对称”这种想法出现了。它是一种更加广大的对称性,把玻色子和费米子联系起来。在超对称模型中,所有的粒子都有一个“伴侣”,具有与之相同的各种属性(除了自旋和质量)。如果超对称模型想要解释标准模型中的规范等级问题,其中一些粒子的质量应该在10^4GeV附近。在SU(5)大统一理论中加入超对称思想,可以使统一的能量提高(达到10^16GeV),从而满足质子寿命的实验限制(理论预言为10^33年)。

更加详细的研究表明不加超对称的SU(5)大统一模型中,三种耦合参数并不交汇于一点,而加了超对称的模型中,交汇于一点。这种优美的特征似乎暗示大统一和超对称都是自然界本身具有的性质。
大统一理论

最后,更加完美的大统一理论还应包含引力。但是,描述引力的广义相对论如何与量子力学(或量子场论)协调仍是理论物理中的一大难题。简单的考虑跑动效应,引力耦合参数将会在10^19GeV处与其他三种参数相交,而不是10^16GeV。这种差别如何解释也是非常具有挑战性的问题。总之,人们总是期望能用更简单的方式来理解自然界,因此追求能统一所有不同模型或理论的大统一模型。

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