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让晚年的爱因斯坦魂牵梦绕的大统一理论究竟是什么？距离其第一个理论模型诞生已过去四十年，为何科学界至今都找不到直接证据来支持它？ 20年来，日本的物理学家始终在监测着安放于一座废弃砷矿深处的一个巨型水箱。为什么他们要这么做？这个水箱有13层楼高，里面装满高纯度水。科学家希望能够观测到水中的质子发生自然衰变。在此期间，他们在这个庞大的水箱中有了另外的发现（与一种名为中微子的粒子相关），并因此荣获诺贝尔奖。不过，该团队对质子衰变的观测仍在继续——这种物理现象将确认，在宇宙诞生之初，大自然四种“基本力”中有三种是从同一种力分离出去的。 “到目前为止，我们还没能找到质子衰变的证据，”东京大学的科学家三浦诚（Makoto Miura）说道，他是超级神冈探测器（Super-Kamiokande）实验质子衰变观测团队的负责人。 不同的大统一理论（GUT）认为强相互作用力、弱相互作用力和电磁力是统一的，这些理论对质子衰变的时间做出了一系列不同的预测。超级神冈探测器的最新分析数据表明，这种亚原子粒子的平均寿命至少能达到1.6x10 34年，比该团队在2012年测定的1.3x10 34年更长。这项研究的论文于10月发布，并正在接受《物理学评论D辑》（Physical Review D）的发表审议，其结论排除了一系列理论预测的质子寿命，令四十多年来科学界孜孜不倦追求的大统一假说变得更加飘渺。“到目前为止，我们能够验证这种理论的最可能方式就是观测到质子衰变，”来自特拉华大学的物理学家斯蒂芬·巴尔（Stephen Barr）说道。 如果观测不到质子衰变，就只有一些间接证据表明支配基本粒子的各种力是从单一的“大统一”力分离出来的：当被赋予更高的能量时，这三种力的相互作用强度似乎会趋向一致；而且，它们的数学结构表明，这三种力被包含在一个更大的整体当中——就好像地球如今的大陆板块表明，它们都是从远古的盘古大陆分离出来的。 “这么多的片断都能完美契合，”巴尔说，“大多数人觉得，这不可能是巧合。” 如果这三种力在宇宙诞生之初的亿兆分之一秒的确是同一种力，那么如今对这些力有着不同反应的粒子将该是对称且可互换的，就像水晶的晶面。随着宇宙冷却下来，那些对称性遭到了破坏，犹如水晶破碎，然后才出现了我们在如今宇宙中所观测到的不同粒子和复杂性。 在过去的40年中，物理学家已经提出了多种大统一理论模型，对粒子可能的初始对称状态进行了描述。如果能找到正确的模型，我们将不仅能够揭示大自然规律的基本数学结构（以及它们如何跟第四种力——引力——对上号），而且可能发现已知粒子之外的其他粒子。这反过来有可能为我们解答物理学的其他深奥秘密，比如宇宙物质和反物质之间的不平衡以及中微子无法解释的质量。“毫无疑问，我们的梦想是建立一套统领一切的理论，”来自美国德州农工大学的物理学家迪米特里·南奥普洛斯（Dimitri Nanopoulos）如是说，正是他创造了“大统一理论”这个术语。 直接用实验复制两种力的合一，那将需要大到不可想象的能量。不过，大统一力应该会在今天的宇宙中留下微妙的痕迹。所有的大统一理论模型都断定，夸克（它是构成质子和中子的基本单元）最初跟轻子（包括电子在内的一类基本粒子）是无法区分的。由于量子的不确定性，跟这种基本对称相关的大统一力应该会偶尔重新浮现，自动将一个夸克（或反夸克）转变为相应的轻子（或反轻子）。当这种情况发生在质子内部的一个夸克身上时，这个质子会瞬间瓦解，并在此过程中释放出可被检测到的辐射。这正是超级神冈探测器实验的物理学家一直在翘首等待现象。 