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爱因斯坦的未竟之梦,物理学“大统一理论”简史(上)

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-06-01 09:58

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他们“谦虚地”将这个理论称为大统一理论(GUT)。


与此同时,温伯格和哈沃德·乔吉发现了有趣的事。虽然强相互作用力在较小的距离尺度上会变弱,但是电磁相互作用力和弱相互作用力却在此时变得更强。


每当我们打开宇宙之窗的时候,我们都会对窗外的事物感到惊讶。


火箭科学家们对这三种力在某些尺度上是否相同并不感兴趣,因为他们关注更多的是,火箭能否发射升空以及如何改进火箭的性能。当他们进行计算时,他们发现这些力是可以统一的,但是仅仅在比质子的尺寸小15个数量级时才能统一。


如果统一理论真的是哈沃德·乔吉和格拉肖所提出的这种理论,这对我们来说是一个好消息,因为如果我们观察到的所有粒子都是这样统一的,那么在夸克(由质子和中子组成)与电子、中微子的转变之间存在着一种新的粒子(称为规范玻色子)。 这意味着质子可能会衰变成其他更轻的粒子,而且我们也能探测到这些新粒子。正如格拉肖所说的那样“即使钻石化学性质非常稳定,它也无法永恒不变”。



虽然质子会衰变,但是质子必须有一个令人难以置信的长寿命。这是因为我们在大爆炸140亿年之后还能存活,而且我们不会在孩童时期就死于辐射。如果质子的平均寿命小于10 18 年,那么我们在童年的时候就会被体内的质子衰变产生的辐射杀死。在量子力学中,事件发生具有概率性,如果质子的平均寿命为10 18 年,假设人体有10 18 个质子,那么平均每年就会有一个质子在人体内衰变变并产生辐射,进而危害我们的身体。但是,我们的身体里不仅仅只有10 18 个质子,所以质子的寿命肯定大于10 18 年。


然而,由于大统一理论中提到的距离尺度非常小,因此与对称性自发破缺相关联的质量尺度非常大,也就是说,规范玻色子将获得较大的质量。这些规范玻色子使得他们参与的相互作用过程的尺度变得极小,以至于在质子和中子的尺度上,这些相互作用非常微弱。因此,即使质子会衰变,人还是可以存活的,如果上述条件成立,也许质子的平均寿命可能有10 24 年,即使是这样,你还是可以顺利长大成人的。


经过格拉肖、乔吉、奎恩和温伯格等人努力,空气中似乎弥漫着“大一统”的味道。在电弱统一理论成功提出之后,粒子物理学家们雄心勃勃,准备进一步统一四大基本相互作用力。


然而,如何知道这些理论是否正确呢?当时还无法建造出一台可以探测比质子的能量(质能方程换算出静止质量下质子的能量)高约10 15 数量级能量的加速器,这样的加速器的周长必须有月球轨道那么长。但是,即使我们可以制造出这样的加速器,鉴于之前超导超级对撞机(SSC)失败的教训,没有谁是会为此买单的。


幸运的是,我们还有其他的解决方案,通过我刚刚提到的质子寿命极限的论证也可以解决问题。如果新的大统一理论能够预测出质子的平均寿命,比如说10 30 年,那么如果在一个探测器中放入10 30 个质子,平均每年我们就能探测到有一个质子发生衰变。


那么,我们到哪里寻找数量如此庞大的质子呢?答案很简单:大约3,000吨水。


我们要做的是将一大罐水放在黑暗的环境中,确保周围没有辐射,然后在这罐水周围布置好极其敏感的光电探测器,它们可以探测质子衰变过程中放出的光。一切准备就绪之后,我们所要做的就是静静地等待质子发生衰变。世界上有两台这样大型的实验装置,一个位于伊利湖旁边的盐矿地下深处,还有一个在日本的上冈县附近的矿井里。选址在矿山是必要的,因为矿山会屏蔽宇宙射线,这些宇宙射线会干扰质子衰变产生的信号。








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