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Newton-科学世界

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物理的新维度  

2008-09-04 08:53:15|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                       物理的新维度 - kxsj - Newton-科学世界

   25年前,当我在科大读研究生的时候,同学中有一位生活上比较笨拙的,某一天进门没看到那玻璃门是关着的,一头撞了上去。事后就有了一个传说:四牌楼一声巨响,某某某进入四维空间。
   进入四维空间,不是人类近几十年才有的梦想。19世纪就有人想到过,在我们平常生活的三维空间之外,可能还存在着第四维,不过那时候人们将这种科学幻想看成地地道道的伪科学。进入20世纪,爱因斯坦提出了引力其实是时间和空间弯曲的效应,第四维才真正成了数理科学研究的对象。既然时空可以弯曲,加上一个第四维,让这个第四维很小,小到完全逃离我们日常经验的感知,是很容易做到的事。卡鲁扎在试图用爱因斯坦的理论统一万有引力和电磁力时,首先引入第四维。在他看来,电磁场无非是一种在第四维方向振动的场,这种统一在几何学上看起来非常完美。可惜,没过多久,人们就发现,引入第四维的代价太大,和我们的实验结果矛盾,于是卡鲁扎的想法沉寂了40余年。
   上世纪后半叶,粒子物理的迅速发展使主流研究几乎完全忘记了爱因斯坦的梦想——寻找一个无所不包的统一理论。粒子物理发展到后来发现弱相互作用和强相互作用很像电磁相互作用,是同一个原理主导的。对那些有洞察力的人来说,这无疑是一个重要的提示,既然电磁力可以用第四维来描述,那么其他相互作用也能用额外维来描述。这正是德维特(BryceDeWitt)在1965年所做的事,他把卡鲁扎的想法推进了一步。上世纪80年代,弦理论的发展,使额外维利用起来更加自然,因为弦论本身需要九维空间才能够与量子力学共存不悖,加上时间,就是通常人们说的十维时空。到了上世纪90年代,理论就更加进了一步,空间变成了十维,这是因为在弦论中暗藏了一维。
   当然,不论理论如何美妙,总需通过实验来检验。粒子物理学家对今年很快就要运转的大型强子对撞机差不多寄予了无限的期待。正在欧洲核子中心紧张建设的大型强子对撞机(LHC)已进入了扫尾阶段。这个周长为27公里的巨大加速器一旦全速运转,将能把其中的每个质子的能量加速到7万亿电子伏。在任何给定时刻,加速器中质子的总动能相当于900辆时速为100公里的小汽车的动能。当两束这样的质子做头对头的碰撞时,瞬时就能产生无数高能粒子产物,这些产物将会为我们带来全新的物理信息。换句话说,这台目前世界上最大的加速器将成为巨大的显微镜,为我们打开透视微观尺度上物理世界的新窗口。
那么,粒子物理学家们都期待发现什么样的新物理呢?首先,发展了30多年的粒子标准模型尚缺最后一块基石有待实验揭示,那就是:赋予众多粒子以质量的黑格斯粒子。如果不出意外,这个“旧物理时代”的最后的粒子将出现在大型强子对撞机的某一个探测器中。恰恰是这个粒子的存在,使得大部分粒子物理学家相信会有新的粒子出现在LHC中。
   为什么这些专家会这么有信心呢?这是粒子物理学中的一个很巧妙的技术问题,如若在标准粒子模型外没有新粒子和新物理,那么人们就很难解释黑格斯粒子的质量为什么这么小,恰好能够被这一代的探测器探测到。
   究竟是什么样的新物理能够保证黑格斯粒子的质量这么小呢?最有可能的是存在一种新的对称性,叫超对称,使得在更高能量上的量子涨落抵消,从而保障了黑格斯的安全。超对称是种很难有直观解释的对称性,但可以用某种额外维来解释,不同于我们前面谈到的类似空间的维度。在超对称之外,另一种可能性是最近几年发现的一个新的物理机制,这个机制利用了真正的额外维,很像卡鲁扎的第四维,这是兰道尔和桑卓姆在1999年发现的一种新的奇怪的第四维,可以用来解释黑格斯粒子的质量为什么不被量子力学效应放大。
   不论是超对称,或是第四维,我们对LHC上即将发现的新物理寄予很大的期待。我个人则暗暗地希望即将降临的新物理甚至更加出乎我们的预料,不是我们已经设想好的任何一种。那时,新加速器带给人们的不仅仅是惊奇,也是强大的挑战。

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