探尋終極理論:1960年代的方法能否統一引力與物理學的其他部分?

為了統一自然界的四種力,物理學家們正在轉向李群,這種方法在2007年被一位衝浪者般的理論家重新提出而聞名

將時間倒退半個世紀可能是解決科學界最大難題之一的關鍵:如何將引力和粒子物理學結合起來。至少這是倡導迴歸基礎方法的研究人員在尋求物理學統一理論時的希望。

七月,數學家和物理學家在加拿大艾伯塔省的班夫國際研究站會面,討論迴歸粒子物理學的黃金時代。他們回顧了20世紀60年代,當時物理學家默裡·蓋爾曼意識到,基本粒子可以根據其質量、電荷和其他屬性進行分組,形成與被稱為李(“lee”)群的複雜對稱數學結構相匹配的模式。當蓋爾曼將已知粒子對映到李群SU(3)時,這種對應關係的力量得到了鞏固,暴露出一個空位,表明必須存在一種新的粒子,即即將被發現的“奧米茄負粒子”。

在接下來的幾十年裡,該策略幫助科學家們發展了粒子物理學的標準模型,該模型結合了三個李群,將所有已知的基本粒子和三種基本力編織在一起:電磁力;將原子核結合在一起的強力;以及控制放射性的弱力。似乎物理學家找到一個可以容納一切(包括引力)的包羅永珍的李群只是時間問題。但是,義大利的裡雅斯特國際高階研究學院的物理學家羅伯託·佩爾卡奇說,這些嘗試失敗了,因為它們預測了自然界中尚未觀察到的現象,例如質子的衰變。


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這種方法在20世紀80年代失寵,因為其他候選統一思想,如弦理論,變得更受歡迎。但是,受歷史啟發,佩爾卡奇與義大利費拉拉大學的法布里齊奧·內斯蒂合作開發了一個模型,並在會議上進行了展示。在該模型中,引力被包含在一個名為SO(11,3)的大型李群中,與電子、夸克、中微子及其表親(統稱為費米子)並列。儘管該模型尚不能解釋光子或其他傳遞力的粒子的行為,但佩爾卡奇認為這是一個重要的第一步。

佩爾卡奇工作的一位支持者是A. 加雷特·利西,一位擁有加州大學聖地亞哥分校物理學博士學位的獨立研究員。利西在2007年因其將“萬物理論”嵌入最複雜和優雅的李群E8的嘗試而登上頭條新聞。利西說,佩爾卡奇的工作“為引力和標準模型提供了一個很好的統一”。

耶魯大學E8專家格雷格·J·扎克曼說,利西的想法重新喚起了數學家們對這種物理學歷史方法的興趣,這促成了班夫會議的召開。他補充說,利西的嘗試“代表了一種更普遍的理想,即迴歸李群作為統一引力與標準模型的一種方式”。

其他人正在以不同的方式推進這一理想。俄勒岡州立大學的數學家泰維安·德雷和物理學家科琳·馬諾格並沒有將李群視為可以容納力和粒子的盒子,而是將它們拆開,並檢查它們的數學構建塊之一——一個名為八元數的八維數字系統。(日常實數是一維的,而具有實部和虛部的複數是二維的。)

德雷觀察到,許多數學家迴避八元數,因為它們不遵守代數的所有標準定律,因此執行數學運算的順序可能會給出不同的答案。德雷和馬諾格已經將這種看似令人不快的非對稱性轉化為他們的優勢,以描述某些粒子的偏向特性。例如,八元數自然地再現了中微子令人費解的“左手性”——即,它們的內在量子“自旋”始終相對於它們的運動朝向一個方向。

德雷解釋說,八元數似乎也是為在十維空間中進行計算量身定製的,這使得它們可能對弦理論家有用,弦理論家認為我們的宇宙包含六個額外的緊緻維度。弦理論家一直未能確定一種獨特的機制來描述這些額外維度如何坍縮,但德雷和馬諾格發現,選擇一個特定的八元數來集中研究可以簡單而自動地完成這一壯舉。

德雷說,“我們開始瞥見最終理論必須具備的特性”,他強調,要獲得一個完全可用的八元數模型,還有很多工作要做。他補充說,令人鼓舞的是,許多研究人員使用不同的方法,得到了誘人的暗示,表明李群是正確的道路。這些暗示足夠強烈,足以激勵數學家,如馬里蘭大學的傑弗裡·亞當斯,將他們的專業知識借給追求李群方法的物理學家。“如果沒有類似的東西奏效,我會很失望,”亞當斯說。

並非所有人都抱有這種樂觀態度。埃默裡大學的數學家斯基普·加里波第說,E8啟發的懷舊情緒是被誤導的。加里波第與德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家雅克·迪斯特勒合作,表明利西的理論預測了不需要的粒子的存在,這些粒子的相互作用是常規費米子的映象。加里波第認為,這些粒子很可能已經對已知粒子產生了顯著影響。“在不預測幾乎已被實驗排除的東西的情況下,不可能將引力塞進E8,”他說。

利西在六月份將他的理論的最新版本釋出在網際網路上,並在會議上進行了展示,他承認映象費米子是一個問題,但他補充說,E8理論仍在進展中,如果映象費米子比通常認為的更重,它們可能已經逃過了人們的注意。他說,它們甚至可能出現在大型強子對撞機中。

扎克曼評論說,現在判斷迴歸基礎的計劃最終是否會取得成果還為時過早。但他無疑代表許多人說,“我可以告訴你,這些文獻對我來說非常令人興奮。”

Zeeya Merali是一位居住在倫敦的自由撰稿人,也是《小房間裡的大爆炸》(Basic Books,2017年)的作者。

更多作者:Zeeya Merali
大眾科學雜誌第303卷第3期本文最初以“探尋終極理論:1960年代的方法能否統一引力與物理學的其他部分?”為題發表於大眾科學雜誌 第303卷第3期 ()
doi:10.1038/scientificamerican092010-5TyB20TTL7CschNyetSN87
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