关灯
登录后可将在线时长兑换成盟币 ,连续在线 [1] 小时后,每小时 [0.5] 盟币.
×

你已累计兑换次数 0

你已累计兑换积分 0盟币

[资料] 超对称与量子引力

[复制链接]
henryharry2 发表于 2012-8-28 12:31:44 | 显示全部楼层

超对称事件:弦理论之前

 
例如,当我们考察一个电子的电力场时,我们实际上是隔着一团“云雾”看它——那是在电子周围空间随处出现的瞬间的电子-正电子生成和湮灭形成的“雾”。物理学家先前就发现,这团热腾腾的云雾一般的微观涨落会使电子的力变得模糊,仿佛隔着薄雾看远处的灯塔,不过请注意,当我们走近电子时,一定穿过了那层遮在眼前的粒子-反粒子云雾,从而不太能感觉它们逐渐消失的影响,这意味着,电子的电场强度随我们的靠近而增强了。物理学家认为,这种量子力学的电磁力的强度的增加,与在经典物理中说的电磁力的本来强度随距离减小的增加,是截然不同的。
这说明,力的增强不仅是因为我们离电子更近了,而且还因为我们能看到更多的电子所赋予的电场。虽然我们这里都在说电子,实际上其他带电粒子也一样可以这么讲,在越小的距离尺度上,量子效应使电磁力变得越强。实际上,经典物理相当于曲率等于加速度的观点,而使用力等于曲率的观点(庞加莱原理),增强效应就更加显著,量子效应引起的增强相当于庞加莱原理和经典物理的一种中间情况。
标准模型里的其他力呢?它们的本来强度如何随距离改变?1973年,普林斯顿的格罗斯和威切克(Frank Wilczek),哈佛的波利泽尔(David Politzer)分别独立研究了这个问题,发现一个令人惊讶的答案:粒子生成与湮灭的量子云把强力和弱力的强度放大了。就是说,如果我们穿过这团沸腾的量子云,在更近的距离来看这些力时,它们还没有经历那样的放大作用。因此,从近距离看,强力和弱力更弱了。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:32:33 | 显示全部楼层

超对称事件:弦理论之前

 
当然,那个尺度离我们寻常的经验是很遥远的,不过,感应这么小尺度所必需的能量却是黑洞内部特有的。就像千差万别的物质在足够的高温下熔化,形成均匀的等离子体一样,强力、弱力和电磁力在黑洞内部的高温下会融合成一个“大统一”力。这一点简单地画在图7.1上。
[attachment=NA]
图7.1 引力外的三种力随距离尺度减小——或者说,随能量增加——的作用情况。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:33:20 | 显示全部楼层

超对称事件:弦理论之前

 
虽然我们的技术还不能深入这样小的距离尺度,也产生不了那么炽热的温度,但实验家们在1974年已经在日常条件下把那三种力的测量强度大大精确化了。这些数据(图7.1的三条力度曲线的出发点)是乔基、奎恩和温伯格的量子力学外推的前提。1991年,欧洲核子中心(CERN)的阿马尔蒂(Ugo Amaldi)、德国Karlsrube大学的德波尔(Wim de Boer)和弗尔斯特瑙(Hermann Fürstenau)用这些数据重做了乔基三人的计算,发现了两样重要的东西。第一,引力外的三种力在微小距离尺度(也就是高能/高温状态)几乎是一致的,但并不完全相同,如图7.2。第二,假如有超对称性,这小小的然而确定无疑的力的偏差就会自动消失。原因是,超对称性需要的新的超伙伴粒子会产生新的量子涨落,这些涨落正好能使那些力的强度趋于一点。
[attachment=NA]
图7.2 力的强度的更精确计算表明,如果没有超对称性,三种力不会完全趋于一点。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:33:57 | 显示全部楼层

超对称事件:弦理论之前

 
大多数物理学家都感到这太难以相信了:大自然竟会这样来选择力——让它们在微观尺度上几乎统一、相等,却还留下一点儿偏差。这就像玩儿拼图游戏时,最后留下一块图板,总不能很好地放进它应该放的地方。超对称性灵巧地把那块图板的形状修正了一点儿,于是可以恰到好处地还原。
当然,让人们相信——至少不要拒绝——超对称性,理由还不是那么充分有力。我们讲过,超对称性如何能将理论提高到最大的对称形式,但你可能会说,宇宙本不在乎这些只有数学才有的最大对称形式;我们讲过,超对称性如何让我们摆脱在标准模型里为避免量子问题而调节参数的困难,但你可能会说,真的自然理论也可能就在自我破坏与自我协调间走钢丝;我们讲过,超对称性如何修正引力外的三种力在小距离的内禀强度,使它们能融合成一个大统一的力,但你还是可以说,在大自然的设计中,似乎没有什么东西说明这些力应该在微观尺度上相同。而且,最后你可能会说,我们为什么还没找到一个超伙伴粒子,最简单的答案是,宇宙不是超对称的,超伙伴并不存在。
没人能反驳这些回答。不过,当我们考虑超对称在弦理论中的作用时,它就显得力大无比了。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:40:21 | 显示全部楼层

