物理學：一百五十年的大一統

物理學：一百五十年的大一統
知識通訊評論第102期

一八六一年馬克斯威爾將電、磁和光合而為一，可說是物理科學理論統一論的委偉大成就。現今物理學家繼續傳承，希望以實驗進一步驗證統合其他現象的理論猜想。

如果它發生，不要期待它會發生像好萊塢式的情節。在瑞士日內瓦大強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）的物理學家不會突然驚駭的倒抽一口氣，他們的顯示器也不會顯示閃爍的消息：「發現希格斯玻色子。」

相反地，這個發現將需要好幾個月的時程。電腦會捕捉數以拍位元(petabyte，十的十五次方）組計的碰撞數據，來搜索少數獨特的事件，物理學家交叉檢查每一個候選者，這其中可能標示著其目標物的存在。只有當他們已經確保累積足夠的，也許是一打的事件，才會公開宣布發現了搶手的希格斯粒子。

即便如此，這個宣布會是戲劇性和及時的。整整一百五十年前，蘇格蘭物理學家馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)表明，三個明顯不同的現象；電、磁和光只是一個現象的不同面向，現今被稱為電磁。希格斯粒子的發現可能會朝向大一統更邁出一大步，填補「標準模型（Standard Model）」最後也是最關鍵的一塊。標準模型是擴展的馬克斯威爾方程式，包含自然界四種作用力其中的三種：也就是電磁力、弱作用力和強作用力，這些力都作用於比原子更小的粒子（subatomic particles）上。科學家認為，希格斯玻色子會與電子、夸克與其他基本粒子作用，賦予它們質量，這使標準模型描述我們所了解的宇宙成為可能。

威爾茨克

因創建標準模型合得二○○四年諾貝爾物理獎，美國麻省理工學院物理學家威爾茨克（Frank Wilczek）說，這使得標準模型的地位，一如電磁波尚未以實驗證實存在前的馬克斯威爾理論。「標準模型看起來不錯，很多預言已被證實，最引人注目的新東西卻還有待驗證。」

但是，即使一如預測的發現了希格斯玻色子，物理學家仍不會滿意。最終目標是實現大一統理論，揭示所有觀察到的粒子和作用力，只不過是單一更基本系統裡的不同表現型式，這個系統可以用一個尋常的數學架構表示。這種優雅的結果不可能發生在標準模型上，標準模型中包括了綑住原子核的強作用力，只是後來才有的想法，此一模型對重力也毫無著墨。另一方面，標準模型並沒有解釋暗物質，這是一種看不見的物質，比起存在於恆星和星系裡的一般物質總量還重大約五倍。

雖然物理學家同意，某種較大的統一理論是必要的，但他們不知道應該採取什麼樣的形式。四十年來，幾乎與標準模型存在的時間一樣長，研究人員一直思索有無辦法來擴展它，使用奇特的點子，例如超對稱、額外維度和全像時空（holographic space-time）。加拿大滑鐵盧理論物理周邊研究所物理學家史莫林（Lee Smolin）說，「情況是，檯面的假說一大堆，大部分並無新意，而且沒有任何一個假說有實驗的支持。」

史莫林說，「好消息是這些實驗終於要完成了。」在短短幾年內，多虧大強子對撞機的和其他的實驗，物理學家應該已經對哪些理論概念是真的，有了更清楚的了解，並且會將它們放入最終的統一理論中。

希格斯玻色子

超對稱

如果希格斯玻色子完全如標準模型所預言，它的內在角動量將是零（自旋量子數是零），質量則介於一千一百五十和一千八百億電子伏特（GeV）之間，落在粒子物理學家喜愛的能量單位範疇內。但是，倫敦國王學院的理論物理學家翰埃利斯（John Ellis）認為，這樣的搭配將會很無聊。他認為，如果大強子對撞機的物理學家沒有發現任何東西將會更有趣。埃利斯指出，「在這些年來的猜測之後，我們終於能在適當的燈柱下檢視，而且發現它並不存在！」這將迫使理論學家回到設計圖，「但有好幾種設計圖可以回溯。」可能會有更複雜的產生質量方式，或更出乎意料的事物。「那將是非常令人興奮，」埃利斯說。

