近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)知道,，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的,，而原子又是由電子、質(zhì)子和中子以多樣的方式組合而成的,。2 0世紀(jì)6 0年代,，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)更深一層的結(jié)構(gòu),，質(zhì)子和中子由古怪的粒子——夸克——構(gòu)成?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了6種夸克,， 它們（成雙或成三）的組合可以解釋宇宙中所有質(zhì)量較大的粒子——質(zhì)子、中子——以及在實(shí)驗(yàn)中冒出來(lái)的許多其他另類(lèi)粒子（例如膠子和玻色子）,。

　　這是我們對(duì)宇宙中物質(zhì)的基本認(rèn)識(shí),，但粒子之間是如何相互作用的呢？從2 0世紀(jì)3 0年代至今,，物理學(xué)家研究了描述宇宙中四種基本作用力——引力,、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力——的細(xì)致數(shù)學(xué)模型,。我們可以把它們中的每一種都看成是作用于空間中的場(chǎng),。更有意思的是，這四種基本“力場(chǎng)”可以通過(guò)交換粒子來(lái)構(gòu)建：光子傳遞了電磁力,；8種不同的膠子傳遞了強(qiáng)核力,，使得夸克被束縛在質(zhì)子內(nèi)部；3種中間矢量玻色子傳遞了弱核力,，后者控制著放射性過(guò)程,；一些物理學(xué)家相信，引力子傳遞了引力,，但它們迄今還未被發(fā)現(xiàn),。

　　在這一標(biāo)準(zhǔn)模型中，科學(xué)家通過(guò)這些各式各樣的詳細(xì)數(shù)學(xué)理論將對(duì)物質(zhì)和力的描述集為一體,。當(dāng)物理學(xué)家試圖預(yù)言在他們昂貴的粒子對(duì)撞機(jī)中會(huì)發(fā)生什么的時(shí)候,，它構(gòu)成了計(jì)算的支柱。不管是設(shè)計(jì)新的技術(shù),，還是開(kāi)展新的實(shí)驗(yàn),，乃至研究黑洞的特性，他們都會(huì)從久經(jīng)考驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)方程開(kāi)始,。

夸克的組成方式

　　標(biāo)準(zhǔn)模型漂亮而簡(jiǎn)單,，但它看上去似乎并不完整?？茖W(xué)家可以把這些作用力中的兩種——電磁力和弱核力——統(tǒng)一進(jìn)一個(gè)數(shù)學(xué)理論,，還可以在大統(tǒng)一理論下把強(qiáng)核力也納入其中。然而,，引力倔強(qiáng)地游離在它們之外,，因此，物理學(xué)家需要用兩種迥異的方式來(lái)描述大自然中四種力的作用,。如果只用一種方式來(lái)描述豈不是更好,？這正是對(duì)終極理論的探求,，超弦理論是目前最有希望成功的理論。那么,，物理學(xué)家為什么必須通過(guò)弦理論來(lái)修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型呢,？關(guān)于宇宙，弦理論又能告訴我們些什么呢,？

》進(jìn)入深處

　　在過(guò)去的7 0多年中,，為了實(shí)現(xiàn)大統(tǒng)一，科學(xué)家已提出了許多理論方案,，但這些理論中的大多數(shù)都存在嚴(yán)重的數(shù)學(xué)問(wèn)題,。例如，有時(shí)計(jì)算得到的概率會(huì)是負(fù)值或者超過(guò)1 0 0％,。根據(jù)其中一個(gè)模型,，計(jì)算發(fā)現(xiàn)存在超光速運(yùn)動(dòng)的粒子，科學(xué)家將其稱(chēng)為快子,。

　　但是,，從2 0世紀(jì)8 0年代初開(kāi)始，有一個(gè)有趣的方案受到了眾多物理學(xué)家的追捧,。

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,，粒子都是點(diǎn)狀的。也就是說(shuō),，無(wú)論科學(xué)家怎么想辦法探測(cè)一個(gè)粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，他們得到的都不過(guò)是一個(gè)更小的能量“點(diǎn)”，它呈現(xiàn)出這個(gè)粒子的所有特性：質(zhì)量,、電荷和自旋,。這會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的數(shù)學(xué)問(wèn)題。想象一下,，把一個(gè)電子的質(zhì)量和能量擠壓進(jìn)一個(gè)越來(lái)越小的球體內(nèi),，最終，它會(huì)變成空間中一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn),，此時(shí),，它的質(zhì)量和能量密度則會(huì)變得無(wú)窮大。這個(gè)無(wú)窮大會(huì)使得任何涉及質(zhì)量和能量密度的計(jì)算都變得不可行,。因此,，大約在3 0年前，物理學(xué)家提出了一個(gè)解決辦法,，用不會(huì)消失的其他構(gòu)形來(lái)代替粒子的內(nèi)部形狀,，例如閉合的能量環(huán)，即弦,。