标准模型仍有未竟之功

 
既然对合超对称性肯定是成立的,我们就可以引用超对称量子场论的一些成果,虽然无法全盘照搬过来,但某种程度的“嫁接”总是可以的。在探求物质世界运作的过程中,随着近几年来标准模型的发展和验证,第一个求知阶段的研究已近大功告成。标准模型对于基本粒子以及自然作用力的描述很清楚,至于我们所看到的许多物理现象,也能够成功描述。标准模型包含质子、原子核、原子、分子、凝聚态、恒星等等诸多行为的基本原理,它已经解释了许多以前所不了解的事,做了数百次成功的预测,其中还有许多深具戏剧性。如果标准模型能成功描述世界,怎么会有统一量子场论超越它呢?有两点原因:

第一、标准模型无法解释宇宙学上的一些问题;宇宙是一门从大尺度研究宇宙的学问。例如,标准模型无法解释为何宇宙是由物质而非反物质所构成的,也不能解释宇宙的暗物质是什么。(对合)超对称理论却能够对这两个谜题提出解释。第二点,物理学的疆界正在改变中。现在,科学家不但问世界如何运作,标准模型大致可以回答这个问题;还会问为什么世界如此运作的,标准模型不能够回答这个问题。爱因斯坦在20世纪初问“为什么”,但是一致到最近10年来,问“为什么”才成为粒子物理学的常态科学研究,而非仅是哲学性的思考。在回答“宇宙为何如此运作”的理论中,建立在十一维世界的弦理论是最具企图心的,弦理论预测自然界应该是超对称的。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:41:01 | 显示全部楼层

谜题三:关于作用力大一统

 
两个世纪以来,物理学家积极企图以统一方式描述自然界的作用力。若忽略隐藏其中的一贯性,我们可将自然作用力分成5种。Maxwell成功地统一了电力与磁力,标准模型则统一了弱作用及电磁力的描述,来自于对短距离的相互作用的了解。根据标准模型计算,电磁作用力、弱作用力以及强作用力在距离愈短的情况下,就变得愈相像,然而最后不论尺度多小,它们的强度仍然有所不同。

但值得注意的是,若以超对称标准模型进行同样的计算,在距离小到普朗克尺度的100倍左右时,这三种作用力的强度基本上变得一样大。这并非理所当然,因为标准模型并没有要求作用力要有相同的强度。即使它们真的强度相当,标准模型更没有要求它们在普朗克尺度的100倍附近变得相同,而这正是所有作用力将在普朗克尺度完全统一的征兆。

一些合理的尝试显示,重力在普朗克尺度之下,的确会变得和其他作用力一般大小,这对于相信科学家终究能够找到大自然的简洁描述的人,是一大鼓舞。超对称以两种不同而相容的方式,显示电磁以及强、弱作用力的描述终将和重力统一:首先,在普朗克尺度下,所有作用力的强度变得相近;其次,由于超对称牵涉时空的对称,它必然与重力描述有所关联。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 12:41:42 | 显示全部楼层

重新改造爱因斯坦的观念

 
超对称(如果正确)属于量子力学的时空建构。在日常生活里,我们向来以古典概念的“数字”表示时间和空间,虽然20世纪量子力学的发明,几乎全盘改变了物理学,但是基本上我们对于时间和空间的认知丝毫未受影响。
如果自然界具有超对称性,时间与空间便具有量子维度,已非传统数字所能测量表示。若能利用加速器制造新的基本粒子,证明其行为受超对称定律控制,便能彰显量子维度的存在。目前依实验数据推测,制造新粒子所需能量只比现有加速器所能提供的稍高一些,如果一切如我们预期,则超对称很可能在下一代粒子加速器中就能够现身——有可能在瑞士日内瓦的CERN。事实上,我们发现,超对称性确实存在,不过并不需要超伙伴粒子,也就不需要更强大的加速器,超对称是在规范层次上实现的。
虽然爱因斯坦对时空的概念至今仍然适用,但是超对称的发现将会以量子力学重新改造爱因斯坦的观念。超对称的发现将会树立物理学界重要的里程碑,它与一些企图心更大的想法关系密切,令人不禁拭目以待。例如在弦论的架构下,理论物理学已经能初步统一重力和其他基本粒子的作用力,而超对称是弦论的基本要件,未来若发现超对称,势必使弦论的研究获得一大助益。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 13:36:03 | 显示全部楼层