另一方面，他說，大強子對撞機是完全有可能找到不祇一個希格斯粒子，而是一整個家族的希格斯粒子。這將是超對稱的一個跡象，超對稱是一種理論，預測有一群由尚未觀測到的超級粒子（superparticles）組成，每一個都與標準模型裡的二十五個粒子相配，譬如攜帶作用力的玻色子，如光子、膠子和希格斯粒子；以及費米子，例如構成物質的夸克和電子。這些超伴子（superpartners）很重的，至少六千億電子伏特。

超對稱浮上物理學家的腦海，因為它給玻色子和費米子提供了一個統一的數學描述，要不然這兩者似乎完全無關。而且這個理論將大大強化最終的「大一統」，結合強作用力、弱作用力與電磁力，只有重力沒有解釋。

在標準模型中，強作用力的作用強度 ，以一種類似於電荷的常數型式來表示，這與弱作用力和電磁力的強度十分的不同。但是，如果超對稱假設是真實的，量子修正顯示這三種力的強度其實都是相等的，而如果力終究只有一種，預期便應該如此。

超對稱也會解決了其他一些大一統理論的問題，例如大一統理論預言質子應該是不穩定的。根據計算，超伴子的存在會抑制質子的衰變，導致衰變速率遠遠低於目前實驗所設定的極限。

最後，也許從觀察的角度來看最重要的是，超對稱很可能會對暗物質提供解釋。這些無形的宇宙迷霧，就像是一個巨大的粒子群，與普通原子的相互作用非常弱，迄今只能從它對可見恆星和星系的重力影響來偵測。在標準模型裡沒有粒子有這樣的性質，但是好幾種預測的超伴子符合此特徵。如果其中一者的確是暗物質粒子，它可能很快就會被發現，不僅是從大強子對撞機，而且會來自目前世界上一個或更多運作中的暗物質探測器。

但是，對當前的問題，雖然超對稱承諾了很多美妙的解答，卻不能保證它是真實的。史莫林說，「如果超對稱被觀察到，這絕對是非常精彩，但如果不是如此，也會是非常美妙。知道總是比不知道好。」

瑞士日內瓦大強子對撞機

額外的維度

與大強子對撞機的物理學家對話可以是超現實的，特別是當他們一臉正經的討論起要找出科幻小說的主要情節，那就是額外維度。

讓他們把這種展望認真看待的一個重要原因，是弦論（string theory）預測了額外維度的的存在。弦論是除了標準模型以外，在嘗試大一統中目前最流行的理論。弦論假定基本粒子實際上是以振動線型式存在的能量。由於這是一九六○年代末才開始發展，弦論仍只是一個假想，沒有實物證據來支持它。

即使如此，它還是如此令人信服。它預測作用力的存在，這些作用力看起來很像標準模型裡的強作用力、弱作用力和電磁力。它很自然地能引用超對稱。它也自動地包括重力：弦論的方程式表明，閉環弦的行為會像引力子（gravitons），這是被假設攜帶重力的粒子。普林斯頓高等研究院的弦論學家賽博格（Nathan Seiberg）說，「它結合了所有我們所知的物理原則，這很重要。沒有任何其他的想法可以作到，甚至連接近都稱不上。」額外維度因為弦論中常有十一個維度而浮現，其中四個維度是我們能觀察到的：三維空間和時間。失踪的維度很容易解釋，賽博格說，「理論允許它們如此緊密地捲起來，在一般情況下是看不到的。」

如果大強子對撞機產生的對撞有足夠能量，便可以檢測這些額外的維度(足夠高的能量對應著足夠短的量子波長) ，在這麼短的尺度下，會開始螺旋圍繞這些緊密捲曲的維度。根據愛因斯坦著名的相對論，這種螺旋的能量，會以質量方式展現。因此，大強子對撞機的物理學家就可以檢測到標準模型整個高質量粒子族群的複本。

另一方面，弦論的產物也表明了，我們理解的三維空間實際上是一種漂浮在更高維空間的膜。我們從來沒有注意到額外的維度，是因為所有標準模型裡的粒子只限於膜上。但是，大型強子對撞機的碰撞能量可能足以炸出開口，讓突發的重力能量從我們的膜外進入。其結果將是在碰撞點的一端，得到放射出來的碰撞產物噴束，但顯然在另一端什沒有甚麼能用以平衡，就好像被一個突如其來的螺栓擊中一樣。

