探寻终极理论:1960年代的方法能否统一引力与物理学的其他部分?

为了统一自然界的四种力,物理学家们正在转向李群,这种方法在2007年被一位冲浪者般的理论家重新提出而闻名

将时间倒退半个世纪可能是解决科学界最大难题之一的关键:如何将引力和粒子物理学结合起来。至少这是倡导回归基础方法的研究人员在寻求物理学统一理论时的希望。

七月,数学家和物理学家在加拿大艾伯塔省的班夫国际研究站会面,讨论回归粒子物理学的黄金时代。他们回顾了20世纪60年代,当时物理学家默里·盖尔曼意识到,基本粒子可以根据其质量、电荷和其他属性进行分组,形成与被称为李(“lee”)群的复杂对称数学结构相匹配的模式。当盖尔曼将已知粒子映射到李群SU(3)时,这种对应关系的力量得到了巩固,暴露出一个空位,表明必须存在一种新的粒子,即即将被发现的“奥米茄负粒子”。

在接下来的几十年里,该策略帮助科学家们发展了粒子物理学的标准模型,该模型结合了三个李群,将所有已知的基本粒子和三种基本力编织在一起:电磁力;将原子核结合在一起的强力;以及控制放射性的弱力。似乎物理学家找到一个可以容纳一切(包括引力)的包罗万象的李群只是时间问题。但是,意大利的里雅斯特国际高级研究学院的物理学家罗伯托·佩尔卡奇说,这些尝试失败了,因为它们预测了自然界中尚未观察到的现象,例如质子的衰变。


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这种方法在20世纪80年代失宠,因为其他候选统一思想,如弦理论,变得更受欢迎。但是,受历史启发,佩尔卡奇与意大利费拉拉大学的法布里齐奥·内斯蒂合作开发了一个模型,并在会议上进行了展示。在该模型中,引力被包含在一个名为SO(11,3)的大型李群中,与电子、夸克、中微子及其表亲(统称为费米子)并列。尽管该模型尚不能解释光子或其他传递力的粒子的行为,但佩尔卡奇认为这是一个重要的第一步。

佩尔卡奇工作的一位支持者是A. 加雷特·利西,一位拥有加州大学圣地亚哥分校物理学博士学位的独立研究员。利西在2007年因其将“万物理论”嵌入最复杂和优雅的李群E8的尝试而登上头条新闻。利西说,佩尔卡奇的工作“为引力和标准模型提供了一个很好的统一”。

耶鲁大学E8专家格雷格·J·扎克曼说,利西的想法重新唤起了数学家们对这种物理学历史方法的兴趣,这促成了班夫会议的召开。他补充说,利西的尝试“代表了一种更普遍的理想,即回归李群作为统一引力与标准模型的一种方式”。

其他人正在以不同的方式推进这一理想。俄勒冈州立大学的数学家泰维安·德雷和物理学家科琳·马诺格并没有将李群视为可以容纳力和粒子的盒子,而是将它们拆开,并检查它们的数学构建块之一——一个名为八元数的八维数字系统。(日常实数是一维的,而具有实部和虚部的复数是二维的。)

德雷观察到,许多数学家回避八元数,因为它们不遵守代数的所有标准定律,因此执行数学运算的顺序可能会给出不同的答案。德雷和马诺格已经将这种看似令人不快的非对称性转化为他们的优势,以描述某些粒子的偏向特性。例如,八元数自然地再现了中微子令人费解的“左手性”——即,它们的内在量子“自旋”始终相对于它们的运动朝向一个方向。

德雷解释说,八元数似乎也是为在十维空间中进行计算量身定制的,这使得它们可能对弦理论家有用,弦理论家认为我们的宇宙包含六个额外的紧致维度。弦理论家一直未能确定一种独特的机制来描述这些额外维度如何坍缩,但德雷和马诺格发现,选择一个特定的八元数来集中研究可以简单而自动地完成这一壮举。

德雷说,“我们开始瞥见最终理论必须具备的特性”,他强调,要获得一个完全可用的八元数模型,还有很多工作要做。他补充说,令人鼓舞的是,许多研究人员使用不同的方法,得到了诱人的暗示,表明李群是正确的道路。这些暗示足够强烈,足以激励数学家,如马里兰大学的杰弗里·亚当斯,将他们的专业知识借给追求李群方法的物理学家。“如果没有类似的东西奏效,我会很失望,”亚当斯说。

并非所有人都抱有这种乐观态度。埃默里大学的数学家斯基普·加里波第说,E8启发的怀旧情绪是被误导的。加里波第与德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家雅克·迪斯特勒合作,表明利西的理论预测了不需要的粒子的存在,这些粒子的相互作用是常规费米子的镜像。加里波第认为,这些粒子很可能已经对已知粒子产生了显着影响。“在不预测几乎已被实验排除的东西的情况下,不可能将引力塞进E8,”他说。

利西在六月份将他的理论的最新版本发布在互联网上,并在会议上进行了展示,他承认镜像费米子是一个问题,但他补充说,E8理论仍在进展中,如果镜像费米子比通常认为的更重,它们可能已经逃过了人们的注意。他说,它们甚至可能出现在大型强子对撞机中。

扎克曼评论说,现在判断回归基础的计划最终是否会取得成果还为时过早。但他无疑代表许多人说,“我可以告诉你,这些文献对我来说非常令人兴奋。”

Zeeya Merali是一位居住在伦敦的自由撰稿人,也是《小房间里的大爆炸》(Basic Books,2017年)的作者。

更多作者:Zeeya Merali
大众科学杂志第303卷第3期本文最初以“探寻终极理论:1960年代的方法能否统一引力与物理学的其他部分?”为题发表于大众科学杂志 第303卷第3期 ()
doi:10.1038/scientificamerican092010-5TyB20TTL7CschNyetSN87
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