大统一场理论具体是什么?由谁最先提出的?

Question

大统一场理论具体是什么?由谁最先提出的?

Answer 1

我希望,我对物理学家们正在进行的揭示物质终极结构的工作所做的简略介绍,至少能让大家多少对现代物理学研究有点认识.物理学家对待其研究对象的态度近乎敬畏,因为他们总是受一种信仰的支配,这就是,大自然是由数学的优美和质朴统治的；通过深入探究物质的结构,大自然的统一性将会显明出来.迄今为止的一切经验表明,所探寻的系统越小,所发现的原理就越一般.按照这一经验来看,被我们偶然发现的世界的复杂性,在很大程度上纯是我们的物质取样系统的能量相对较低的结果.人们相信,随着取样系统的能量越来越高,大自然的统一性和质朴性也会变得越来越显明.这也就是为什么这么多的人力物力被投入建造超高能粒子加速器的缘故.人们想通过超高能粒子加速器闯进那质朴的状态去探寻究竟.
然而,曾经有过那么一个时期,当时,这种质朴的状态被大自然探寻过.那时,宇宙在大爆炸中诞生还没有一秒,当时的温度高达1027度,正好可以用作探寻原初质朴状态所需的能量.这一段时间,物理学家们称之为大统一时代,因为当时的物理正是受基本力的大统一理论的过程支配的.我们在第三章里所提到的至关重要的非平衡就是在当时确立的,而有了那种非平衡,才导致了物质稍稍多于反物质.后来,随着宇宙的冷却,原初的统一力也分化为三种不同的力——电磁力,弱作用力,强作用力.这些力都是我们在相对冷却下来的宇宙中所看到的.
今天的复杂的物理,是由原初大爆炸火焰构成的质朴的物理冷却而成的.这种看法,倒是美妙而吸引人.大自然的最终原理,也就是惠勒所孜孜以求的“闪光的中心机制”,我们因能量不足而难以窥见.假如人们追踪到大统一时代以前的那些时期,追到离时间起始处更近、温度更高的地方,就可以找到超引力了.超引力所代表的,就是存在的起始,在起始之处,时间和空间同基本力都结为一体.大多数物理学家认为,时空的概念在超引力时代之内是不能用的.实际上,有迹象显示,时间和空间也应被看作是两种场,这两种场本身也是先几何元素组成的原初汤“冷却”而成的.因而,在这超引力的时代中,大自然的四种力是浑沌一体的,而时空则尚未成一个象样子的形.当时的宇宙只是一堆超质朴的元件,是一些上帝用以造出时间、空间和物质的原料.
本章描述了物理学关于基本力研究的新近进展.这些进展已使人们以全新的观点看待大自然.这种观点的影响在物理学家和天文学家中间迅速扩大.现在,人们已开始把宇宙看成是由质朴的东西冷却而生成的复杂的东西,颇象是浑然无形的海洋冻成了姿态各异的浮冰.科学家们有一种感觉,这就是宇宙学的研究课题和人们对物质当中的基本力的研究正在为宇宙提供一个统一的描述.在这种描述中,物质的极微结构与宇宙的总体结构紧密联系在一起,两种结构都以一种微妙而复杂的方式影响着彼此的发展.
本章所描述的物理学的一系列成功,无疑代表了以还原论理论为其基础的现代物理学思想的一个胜利.物理学家们试图把物质还原为最终的构件——轻子、夸克、信使粒子——从而得以瞥见那基本的定律.而正是那基本的定律控制着形成物质的结构和行为的力量,从而能够解释宇宙的很多基本特点.
尽管如此,以这种方式追寻某种已被感觉到的终极真理是远远不够的.我们在前面的几章里看到,还原论不能够解释很多明显的具有整体性特征的现象.例如,我们不能用夸克来理解意识,活的细胞,甚至也不能以之理解诸如龙卷风之类的无生命的系统.否则,一定会闹出笑话的.
到目前为止,本章所用的语言在很大程度上并没有传达出物理学家心目中的物质结构的概念.当一个物理学家说,质子是由夸克“组成的”时,他的本意并非如此.比如,我们说一个动物是由细胞组成的,或一个图书馆是由书组成的时,我们的意思是说我们可以拿来一个细胞或一本书,或从那较大的系统那里随便拿来什么东西,进行孤立的研究.但夸克却不是这样.就我们所知,不可能真地拆开质子拿出夸克来.
然而,拆开有着辉煌的历史.拆开原子现在已成了家常便饭；原子核敲开较难,但在高能的冲击下也会分裂.这或许意味着用高速粒子轰击质子或中子,将会把质子或中子粉碎为夸克.然而,实际情况却不是这么回事.一个极小的高速电子会穿过质子的内部,将其中的一个夸克猛烈地弹开,从而使我们确信质子内部的什么地方确有夸克.但是,若打击质子的不是小小的电子,而是一个大锤,即另一个质子,那么,我们就不会在质子的碎片中看见夸克,而只能看见更多的强子（质子、介子等等）.换言之,夸克从不孤立地出现.大自然似乎只准许夸克以集体的面目出现,出现的时候总是2个2个或3个3个地在一起.