大強子對撞機的物理學家已經計算出，所有這些額外尺度現象在實驗上的特徵，大強子對撞機兩大碰撞探測器之一的緊湊緲子線圈（Compact Muon Solenoid）實驗副發言人羅克（Albert de Roeck）說，「但移動的目標是要知道額外維度的尺度」。他說，如果它們捲得太緊，規模小於十的負十九次方米，那麼探測所需的能量，就超越了大強子對撞機能達的範圍。

這是一個特別的可能性，也是為什麼物理學家認為用大強子對撞機觀察額外維度，是一個困難的挑戰。倫敦帝國學院的物理學家達夫（Michael Duff）說，「我並沒有屏氣凝神的等待突破，我敢打賭，如果額外維度真的存在，他們將落在普朗克尺度，」普朗克尺度是十的負三十五次方米，在此量子力學和重力被認為會以一種未知的方式合而為一。

然而，追求額外維度的努力被認為是非常值得的。它們的存在將不能證明弦論的正確；存在額外維度，卻不是以弦的型式是完全可能的。但證實它的一個主要的預測，將大大加強對弦論的支持。

全像觀

超對稱、額外維度和全像時空

弦論雖說可以是美好的，但是願賽博格說，因為它少了些甚麼，弦論的鑽研者還是傷感地離開。他說，「我們知道如何計算弦論裡的很多東西，但我們並沒有為它準備概念基礎，就是一組一切都可以遵守的基本原則。」

這個找尋更深層原則的任務，便落到所有物理學家身上，而不僅僅是弦論學家。一個引起很多人關注的想法，來自英國劍橋大學霍金（Stephen Hawking）與其他人在一九七○年代驚人的理論發現：在黑洞周圍空間的量子效應，讓黑洞好似發燙地放出輻射，即使黑洞應該把質量和能量吞下，而不是吐出來。法國馬賽地中海大學的物理學家羅韋利（Carlo Rovelli）說，「這是一個驚人的結果，」不知何故，三個明顯不同的重力、量子力學和熱力

在11度空間的弦論裏尋求答案

學的現象，全交織在一起，他說，「我們仍然無法從更深層的角度來理解。」

理論物理學家努力想了解這一結果，導致一些奇怪的理論方向。例如根據標準的熱力學，任何物體的溫度都和它的熵有關：熵是一個數量，可以給外在觀察者關於物體組成的排列及運動訊息。但是外在觀察者沒有辦法從一個黑洞得到任何資訊，因為任何比事象地平面（event horizon）更接近黑洞的事物，與宇宙其餘的部分都切斷了。因此，如果黑洞如同霍金等人闡述地是由熱力學掌控，所有內部的三維信息一定會以某種方式被編碼在它的二維事象地平面上。

此外，經過幾十年對這論點的分析和歸納後，現在許多物理學家認為，它適用於任何三維空間，從黑洞到虛空：三維空間的整體信息內容可以被編碼在二維表面。換句話說，最終描述一切的大一統理論，應該要能用更低維度的真實來描繪了我們的三維世界。我們的宇宙從這種理論呈現出來的樣貌，就像是從一幅二維全像圖得來的三維光學影像。

雖然這個「全像原理」可能是終極統一理論的一個元素，但它本身並能不說明這個理論應該是什麼。而且並不是每位物理學家都買它的帳。威爾茨克說，「這很有趣也很刺激的，但太含糊了。」在數學上，至少有一個版本的全象原則，AdS/CFT對偶性（duality），可以適用於弦論，它已被廣泛地研究。也許更重要的是，我們有可能可以驗證這個想法。

美國費米實驗室粒子天體物理中心主任霍根（Craig Hogan）曾建議，如果全像原理為真，量子效應可以在光束裡產生一種「全像噪音（holographic noise）」。其效應很微小，霍根說，但可能被已經用在重力波實驗的超精密雷射干涉儀檢測出來。

霍根

霍根說，他和他的同事已經建立起硬體，來測試這效應是否會一如預期，如果確實如此，他們希望在明年進行原尺寸的試驗，預計三年耗資約兩百萬美元。「運作這些實驗是便宜的，」霍根說，而且或許真的是這麼棒。「這是對我們所不知道物理學進行的試驗，所以由定義上來說，這是探索性的。」

所有可以幫助統一物理的理論，從弦論、全像術，甚至到更深奧的概念，可能有許多點子會殊途同歸，只是從不同的角度看待而已。但是唯有實驗能告訴我們答案。

「大強子對撞機給了我們大跨步的希望」，賽博格說，「再過幾年，我們應該會變得更聰明許多。」