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它让爱因斯坦魂牵梦绕,为何四十年过去了依然渺茫?

来源: 科技狗 作者:造就 发布:2016-12-25 13:11:08 收藏成功收藏本文

  40年来,日本的物理学家始终在监测着安放于一座废弃砷矿深处的一个巨型水箱。为什么他们要这么做?这个水箱有13层楼高,里面装满高纯度水。科学家希望能够观测到水中的质子发生自然衰变。在此期间,他们在这个庞大的水箱中有了另外的发现(与一种名为中微子的粒子相关),并因此荣获诺贝尔奖。不过,该团队对质子衰变的观测仍在继续——这种物理现象将确认,在宇宙诞生之初,大自然四种“基本力”中有三种是从同一种力分离出去的。

  “到目前为止,我们还没能找到质子衰变的证据,”东京大学的科学家三浦诚(Makoto Miura)说道,他是超级神冈探测器(Super-Kamiokande)实验质子衰变观测团队的负责人。

  不同的大统一理论(GUT)认为强相互作用力、弱相互作用力和电磁力是统一的,这些理论对质子衰变的时间做出了一系列不同的预测。超级神冈探测器的最新分析数据表明,这种亚原子粒子的平均寿命至少能达到1.6x10 34年,比该团队在2012年测定的1.3x10 34年更长。这项研究的论文于10月发布,并正在接受《物理学评论D辑》(Physical Review D)的发表审议,其结论排除了一系列理论预测的质子寿命,令四十多年来科学界孜孜不倦追求的大统一假说变得更加飘渺。“到目前为止,我们能够验证这种理论的最可能方式就是观测到质子衰变,”来自特拉华大学的物理学家斯蒂芬·巴尔(Stephen Barr)说道。

  如果观测不到质子衰变,就只有一些间接证据表明支配基本粒子的各种力是从单一的“大统一”力分离出来的:当被赋予更高的能量时,这三种力的相互作用强度似乎会趋向一致;而且,它们的数学结构表明,这三种力被包含在一个更大的整体当中——就好像地球如今的大陆板块表明,它们都是从远古的盘古大陆分离出来的。

  “这么多的片断都能完美契合,”巴尔说,“大多数人觉得,这不可能是巧合。”

  如果这三种力在宇宙诞生之初的亿兆分之一秒的确是同一种力,那么如今对这些力有着不同反应的粒子将该是对称且可互换的,就像水晶的晶面。随着宇宙冷却下来,那些对称性遭到了破坏,犹如水晶破碎,然后才出现了我们在如今宇宙中所观测到的不同粒子和复杂性。

  在过去的40年中,物理学家已经提出了多种大统一理论模型,对粒子可能的初始对称状态进行了描述。如果能找到正确的模型,我们将不仅能够揭示大自然规律的基本数学结构(以及它们如何跟第四种力——引力——对上号),而且可能发现已知粒子之外的其他粒子。这反过来有可能为我们解答物理学的其他深奥秘密,比如宇宙物质和反物质之间的不平衡以及中微子无法解释的质量。“毫无疑问,我们的梦想是建立一套统领一切的理论,”来自美国德州农工大学的物理学家迪米特里·南奥普洛斯(Dimitri Nanopoulos)如是说,正是他创造了“大统一理论”这个术语。

  直接用实验复制两种力的合一,那将需要大到不可想象的能量。不过,大统一力应该会在今天的宇宙中留下微妙的痕迹。所有的大统一理论模型都断定,夸克(它是构成质子和中子的基本单元)最初跟轻子(包括电子在内的一类基本粒子)是无法区分的。由于量子的不确定性,跟这种基本对称相关的大统一力应该会偶尔重新浮现,自动将一个夸克(或反夸克)转变为相应的轻子(或反轻子)。当这种情况发生在质子内部的一个夸克身上时,这个质子会瞬间瓦解,并在此过程中释放出可被检测到的辐射。这正是超级神冈探测器实验的物理学家一直在翘首等待现象。

  大统一的梦想始于1974年,当时谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow,1979年获得诺贝尔奖,现任职于波士顿大学)和哈沃德·乔吉(Howard Georgi,现任职于哈佛大学)发现,数学的对称群 SU(3)、SU(2)和U(1)——它们分别对应于强相互作用力、弱相互作用力和电磁力,加在一起共同构成了粒子物理学的“标准模型”——可以被纳入一个单一的更大对称群,把所有已知粒子都囊括在内,即SU(5)。

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