大统一的梦想始于1974年，当时谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年获得诺贝尔奖，现任职于波士顿大学）和哈沃德·乔吉（Howard Georgi，现任职于哈佛大学）发现，数学的对称群 SU(3)、SU(2)和U(1)——它们分别对应于强相互作用力、弱相互作用力和电磁力，加在一起共同构成了粒子物理学的“标准模型”——可以被纳入一个单一的更大对称群，把所有已知粒子都囊括在内，即SU(5)。 “我们认为它美到了极致，”格拉肖回忆道。 然而，作为第一个和最简单的大统一理论模型，SU(5)模型所预测的质子寿命已经被证伪——其他模型最初做出的众多预测也没有逃脱相同的命运。现在，超级神冈探测器正在验证数个流行模型所做的预测，但按照过去20年的经验来看，这项工作取得大突破已变得很难。“现在要实现大的进步比以前难多了，因为它累积了如此多的数据，”来自波士顿大学的物理学家艾德·卡恩斯（Ed Kearns）如是说，他从一开始就参与了超级神冈探测器实验。 这让大统一理论的命运充满了不确定性。仍然未被证伪的“翻转SU(5)”大统一理论模型的提出者之一巴尔把这种情形比作一个人等待配偶回家，“如果对方晚了10分钟，你可以为此找到一种简单的解释。晚了1小时，也许那些解释就变得有点不太可信。如果对方晚了8小时……你会开始担心另一半没准已经没命了。所以，这里的关键是，你在什么时候判定自己的理论没戏了？” 他说，眼下，“我们所处的阶段更多的类似于对方晚了10分钟，或者晚了1小时，大统一理论仍然完全有可能是正确的。” 如果大统一理论确实是正确的，那就意味着，宇宙诞生之初存在那种基本对称，之后因为温度下降而遭到破坏——这就像是水，它呈液态时在每个方向上看起来都一样，而在冻结成冰之后就拥有了不同的方向。 对称性是指系统发生改变前后的状态是等价的。比如，把一个正方形旋转90度，它看起来跟原来一模一样。要让一个矩形对象呈现出这种旋转对称性，它必须拥有4个相同的边。同样，如果大自然的规律中存在一定的对称性，那么它必须要依靠一组对称的粒子来实现。 位于日本神冈县的超级神冈探测器，这是它在2006年重新注水时拍摄的照片。 就拿SU(3)来说，这个对称群对应的是强相互作用力（正是它让夸克结合成了质子和其他复合粒子）。该对称群中包含了这样的规则：三种电荷不同（通常标记成红色、蓝色和绿色）的“上夸克”（它是六种夸克类型中的一种）都是可以互换的。也就是说，如果你把全宇宙中的所有红色上夸克换成蓝色，把所有蓝色上夸克换成绿色，把所有绿色上夸克换成红色，这种变化是不会被察觉到的。“下夸克”和其他类型的所有夸克也都具有这种三重态对称性，就好像一个等边三角形的三条边。胶子是在两个夸克之间传递强相互作用力的基本粒子（它有八种类型），我们可以把它想象成三角形的转子。 与此同时，SU(2)对称群对应的是弱相互作用力（很多放射性衰变就是由它引起的）。该对称群中包含了，比如说，上夸克和下夸克之间的对称性。如果把描述弱相互作用力的方程式中的所有上夸克和下夸克进行互换，“你也永远不会察觉，”南奥普洛斯说道。 像SU(5)那样的大统一理论模型，它包含了SU(3)、SU(2)和U(1)的所有对称性，并加入了新的对称性。例如，SU(5)把夸克和反夸克跟轻子和反轻子组合成了“五重态”，就像是正五边形无法区分的五条边。在这个更大的数学结构中，传递强相互作用力、弱相互作用力和电磁力的基本粒子是等价的；它们共有12种类型，自然而然，另有对应的12种基本粒子负责传递单一的“大统一”力。 当他们提出SU(5)模型时，格拉肖和乔吉立刻意识到，SU(5)结构中那额外的12种载力子（force carrier）会引起质子衰变。