[2012.07.19] 专访：布莱恩格林

2012-7-25 11:55| 发布者: migmig| 查看: 8185| 评论: 6|原作者: nayilus

摘要: 希格斯之后的生活

专访：布莱恩·格林

希格斯之后的生活

Jul 19th 2012, 9:06 by R.A. | LOS ANGELES

现在的物理界可不平静。7月4日在欧洲主要粒子物理实验室——欧洲核子研究组织（CERN）的研究人员宣布他们发现了一种新粒子。该发现被认为是一直以来飘渺不定的希格斯波色子。在标准模型理论里，希格斯粒子扮演着定海神针的作用，负责赋予所有粒子质量。而标准模型理论又是物理学家解释除引力之外宇宙中所有其它因素的现有最好理论。于是该结果公布在物理界触发了一个非常罕见的事件，甚至比发现新粒子还要罕见——那就是铺天盖地的媒体狂热。全世界各地的学生和科学爱好者纷纷驾临CERN。有一些人不惜在讲堂外扎营过夜，只为抢到座位听听已经重复上了几十年的讲座。社交网站上充斥了各种流言，解释希格斯粒子古怪物理学性质的病毒视频疯狂地到处传播。

这场盛况在法比奥拉·吉亚诺蒂（Fabiola Gianotti）的讲话后达到了高潮。她是“超导环场探测器”（ATLAS）实验——两个发表结果的实验之一（另一个是紧凑μ子线圈实验，简称CMS）——的负责人。面对一群屏息静气的观众，她宣布ATLAS所发现的粒子符合希格斯粒子的特性，而实验结果是测量误差导致的可能性仅有300万分之一。这意味着ALTLAS通过了物理学家严格的标准，其结果够资格被冠以新发现的头衔。

在场的观众欢声雀跃，盛着香槟的杯子碰撞声不绝于耳。1964年最先构想出这种粒子（还有其他5位物理学家独立提出了这种构想）的理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）现在已是83岁高龄。在逐渐品味这一历史时刻的意味时老人的眼眶湿润了。在以接近光速的速度下沿着CERN的大型重子对撞机（LHC）相向飞奔的质子之间产生了数百万亿次的碰撞，在这些碰撞中记录下来的大批数据里，自然的基本组成放出璀璨的光芒。人类又一次剥开了现实世界的一层表衣。

但是天下无不散之筵席。在发现宣布之后的一周里，一种狂欢后的宿醉感开始出现。有人担心希格斯粒子的发现标志着实验高能物理学时代的终结。LHC建立的初衷就是为了找到希格斯粒子。如果新粒子最终证明确实是一种波色子（现在已经有各种迹象表明它很有可能是），那么世界最大最贵的实验下一步要做什么呢？它是否已渡过了自己的光辉岁月？

影响深远、定义一个时代的发现一般都会给下一代的科学家和科学仪器提供新的命题以供研究。但如果CERN惊鸿一瞥的粒子确实是标准模型希格斯子的话，这一发现并没有类似的效应。它的发现仅仅肯定了关于现实世界的一些现存假设。它会支持，而不是改变现有的研究趋势。正如《大西洋月刊》的阿莱克西斯·马德理格（Alexis Madrigal）所说：“发现希格斯子是物理学的一场胜利，但这一天对于物理学家来说是一个伤心日。”

要想更清楚地理解物理学和其招牌仪器将会何去何从，我们采访了哥伦比亚大学的理论物理学家布莱恩·格林（Brian Greene）。他曾写过几本有关理论物理学的科普读物，大受好评。同时这些书也让他成为了向公众传播弦理论的一位大使。弦理论是一种奇异而且尚具有争议性的理论，它试图将整个物理学在一个数学框架中统一起来。

人们常说LHC是历史上最大、最昂贵的科学实验。它曾被拿来和人类登月加以比较。这个实验是否结束了？

我希望它不会结束。建造这架机器背后的一个主要动力在于寻找希格斯子。但值得强调的是，虽然我们现在知道一种新的粒子已经被发现，而且其特性非常接近希格斯子，要想确定它到底是不是我们已经找了48年的粒子还需要花一些功夫。这也有可能是一种看上去好像希格斯子，但实际却是带有我们所没有预料到的有趣特性的粒子。

除了希格斯子，我们也希望能找到称之为“超对称”现象的证据。只有通过可能会在LHC中出现的一些目前还未发现的粒子，我们才能找到这类证据。LHC也有可能产生微观黑洞，这样一来就能可能找到支持像是弦理论那样较奇异的物理理论的证据。根据弦理论，自然的基本组成实际上是非常小尺度的振动弦或是膜。不同的振动模式对应于不同的粒子。如果运气好的话，我们也许能找到弦理论所预测的额外空间维度证据。

上周斯蒂芬·沃尔夫兰姆（Stephen Wolfram）写道希格斯子的发现让他很失望。更确切地说，这位英国物理学家说过希格斯子理论“感觉上很粗制滥造”，他一直希望能有更为优美的方式来解释粒子质量这样基本的问题。你是否也有这样的感觉？

从一定程度上来说，是得。找到你或是你的理论所预期的东西是很让人激动的。但是找到事先完全没有预料、迫使你重新思考物理学基础的现象更要振奋人心。可以确定已经存在40多年的理论，这让我非常激动，但我也还是希望在接下来几个月，或是几年内LHC能发现大大出乎人们意料，震惊世界的发现。如果这能发生那真是皆大欢喜了。

