第15章 万有理论

我真正感兴趣的是，上帝能否以另一种方式创造世界。换句话说，逻辑上的简单性是不是只能带来这一种结果。

——阿尔伯特·爱因斯坦

寻找终极理论

人择原理的构想取决于这样一种假设，即自然常数可以因地而异。但是事实真的如此吗？这个问题关乎自然的基本理论：它是只会产生一组独一无二的常数，还是存在宽泛的可能性呢？

我们不知道基本理论是什么样的，也不确定它是否真实存在，但是对终极的统一理论的追求激发了当下的许多粒子物理学研究。研究者希望，在粒子的多元性与四个基本相互作用的差异背后，存在一个能决定所有基本现象的单一的数学定律，所有的粒子性质，以及万有引力定律、电磁力、强相互作用和弱相互作用都将遵循这一定律，就像所有的几何定理都遵循欧几里得几何的五条公设一样。

物理学家们希望终极理论对粒子性质的解释能像量子力学对元素化学性质的解释一样完善。在20世纪早期，原子被认为是物质的基本组分，每一种原子都代表一个化学元素。关于这些元素的性质以及它们之间的相互作用，化学家们已经积累了大量的数据。当时已知的元素有92种，你可能会觉得，对于“基本组分”这一概念来说，这个数量有点儿多。值得庆幸的是，俄国化学家德米特里·门捷列夫在19世纪末揭示了这堆数据中的一些规律，他按照原子量顺序将这些元素排列在一张表中，同时注意到具有相似化学性质的元素在整张表中以特定的周期出现。然而，没人能解释为什么这些元素遵循这样的周期性。

到1911年，人们已经清楚认识到原子并不是最基本的组分，欧内斯特·卢瑟福证明了原子由一个又小又重的原子核和一群围绕着原子核运行的电子组成。到了20世纪20年代，随着量子力学的发展，人们对原子结构有了定量的认识。大致上，围绕着原子核的电子轨道形成了一系列同心壳层，每一层只能容纳一定数量的电子，当电子增多时，壳层会被逐渐填满，而一个原子的化学性质主要取决于最外层电子的数量。当电子开始往新的壳层中填充时，新的元素又会出现与前一层元素类似的性质。这就解释了门捷列夫发现的周期性。

在短短的几年中，物质的基本结构似乎已经被研究透彻。量子力学的奠基人之一保罗·狄拉克在他1929年的论文中宣称：“我们完全掌握了大部分物理学与整个化学的数学理论背后的基本物理定律。”但是随后，新的“基本”粒子开始一个接一个地冒出来。

首先，物理学家发现原子核是个复合体，由在强核力作用下结合在一起的质子与中子组成。然后正电子被发现，接着是μ子。当质子在粒子加速器中相撞时，又出现了一些新的短寿命粒子，当然这并不意味着质子一定是由这些粒子组成的。如果你把两台电视机撞在一起，飞出来的碎片当然会是电视机零件，但是在质子对撞的情况下，一些新产生的粒子会比质子本身更重，而多出来的质量就来自质子运动的动能。因此，这些对撞实验并没有揭示质子的内部结构，反而扩充了粒子种类的队伍。到20世纪50年代末，被发现的粒子数量甚至超过了已知的化学元素的数量。粒子物理学家的先驱之一恩里科·费米说，如果他能记住所有这些粒子的名字，他就能当植物学家了。 20世纪60年代，加州理工学院的默里·盖尔曼和请假完成物理学博士学位的以色列军官尤瓦尔·内埃曼各自独立地做出了突破，为这群任性混乱的粒子带来了秩序。他们注意到，所有的强相互作用粒子（即强子）都具有某种对称模式。盖尔曼和欧洲核子研究组织的乔治·茨威格（George Zweig）随后各自独立地表明，如果所有这些粒子都是由更基本的“砖石”，即盖尔曼所说的夸克构筑而成，就恰好可以解释这种对称模式。这减少了基本粒子的数量，但减少得不多：夸克被分为3种“色”和6种“味”，也就是有18种不同的夸克，它们还有各自对应的反夸克。盖尔曼因揭示强子的对称性而荣获1969年的诺贝尔物理学奖。

与此同时，物理学家在弱相互作用与电磁相互作用的粒子中也发现了某种类似的对称性。这就是弱电理论，由哈佛大学物理学家谢尔登·格拉肖、史蒂文·温伯格以及巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆提出，他们也因此共同获得了1979年的诺贝尔物理学奖。依据对称性对粒子进行分类，就类似于化学中的元素周期表。除此之外，物理学家还发现了分别传递三种基本相互作用的“媒介”粒子，即传递电磁力的光子、传递弱相互作用的W粒子和Z粒子，以及传递强相互作用的8种胶子。所有这些都为粒子物理的标准模型打下了基础。

标准模型完成于20世纪70年代，该理论给出了一个精确的数学方案，能够确定任何已知粒子相互遭遇后的结果，并且已经在无数的加速器实验中得到了验证，到目前为止，它得到了所有实验数据的支持。标准模型还预测了W粒子、Z粒子以及另外一种夸克的存在及其性质，所有这些粒子后来都被发现了。综上所述，这是一个极其成功的理论。

然而，标准模型显然过于繁复，无法作为终极的自然理论。该模型包含60多种基本粒子，与门捷列夫的元素周期表相比，在基本单元的数量上并没有很大进