当SU(5)的大统一力突然变成我们如今所见的三种力时，12种原始的载力子就变成了它们当前的样子，而另外12种载力子并没有消失，只是变得极其沉重和无力。这些幽灵般的载力子会偶尔出现，把一个夸克改换成一个轻子。乔吉和其他科学家计算得出，如果SU(5)模型是正确的，那么质子（由三个夸克构成）平均会在10 29年内发生衰变。 上世纪80年代，美国俄亥俄州的Irvine-Michigan-Brookhaven（IMB）探测器实验和神冈探测器实验（它是超级神冈探测器的前辈）均证伪了这一预测。物理学家找到了一些回旋余地，提出了比原来长出100多倍的新时间预测，但这还不够。在于1996年正式启动的几年之后，超级神冈探测器实验明确排除了SU(5)的可能性。“大家都很沮丧，”巴尔回忆道。 自那以后，随着科学研究的深入，情况反而变得更加模糊不清。SU(5)模型已经尽可能简单，但研究人员发现了一系列其他让现有粒子可以嵌入其中的对称群，它们的额外功能和变量允许质子衰变以慢得多的速度进行。这些模型中有几个增加了一种额外的对称性，即“超对称”（supersymmetry），它让粒子的数量增加了一倍。其他模型，诸如翻转SU(5)，对SU(5)五重态中的夸克和反夸克如何跟轻子和反轻子搭配进行了重排，并在此过程中增加了一种额外的对称性。
大统一理论的发展 标准模型的粒子和各种力可以被嵌入越来越大的对称群中，这对应的就是大统一理论越来越高的复杂性。以下图表通过Elementary Particle Explorer制作，它们是一些大统一理论的二维投影。我们可以看到，粒子依据自己的电荷沿着灰色轴线排布。载力子（玻色子）通过圆形和正方形标示，构成质量的粒子（费米子）则用其他多边形标示。 超级神冈探测器的最新研究成果将质子寿命的下限设定在略高于1034 年，从而印证了很多大统一理论模型预言的区间——其中包括翻转SU(5)，它预言的质子衰变期在1034至1036年之间。“我对此感到非常兴奋，”南奥普洛斯说道，他是在上世纪80年代提出翻转SU(5)模型的研究人员之一。 不过，尽管超级神冈探测器有可能在未来几年挖到金矿，对这些模型当中的一个加以验证，但也有可能即便再运行20年也只是将质子寿命的下限稍微上调一些罢了，而无法明确排除任何模型。 日本正在考虑斥资10亿美元建造名为究极神冈（Hyper-Kamiokande）的新探测器，它的体积将比超级神冈大出8-17倍。在运行20年后，究极神冈探测器将能探测到1035年的质子衰变。它有可能观测到衰变的微妙迹象，或者，什么也观测不到。“我们可能运气不佳，”巴尔说，“或许我们建造出了有史以来最大的探测器，而质子衰变的速度却刚好比它的探测极限慢了一点，那我们就不走运了。” 不管探测器造得有多大，物理学家总是可以提出更加复杂的大统一理论模型来规避实验验证——就比如E6或E8那样的对称群，它们拥有丰富的参数可供调节，让质子可以拥有任意长的寿命。这些模型中可能有一个是正确的，但没有人会知道答案。“人们可以构建出具有更高对称性的模型，倒置过来，试图避开质子衰变，”南奥普洛斯说，“好吧，你可以这样做，但是……总不能就这么交差吧。” 比如，在SU(5)模型被排除之后，格拉肖在很大程度上已经失去了对整件事情的兴趣。“观测质子衰变一直没有成功，”他说，“那么多伟大的想法夭折了。” 大统一理论并没有完全宣告破产，我们找到的旁证跟以往一样引人注目。但是，这种理论可能会继续停留在永恒的不确定状态，就像永远不确定是否会衰变的质子。 |
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