理论宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）描述了LHC可能遇到的一种堪比噩梦的情况——物理学家只发现了标准模型希格斯子，其它什么都没发现。有没有什么迹象表示这样的可怕情况能够被避免？

现在还太早，无法确定。但如果别的什么都没发现确实会是一场噩梦。那将意味着我们对于如何更进一步理解世界将毫无头绪。想象一下，我们去筹资机构报告说：“看看，我们现在发现了我们要找的东西，但别的什么都没找到，所以我们需要更复杂、更昂贵的机器来产生更多线索。”我们很难用这样的论据来辩护，我们希望找到的线索可能永远不会现身。稍微容易一点的说法是：“我们发现了这个令人震惊的异常现象，我们需要新的实验来更进一步探索这一结果。”

我们怎么知道宇宙不止于标准模型理论的描述？

首先，标准模型理论无法解释引力这种无处不在的现实特质。我们有阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论这一独立理论来解释引力。但是几十年来人们一直致力于将相对论和标准模型理论结合成一个统一的理论。这被证明是极困难的，正是因为这样才导致了一些更奇异的理论产生，例如弦理论。

另外一个原因在于标准模型理论本身。该理论拥有一系列参数，决定了某些粒子的质量，以及某些力的大小。在这个模型中必须代入20多个固定数值，整个理论才能运作，这不禁让人感觉整套理论非常机械。我们都觉得这些参数为什么一定要取到特定值背后一定有更深层的解释。标准模型理论无法解释这一点。

超对称粒子的发现对物理学来说会意味着什么？

超对称理论认为每种已知粒子都有一个伙伴粒子。例如，电子可以和超对称理论下的“超电子”对应，而夸克则有“超夸克”与其对应，等等。如果超对称是正确的，那就存在大量LHC也许可以生成的“超粒子”。这么多粒子种类是为了统一我们对自然的理解，现在自然事物可以分为两个不同的类别：自然力和这些力作用的物质。超对称理论提出力和物质是一体两面，每种物质粒子都有对应的力粒子，反之亦然，从而把两者结合成一类。但这个理论要成立，超粒子必须存在。到目前为止，人类还未观测到任何超粒子。一旦找到超粒子，那就是一件超大的喜事。自然的基础构成将会完全的数学化，这种优美几乎超乎常理。我们将会再次证明人类的心智可以理解这种万物本质的数学。这将会和广义相对论对引力的洞察相提并论。

LHC怎么无中生有，制造出粒子？

人们对LHC内部的构造经常有错误印象，我和很多人一样，对传播这些错误印象负有责任。LHC并不会把粒子砸在一起，粉碎它们，从而看到其内部构造。真相是LHC让粒子在极高能量下相撞。根据爱因斯坦的著名方程，E＝mc[sup]2[/sup]，质量和能量是同一事物，碰撞的总能量因此被转换成质量，换句话说，被转换成了比相撞质子中任何一个质量都大的粒子。碰撞的能量越高，产生的粒子也就越重。我们已知如果超对称粒子存在，它们一定非常重，不然的话现在我们应该已经发现它们了。不过即使LHC无法发现它们，这并不代表它们不存在。我们可能只是需要更强大的机器。

在希格斯粒子宣布之后，你在微博里提到对你来说梦寐以求的一项LHC发现是关于额外空间维度的证据。这类证据看上去会是怎么样的？

从我还是研究生开始（现在想想已是整整26年前的事了），我的研究一直集中在空间的三个维度——高度、宽度和深度——之外可能存在其它维度。这些维度也许蜷缩成非常小的尺度。它们会一直存在于我们周围，但是因为尺度过小而无法以肉眼观测。这一概念是弦理论的一个直接结果。如果这些额外维度很小，但又不至于太小，那么LHC碰撞的一部份能量就有可能会形成飘流于正常三维空间之外、陷入微小蜷缩维度之内的粒子。

如果我们把碰撞产生的所有粒子的总能量相加，再将其和碰撞前的质子的已知能量比较，我们会发现一部分能量消失了。这是消失的能量可能误入无形维度的间接证据。对于像我这样把专业生涯的黄金时期都花在分析、思考和用数学模拟额外维度的人士来说，任何证据，不管多么不起眼，都是让人兴奋不已的。

你写过很多关于多元宇宙的书籍。理论上来看，LHC有可能提供证据证明多元宇宙存在吗？

这个问题很难回答，因为在理论物理学中多元宇宙有各种不同的形式。我在自己的书中就提到过9种多元宇宙可能存在的方式。某些多元宇宙形式也许可以用LHC证明，但是有些则不能。弦理论把多元宇宙看成一长条的面包，我们所处的宇宙仅是其中的一片。其它各片会被存在于额外的空间维度里，和我们分隔。如果我们能够找到额外维度的证据，那又会是一种间接证据，表明其它宇宙也许存在。我承认这样的证据会是非常拐弯抹角的。但是它肯定会为多元宇宙理论提供多一点支持。

如果你可以设计一台梦想机器来代替LHC，它会是怎么样的？

一个很自然的延伸会是建造一台直线机器，不同于圆形的LHC，这种直线机器可称为线型对撞机。LHC就是一柄大铁锤，把质子砸碎来创造出我们没见过的粒子，而且它做得很好。相较之下，线型对撞机就好像是一把手术刀，它是一种精密仪器，能够进行的分析要精确地多。线型对撞机可以集中研究某些应该更仔细观察的特定粒子或能量级。这就是我们现在想要开始建造的机器。