弦

　　基本的想法是,，每一個(gè)物質(zhì)粒子（電子,、夸克、中微子等）以及每一個(gè)傳遞相互作用的粒子（光子,、膠子,、中間矢量玻色子和引力子）其實(shí)都是某種微小的一維環(huán)。它可以是開(kāi)放的,，有兩個(gè)端點(diǎn),，也可以是閉合的,，構(gòu)成一個(gè)環(huán),。當(dāng)這個(gè)一維弦環(huán)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)掃過(guò)一個(gè)二維的表面,。它還可以分裂成兩個(gè)不同的弦環(huán),，構(gòu)成兩個(gè)閉合的表面。這些表面被稱(chēng)為世界面,。一根弦分裂成兩根,，則對(duì)應(yīng)于一個(gè)粒子衰變成兩個(gè)。把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái),，兩根弦變成一根則對(duì)應(yīng)于兩個(gè)粒子的碰撞和并合,。這些環(huán)也能向琴弦那樣振動(dòng)，其振動(dòng)的精確方式?jīng)Q定了它所代表的基本粒子的確切特性,。對(duì)應(yīng)于大質(zhì)量粒子的弦振動(dòng)的頻率較高,，反之亦然。

　　那么這些弦看上去像什么呢,？先問(wèn)個(gè)問(wèn)題,，你最近一次碰到一維的東西是什么時(shí)候？其實(shí)我們從來(lái)就沒(méi)有看到過(guò)這樣的東西,，更不要提它們是什么樣子了,，比如顏色、質(zhì)量,、大小,，等等。我們?cè)噲D描述的弦的每一個(gè)特性都植根于我們的三維經(jīng)驗(yàn),。于是,，一個(gè)基本的問(wèn)題是，這樣一個(gè)物理實(shí)體具有的特性是否超出了我們的經(jīng)驗(yàn),？幸運(yùn)的是,，這在數(shù)學(xué)上根本不是問(wèn)題。這也正是物理學(xué)家可以精確處理一維弦的原因,。

　　此外,，科學(xué)家知道,，類(lèi)似電子這樣的粒子并不僅僅是一個(gè)有著表面的微小球體。事實(shí)上,，它們是有著特定屬性的無(wú)窮小的能量結(jié)點(diǎn),。對(duì)人類(lèi)的思想而言，一大挑戰(zhàn)是去想象基本粒子的真正本質(zhì)——無(wú)論是一個(gè)能量點(diǎn)還是一根弦,。

》探索不同的維度

　　把這些弦和普通粒子及其特性相連的數(shù)學(xué)描述只有在十維的宇宙中才奏效,，這讓事情變得更為詭異。我們所處的普通宇宙由三維空間和一維時(shí)間構(gòu)成,，因此,，弦理論的數(shù)學(xué)要求再增加6個(gè)額外的維度，同時(shí),，它們自身還要完全閉合且具有1 0^-33厘米的有限大小,。

　　拿一張二維的紙，將它緊緊地團(tuán)起來(lái),。把它塞進(jìn)一個(gè)乒乓球,，然后把這個(gè)球壓縮到直徑只有1 0^-33厘米——一些科學(xué)家認(rèn)為，那6個(gè)維度就隱藏在這個(gè)物體中,。在三維空間中的每一個(gè)點(diǎn)上重復(fù)這個(gè)過(guò)程,，弦理論認(rèn)為，你每這樣做一次就會(huì)得到一個(gè)不同類(lèi)型的宇宙,。這些緊致維度的確切幾何特性決定了在這個(gè)宇宙中到底會(huì)擁有什么樣的粒子以及它們的特有屬性,。

　　一個(gè)三維球具有特定的幾何特性，使得粒子在其表面能以特定的方式運(yùn)動(dòng),。類(lèi)似的,，通過(guò)這些緊致維度的空間來(lái)控制弦的振動(dòng)（及其所對(duì)應(yīng)的粒子），形成了弦的張力和幾何特性,。在這個(gè)緊致的空間中,，每一種粒子都具有特定的由6個(gè)數(shù)字構(gòu)成的地址，這就好像巴黎在地球二維表面上有其唯一的經(jīng)度和緯度一樣,。

