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真理必定是美丽与简单的,量子力学标准模型 [复制链接]

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法国数学家亨利·庞加莱曾经说过:“科学家研究自然,并非因为自然有用,而是他们喜欢自然,因为自然是美丽的,如果自然不是美丽的,就不值得科学家去研究。”庞加莱当初说这句话想要表达的意思是:自然是美丽的,隐藏在大自然背后的自然规律必定也是美丽的,如果自然法则太丑陋,最终必然会被抛弃。著名物理学家理查德·费曼更是简短直白地表示:大自然的真理必定是美丽与简单的,而物理方程更像是大自然的诗,简短而优美。

今天,物理学家面临的难题是,量子力学的标准模型已经走到极限了吗?它是大自然的最终理论吗?关于这个问题,大多数物理学家都持谨慎的态度。尽管杨-米尔斯场已经使标准模型成为了一种关于所有物质的无所不包的理论,而且人们是如此相信这个理论,甚至可以毫不夸张地说,标准模型是科学史上最成功的理论。因为到目前为止,还没有任何实验结果是与标准模型像矛盾的!

但是,正如上文所说,大多数物理学家、甚至连量子理论最狂热的拥护者都不认为它是物质的最终理论,这是为什么呢?关于标准模型的细节,文中不多做赘述,因为它实际上是相当枯燥的,对于普通人来说也没那么重要。我们只需要理解一点,标准模型的根本是以对称性为基础,对物质进行研究。在标准模型中存在三种相互作用:强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用,分别描述了强核力、弱核力和电磁力。在这三种相互作用中,我们都可以看到明白无误的对称性。

对称性在大自然中很常见,比如说雪花、海星、花朵等等,你将它们旋转60度,它们仍然会保持原样,物理学家称这为“时空对称性”。在标准模型中,三种相互作用都有非常简单而优雅的对称性,强核力具有SU(3)对称性;弱核力具有SU(2)对称性;电磁力具有U(1)对称性。然而,标准模型最具争议的一个方面是——它简单地将三种相互作用理论捆绑起来,拼凑成一种大的对称性理论,从而将三种基本力统一了起来。

这就是标准模型的形成方式,形成后的对称性是SU(3)*SU(2)*U(1),它实际上是三种力的对称性之积。理想上,物理学家们希望它能成为“终极理论”,可以使所有粒子都处在一个单一的多重态中。但不幸的是,因为三种对称性是被强制捆绑在一起的,所以标准模型有3种不同的多重态,并且彼此不能旋转对称。因此,很多人认为这种强制捆绑是粗鲁的,就犹如将骡子、大象和鲸鱼关在一个笼子里,是如此的勉强和不自然。

举例来说,当我们列出标准模型中的各种粒子和作用力,就会看出这个理论有多不自然:1、有36个夸克,分为“3色”和“6味”,分别与和它们配对的反物质描述了强相互作用;2、由8个杨-米尔斯场描述将夸克结合在一起的胶子;3、由4个杨-米尔斯场描述弱核力与电磁力;4、由6种轻子描述弱相互作用;5、大量神秘的希格斯粒子和描述希格斯粒子的常数;6至少有19个描述粒子质量和各种相互作用强度的任意常数,这些常数必须人为定义,非任何理论决定。

由此可见,尽管标准模型看起来是无比正确的,但是它实在太丑陋了。作为对比,爱因斯坦的方程无疑是极其美丽的,因为它拥有两个基本特点:1、一个统一的对称性(都是从第一原理推导出来);2、具有最经济、最简单的数学表达式,却具有解释大量实验数据的能力。如果将爱因斯坦的方程全部写出来,长度仅约2.5厘米;而要将标准模型的全部公式写出来,则需要大半张A4纸,而且它们看上去就是一大堆复杂符号的集合,让人头疼!

另外,标准模型并不描述引力,而引力又是描述宇宙运行不可缺少的一种力,所以标准模型必然是不完整的。因此,大多数物理学家现在相信,既然大自然在创生时就喜欢简单经济、优雅美丽,那么能够准确描述大自然的终极物理理论也必然是简单而美丽的,量子力学标准模型最终必定会被超越,这只是时间问题。而终极理论一定是能够完美融合全部四种基本力的新理论。

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