因此,当物理学家说质子是由夸克组成的时,他的意思并不是说这些神秘的夸克可以单独地显现出来.他只是指一个描述层面,这一层面比质子层面更基本.管辖夸克的数学法则要比管辖质子的更质朴,更基本.从某种意义上说,质子是合成的,不是基本的；但质子由夸克的合成与图书馆由图书的合成不是一码事.
当我们象在第八章里看到的那样,将量子因素纳入考虑之中时,理解物质的基本结构便有了更为严重的困难.这是因为,没有哪种亚原子粒子（不管是夸克还是什么别的基本粒子）是货真价实的粒子.实际上,亚原子粒子可能连“东西”都算不上.这就使我们又一次认识到,所谓物质是某某粒子的集合这种描述,实际上必须被看作是由数学所确定的描述层次.物理学家对物质结构的精确描述只能通过抽象的高等数学来进行,而人们只有认识到这一背景,才能明白还原论所说的“由…组成”的真正含义.
海森堡的测不准原理的一个方面,很好地说明了量子因素给研究“什么是由什么组成的”这一课题带来的困难.但这次的二象性,不是波粒之间的二象性,也不是运动与位置的二象性,而是能量与时间之间的二象性.能量与时间这两个概念处于一种神秘莫测的对立关系之中：你知道了一个就不知道另一个.因而,哪怕在一个很短的时间内观察一个系统,其能量也有可能发生巨大的起伏.在日常的世界里,能量总是守恒的.能量守恒是经典物理学的柱石.但在量子微观世界里,能量可能以自发的、不可预测的方式不知从哪里冒出来,或消失在哪里.
当考虑到爱因斯坦著名的E=mc2的公式时,量子能量的起伏就变成了复杂的结构.爱因斯坦的公式说的是,能量和质量是相等的,或者,能量能够创造物质.这已在前几章里讨论过了.不过,那几章里所说的能量来自外部.这里,我们想讨论一下,在没有外部能量输入的情况下,物质粒子如何能从量子能量的起伏中被创造出来.海森堡的原理颇象个能量库.能量可以短期借用,只要迅速归还就行.借用期越短,可借用的量就越大.
比如在微观世界中,一次突然的能量起伏可能使一个正负电子对在短期内出现又消失.这正负电子对的短暂存在,就是由海森堡式的借贷维持的.其存在的时间从不超过1/1021秒.但无数个这样忽隐忽现的幽灵粒子累加起来的效果,就使空无一物的空间有了某种变换的质地,尽管这是一种模糊的、不实在的质地.亚原子粒子就必须在这不停运动的海洋中游动.不仅电子和正电子,而且质子和反质子,中子和反中子,介子和反介子,总之,大自然的所有粒子都是这么动荡不安.
从量子的角度来看,一个电子不仅仅是一个电子.变换能量的花样在其周围闪烁着,不知什么时候突然促成了光子、质子、介子、甚至其他电子的出现.总之,亚原子世界的一切都附着在电子上,象是电子穿上了看不见摸不着的、转瞬即逝转瞬又来的一件大衣,或者说,象是幽灵一样的群蜂嗡嗡地围着中间的蜂巢飞翔,构成了蜂巢的覆盖物.当两个电子相互靠近时,它们的覆盖物也纠缠在一起,于是,相互作用就发生了.所谓的覆盖物,只不过是将先前被看作是力场的东西加以量子的表达罢了.
我们永远也不能将电子跟其所带有的幽灵粒子分离开来.当有人问“什么是电子”时,我们不能说电子就是那个小粒子；我们必须说电子是不可分离的一整串东西,包括跟它在一起的产生力的幽灵粒子.说到具有内部结构的强子,就更加模糊难辨了.一个质子不知为何总是带着夸克,而夸克又是由胶子连在一起的.这里也有一种怪圈：力由粒子产生,而被产生的力又产生力….
而对光子这样的粒子来说,这种怪圈意味着光子可以展现出很多不同的面孔（faces）.通过借入能量,它可以暂时变成一个正负电子对,或一个正反质子对.已有人进行了实验,试图看到光子是如何变成正负电子对或正反质子对的.但是,人们又一次发现,要想从这种错综复杂的变化中分离出来“纯”光子是不可能的.
　我们将会看到,物质的本性在其量子论方面具有强烈的整体论的味道：物质的不同层面的描述是相互连锁的,一切东西都是由另外的一切东西组成的,然而一切东西同时又显示出结构的等级次序.物理学家们就是在这无所不包的整体性中追寻物质的终极成分,追寻终极的、统一的力.