　　毫無(wú)疑問(wèn),，要畫(huà)出這樣的一個(gè)六維實(shí)體是很困難的。就算可以,，我們也會(huì)為窮盡其所有特性而疲于奔命,。在弦理論中，這樣的空間據(jù)估計(jì)有1 05 0 0個(gè),，每一個(gè)都代表一個(gè)有著不同粒子和場(chǎng)的數(shù)學(xué)宇宙,。這些空間中，有一些里面不存在電子,，有一些里面則可以有1 2種不同的夸克,，卻沒(méi)有光子,，在這樣的空間里就不會(huì)有彩虹。

》且慢,，不止這些

　　如果我們得到的只是一個(gè)有關(guān)粒子看上去是什么樣子——在空間中震動(dòng)的環(huán)而非點(diǎn)——的新模型,，那我們還沒(méi)有簡(jiǎn)化或者統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)模型。要解釋我們已知的事物,，還需要更為復(fù)雜的數(shù)學(xué),。弦理論還具有第二個(gè)特性，即超對(duì)稱(chēng),。正如任何一個(gè)學(xué)過(guò)幾何的學(xué)生都知道的,，對(duì)稱(chēng)性往往會(huì)使求解問(wèn)題變得更為簡(jiǎn)單。

　　由于立方體本身的對(duì)稱(chēng)性,，在三維空間中每轉(zhuǎn)9 0度就能看到它新的一面,，但是立方體的形狀仍保持不變,?？茖W(xué)家稱(chēng)其為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。在2 0世紀(jì)7 0年代初,，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子也能在超對(duì)稱(chēng)下彼此轉(zhuǎn)化,。這一鏡像牽涉到量子力學(xué)和粒子的一種內(nèi)稟屬性，被稱(chēng)為自旋,。這個(gè)理論最吸引人的是,，作為已知粒子類(lèi)型間超對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，它可以自動(dòng)地包含引力——終于,，有一個(gè)理論可以自然地容納所有四種基本作用力了,。

　　然而，大自然永遠(yuǎn)都不會(huì)無(wú)中生有,，因此科學(xué)家不得不添加新的成分,，使得超對(duì)稱(chēng)的數(shù)學(xué)描述奏效。此時(shí),，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一種粒子都會(huì)被賦予一個(gè)新的超伙伴粒子,，這樣才能使粒子間的變換在數(shù)學(xué)上可行。通過(guò)用這種方式拓展標(biāo)準(zhǔn)模型,，科學(xué)家現(xiàn)在擁有了最小超對(duì)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)模型（ M S S M ）,。這個(gè)模型不僅可以解決標(biāo)準(zhǔn)模型存在的許多問(wèn)題，還為占據(jù)宇宙物質(zhì)總量8 5％的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)——提供了一種新的候選粒子,。標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋這些看不見(jiàn)的物質(zhì),，但MSSM 中質(zhì)量最小的中性微子卻具備了解釋暗物質(zhì)所需的合適特性。

》一起嘗試

　　2 0世紀(jì)8 0年代初,，物理學(xué)家把超對(duì)稱(chēng)引入弦理論,，形成了超弦理論,。他們提出了5種不同類(lèi)型的超弦理論，每一種都能以各自的方式解釋物理世界,。之后在1 9 9 5年,， 物理學(xué)家意識(shí)到，這5個(gè)理論其實(shí)是一回事,，他們將其稱(chēng)為M 理論,。

　　這些理論彼此相連的方式可以用涉及改變長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)精確描述，即對(duì)偶變換,。一個(gè)與之類(lèi)似且我們也更熟悉的例子是三維立方體的二維投影,。一個(gè)三維立方體的真正形狀可以從其不同的二維投影中重建出來(lái)。通過(guò)在三維空間中轉(zhuǎn)動(dòng)立方體,，其每一個(gè)二維投影面都能變換成其他的樣子,。你可以把十一維M 理論立方體的每一面想象成一個(gè)不同的十維超弦理論。十一維M 理論的詳細(xì)數(shù)學(xué)描述告訴科學(xué)家如何在十維超弦理論間進(jìn)行變換,。

》迄今的證據(jù)