大统一

 
强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用在某一能量尺度上会统一,这种提法称为“大”统一,以区别于弱电统一。
在1973 年左右,人们都在谈论我们或许能够更进一步把四种基本的相互作用统一起来这一思想。但是,正如我们所知,历史从来都不是呆板或没有生气的。对于弱电统一仍然疑云缭绕。怀疑者抨击整个理论框架,称其为不是以实际观察作坚实基础的一屋子卡片。在理论物理学中,嘉奖归于那些勇士,他们在过河时,不等看清下一个垫脚石是否结实就起身跳跃而起。他们常常得到落水的下场,但是他们有时又比其他任何人都先抵达彼岸。
1973 年,乔吉史·帕提(Jogesh Pati)和阿布杜斯·萨拉姆大胆地提出了大统一的理论。1974 年,胡沃德·乔治和谢利·格拉肖各自独立工作,也大胆地提出了大统一的理论。两种理论在一般哲学观点上相吻合,但在细节上不同。乔治和格拉肖提出的理论更严谨,因此也就更富预测性,我在此要集中加以论述。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 13:36:48 | 显示全部楼层

一次大跃进

 
在一篇经典论文中,胡沃德·乔治、海伦·奎恩(Helen Quinn)和斯蒂夫·温伯格计算了要实现强相互作用和弱电相互作用之间的命中注定的团聚所需的能量。因为我们知道每一耦合如何随能量的变化而变化,所以要确定它们,在什么能量上相等只是一个初等算术题。我们记得,耦合运动得很慢——在耦合中产生一个小小的变化,需要在能量上发生很大的变化。事实上,它们运动得非常缓慢,所以只有在10的15次方乘以核子质量所得的巨大能量上它们才会相等。(当然,10的15次方这个数就是令人头晕目眩的1,000,000,000,000,000。)
物理学家们都要把每一个物理过程与一个特殊的能量尺度相联,这一能量尺度被确定为由一个参加该过程的典型粒子所带的能量。(例如,两辆麦克牌卡车相撞所涉及到的全部能量可能是非常令人震惊的,但是,由卡车里的一个单个核子所带的典型能量实际上却非常小。) 10的15次方乘以核子质量所得的能量被称为大统一能量尺度。要知道该能量尺度有多大,我们可以指出,在一个原子核反应中释放出的典型的能量,仅仅约为核子质量的百分之一。或者请设想一下,在世界最大的加速器上,粒子已经被加速到了几百倍于核子质量的能量——这是人类制造的最大的能量。
从传统上说,通过稳步地从一个能量尺度移到下一个尺度,物理学已经取得了进步。在这里,通过在一篇短文中作简单的计算,理论物理学家就成功地跃进到一块崭新的天地。在这块天地里,四种基本相互作用中的三种达到了统一。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-8-28 13:39:18 | 显示全部楼层

大统一理论的问题

 
即使不考虑质子衰变问题,SU(5)大统一理论还有其他的问题。其中的一些问题对于各种大统一理论具有普遍意义。最初,很多物理学家为电弱能标及大统一能标之间出现的荒漠感到忧心忡忡。实验物理学家写成的历史表明,只要提高能量就会发现新的粒子:最早是原子核,然后质子,再后夸克,最后W玻色子与Z玻色子。按最小SU(5)模型的预言来看——除了期待的Higg玻色子——在电弱能标(100GeV)和大统一能标之间,没有任何(any)新的物理,新的粒子。
我们在看到任何有意义的现象之前,要将我们的加速器能量升高到现有水平的万亿倍之上。假如真的有这样的新物理荒漠,假如质子的衰变太过缓慢以至于不能观测到,这实际上就意味着根本不可能检验大统一理论的正确性。那就实在太令人灰心丧气了。另一个值得注意的对大统一理论的批评是,尽管大统一理论可以解释标准模型中的一些参数,但无论如何也不能解释全部参数。
比如,大统一理论既不能告诉我们夸克和轻子为什么具有我们观测到的质量,也不能解释费米子为什么会有三代。更为严重的是,要是我们仔细地计算,就会发现标准模型的三个耦合常数随能量的演化并不能真正地交于一点。它们的确可以靠得很近,但是近并不等于相交。统一并没有发生,这一点差不多毁了整个大统一的概念。(按照我们的理解,核子内部确实存在超对称性。)
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


2威望

1576盟币

4关注

3粉丝

19帖子

排行榜
作者专栏

关注我们:微信订阅号

官方微信

APP下载

全国服务热线:

4000-018-018
Copyright   ©2005-2018  博研网Powered by©Myboyan.com    ( 粤ICP备10062441号 )