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轴子和质子衰变,这两个物理理论等待被唤醒

时间: 2019年05月10日 | 作者: Frank Wilczek | 来源: 环球注册新宝GG(huanqiukexue.com)

第五回 | 两大物理理论


撰文 | 弗兰克 · 维尔切克(Frank Wilczek)

翻译 | 胡风梁丁当


“人生朝露,艺术千秋。” 每当我读到有关实验物理学家为理论物理学家(比如我)的美妙猜想寻求证据却一无所获的报道,都不禁会想起希波克拉底的这句格言。和艺术一样,注册新宝GG之路也是无比漫长。


在那些令人沮丧的时刻,我常常用历史来激励自己:就像水在沸腾前要经过一番熬煮,注册新宝GG研究在成功之前也要经历长久的酝酿。


爱因斯坦1916年预言的引力波(广义相对论的直接结果),直到100年后的2016年,才首次被实验探测到。希格斯玻色子这种亚原子粒子要幸运一些,从预言到发现则“仅仅”间隔50年。20世纪60年代初,理论物理学家提出:如果有某种看不见的粒子充满整个空间,构成了一种均匀的物质(希格斯场),我们就可以更一致、更漂亮地描述已知的基本粒子。可是直到2012年,注册新宝GG家才成功敲碎希格斯场并确认希格斯玻色子的存在。


又比如给我们带来了关于大爆炸的丰富信息的宇宙微波背景辐射。早在1948年,注册新宝GG家就提出了一个理论:早期宇宙的光子在宇宙膨胀过程中冷却,会形成充满现在宇宙空间的微波辐射。虽然研究者很早就探测到了微波背景辐射,但他们看到的只是茫茫一片,没什么特征结构。一直等到1992年,注册新宝GG家才初次观察到宇宙初生时留在微波背景辐射上的印迹。


在所有这些注册新宝GG探索的背后,是无数实验注册新宝GG家长年的默默耕耘。我们常常会收到一些所谓的“进展报告”,内容其实是没什么进展。当有了一个完美的结局时,回头去看或许觉得这是理所当然,可在此之前,它看上去是那么不可能。很多人都在这个过程中丧失了希望。


那么今天的物理学中还有哪些“沉睡者”在等待着被唤醒呢? 我有以下的猜测与期盼。


质子衰变算一个。为了理解为什么存在如此多的基本粒子,我们假设存在这样一种物理过程,它可以使一个基本粒子转变成另外一个,特别是可以让构成质子的夸克变成质量更轻的粒子,从而使质子变得不稳定。让人沮丧的是,尽管研究者在20世纪70年代就开始通过实验寻找这种质子衰变现象,却至今一无所获。不过,有些颇为诱人的理论暗示,质子衰变的发现应该为期不远了,只待更灵敏的探测器问世。


另外一个让我一直念念不忘的沉睡者,是一种被称为轴子的粒子(参见2月刊《轴子:暗物质新可能》)。我们需要轴子来解释自然基本定律的一种神奇的、仿佛上天恩赐的特性,即时间的可逆性。现实生活当然并非如此,如果你倒着放一部电影,它看上去可就全然不对了。 


1977年,我和史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)各自独立地在海伦·奎因(Helen Quinn )和罗伯托·佩切伊(Roberto Peccei)的工作基础上提出了轴子假说。那时我用了一种洗涤剂的名字来称呼轴子,因为它可以“洗涤”我们对时间可逆性的认知。当时我很乐观,以为几个月内轴子就能被发现。那是我职业生涯中最兴奋的一段时期。世界各地的很多实验物理学家都在争相寻找轴子。可是,唉,他们啥都没发现。


但轴子理论的一个更为通用的版本已经获得了广泛支持,尤其是因为它为宇宙学家所谓的“暗物质”提供了一个优美的解决方案。暗物质是一种幽灵般的物质,根据其引力作用,我们可以判断它们占了宇宙物质总量的很大一部分。轴子正好具有担任这种神秘物质的合适属性。于是,当新一代实验物理学家开始打造观测这种粒子所需要的设备的时候,轴子理论又重新变得让人兴奋了。


追寻问题答案的过程是如此漫长,让人不由得对伍迪·艾伦的电影《沉睡者》的主人公心生妒意:一个沉睡多年的人刚睁开眼就看到了未来。可是,一部好的悬疑小说,如果直接翻到结局,未免太索然无味。漫长的期盼,会让最后的成果更加美味。