　　一些物理學(xué)家把MSSM 視為在不添加大量假設(shè)的前提下超越標(biāo)準(zhǔn)模型的最簡(jiǎn)單途徑,，而且它還預(yù)言了世界上最強(qiáng)大的粒子加速器——?dú)W洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）——可檢測(cè)的新現(xiàn)象。科學(xué)家正在篩查數(shù)據(jù),，搜尋已知粒子的超伙伴粒子的蹤跡,，其中一些最輕的質(zhì)量為幾萬(wàn)億電子伏特，在LHC可檢測(cè)的范圍之內(nèi),。如果科學(xué)家什么也沒(méi)找到,，那么他們就需要用更復(fù)雜的模型來(lái)取代MSSM，這些超伙伴粒子會(huì)具有更高的能量,。那么,，目前這些搜尋進(jìn)展到哪一步了呢？畢竟LHC 已經(jīng)工作超過(guò)2年了,。

　　好消息是,，標(biāo)準(zhǔn)模型得到了很好的驗(yàn)證。2 0 1 2年7月,，物理學(xué)家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一種粒子,，它看上去就像是已經(jīng)被尋找了4 0多年、標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子——希格斯玻色子,。

　　然而,，2 0 1 1年8月和2 0 1 2年1 1月接連傳來(lái)了壞消息，LHC的一組物理學(xué)家報(bào)告,，他們對(duì)特殊粒子B 介子衰變的研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱(chēng)的跡象,。在超對(duì)稱(chēng)的幫助下，這些粒子衰變的速度應(yīng)該快得多，但科學(xué)家在研究的幾萬(wàn)億次衰變事件中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,。

　　另一個(gè)壞消息是,，在7萬(wàn)億電子伏特的能標(biāo)之下，科學(xué)家沒(méi)有找到任何有超對(duì)稱(chēng)粒子存在的證據(jù),。這被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的超對(duì)稱(chēng)模型（尤其是MSSM）的重大失敗,。超對(duì)稱(chēng)是科學(xué)家用來(lái)統(tǒng)一四種基本作用力的最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，而大自然似乎也偏向于用更基本的理論來(lái)解釋我們這個(gè)世界,。如果MSSM被證否了,，那大自然著實(shí)大大地戲耍了一把地球上的科學(xué)家。

希格斯玻色子

　　2 0 1 3年年初,，L H C 被關(guān)閉,，2 0 1 5年重啟，開(kāi)始完全在設(shè)計(jì)要求的1 3萬(wàn)億電子伏特的對(duì)撞能量下運(yùn)轉(zhuǎn),。物理學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始研究各種各樣的理論來(lái)預(yù)言最輕的超對(duì)稱(chēng)粒子,。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，有幾十種新的粒子散布于LHC 完全滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后可及的范圍之內(nèi),，因此,，一些樂(lè)觀者感覺(jué)此事十拿九穩(wěn)。

　　這一賭注其實(shí)極端高昂：如果超對(duì)稱(chēng)粒子被找到,，那么發(fā)現(xiàn)之路就會(huì)為超越MSSM 的超弦理論打開(kāi),；如果科學(xué)家仍然沒(méi)有在LHC 中發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱(chēng)粒子存在的證據(jù)，那么最簡(jiǎn)單的MSSM 必然會(huì)被否定,，而超弦理論也斷然不會(huì)被視為終極理論的最佳候選。這將是一大憾事,。

　　弦理論對(duì)粒子的描述為描述新的粒子和現(xiàn)象提供了富庶的框架,，拓展了人類(lèi)對(duì)空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí)。然而,，其缺點(diǎn)是,，這些粒子中絕大多數(shù)的質(zhì)量都超出了LHC 可探測(cè)的能標(biāo)。這也是其最大的問(wèn)題,。

　　絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為,，在全世界多個(gè)國(guó)家花費(fèi)數(shù)十億美元建造了LHC，旨在發(fā)現(xiàn)“新物理學(xué)”,，卻什么也沒(méi)發(fā)現(xiàn)之后,，將很難籌集更多的資金來(lái)建造更強(qiáng)大的、能標(biāo)超過(guò)1 3萬(wàn)億電子伏特的對(duì)撞機(jī),。如果LHC 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)或者新粒子的跡象,，那么這一負(fù)面結(jié)果將迫使物理學(xué)家做出一個(gè)極端困難的抉擇：要么發(fā)明出一種全新且低廉的技術(shù)來(lái)把粒子加速到更高的能量，要么在沒(méi)有可用來(lái)檢驗(yàn)大量理論的數(shù)據(jù)的情況下苦思幾十年,。因此,，加速器物理學(xué)未來(lái)幾年的進(jìn)展也許會(huì)對(duì)超弦理論做出裁決,。

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