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宇宙暴涨理论的出现和发展

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摘自《环宇孤心》 13、不情愿的宇宙学家 和 14、免费的午餐


1楼2012-03-09 12:19回复

    这一次,他的决定是明智的。古思在康奈尔的第二年,亨利·泰伊来了。泰伊出生在香港,在麻省理工学院比古思晚两届。他曾经作为博士后在斯坦福直线加速器中心和费米实验室搞过研究,试图预测高速运动的摹本粒子撞击的后果。当时康奈尔正在建造电子和正电子对撞的加速器,需要泰伊来工作。可当他1978年到那里时,设备还没有安装好。泰伊急于想搞一些基础性的研究,比如宇宙学,他需要一个搭档。
    泰伊的记忆中,古思非常聪明,和他在一起探讨问题总是很有意思。他非常高兴地看到,做了多年博士后的古思仍然和以前一样,仍然对物理学充满了孩子般的热情。他周围的人都泄气了,担心搞不出什么名堂,纷纷退出经商去了。泰伊认为最容易泄气的应是古思,但相反,他依旧热情似火,才华横溢。古思觉得这其中一半的成绩应归功于苏姗,一个不折不扣的支持者。
    泰伊也对磁单极感兴趣,但他比古思在哥伦比亚的伙伴们的视野要开阔。尽管他对磁单极不了解,但他知道从哪里人手。一天,他问古思磁单极是否可以在大统一理论中产生。


    3楼2012-03-09 12:20
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      2025-06-11 12:26:07
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      古思天真地问,“什么是大统一理论?”其实,大统一理论,简称GUTs,是物理学中最热门的话题。泰伊的解释是,大统一理论试图把三种量子力——电磁力、弱力和强力——统一到一起,就像电弱理论把电磁力和弱力统一起来一样。大统一理论中有两个对称破裂阶段。首先,强力和电弱力分离,它们各具特点;然后,电弱力按相同的方式分裂成它现在的组成部分。所以根据大统一理论,在宇宙史最早的那个瞬间,希格斯场至少有两个机会可以和能量块儿结合在一起。古思点了点头。于是泰伊开始给古思讲授大统一理论——不是理论的全部,而是能让他们着手进行单极子问题的研究就可以了。


      4楼2012-03-09 12:20
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        从这以后,古思的研究开始突飞猛进。
        早期的大统一理论是格拉肖和他哈佛的同事霍华德·格奥尔吉的智力产儿。在所谓的规范理论中,这是继使物理学家激动无比的电弱统一理论成功之后的第二个步骤。原理是一样的。根据这些理论,每一个所谓的基本力对应一种对称性。格拉肖认为,弱力和电磁力的对称是一种更广义的对称的一部分。他和格奥尔吉的推理是,电弱力和强力对称性本身还有可能是一个更深层次和更广泛意义的自然界对称的一部分。
        下面就是物理学家写出的地址:我们住在……的室女座超星团,本星系群,银河星系,太阳系,地球,北美洲,美国,纽约州,纽约市,曼哈顿岛,西第四大街。弱力是电弱力的一部分,电弱力是大统一力的一部分,大统一力是原始超大统一力的一部分(如果它们能在引力作用下凝聚到一起),依次类推。在理论上,他和格奥尔吉总是可以借助更广泛意义和更强大的原则(直到没有力为止),把更多的基本力包合在大统一模式中。


        5楼2012-03-09 12:21
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          法国数学家埃利·卡尔唐用了大半生的时间,把对称性的各种可能表现形式进行列表和分类。从最简单的镜中物体的对称,到496维度的旋转对称。电磁属于一种比较简单的对称——圆圈的旋转。弱力和强力可以表示成某种二维和三维的旋转。
          为了构建他们的理论,格奥尔吉和格拉肖利用了卡尔唐的对称性列表。能够把电磁力、弱力和强力包含在一起的最简单的对称形式叫做SU(5),它是五维数学空间的某种旋转。
          这个理论还把夸克(能组成类似质子和中子的重粒子)和较轻粒子(所谓的轻子,比如电子和中微子)视为兄弟。现有的这些不同种类的粒子、夸克和轻子,可以通过交换X玻色子(一种重量较大,能传递力的粒子)相互转化。这就意味着,中微子和电子的种类数应该和夸克的种类数一样,也就是说,施拉姆、冈恩和斯泰格曼对中微子种类的确定具有重要的意义。
          


          6楼2012-03-09 12:21
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            夸克和其他较轻粒子之间的可互换性,有两个重要的后果,一个关于宇宙的过去,另一个关于宇宙的将来。在膨胀的宇宙中,这是一个漏掉的因素,它可以解释早期宇宙中物质和反物质的不匹配是怎样演化的。在大统一的极高能量下,物质或者反物质可以独自地毁灭和生成:一个质子没有必要一定遇到一个反质子才灭亡——它可以自行解体。从长远的观点看,这是对由普通物质形成的宇宙,即由原子、星球、苹果和宝马车构成的宇宙,宣判了死刑。这意味着,我们熟知和喜爱的构成物质的质子,最终会不稳定地辐射;最后在1030年以后,如果宇宙能坚持到那时,质子会释放出X玻色子而消散。在命途多舛的永恒宇宙中,物质只是瞬间的存在,只是昙花一现;任何东西都不会保留下来,包括米开朗基罗、巴赫或特朗普的作品。所有的文字材料都将不复存在,墨水中的原子会消散,纸张也会消散;所有计算机的存储器也都将灰飞烟灭。


            7楼2012-03-09 12:22
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              根据计算结果,力的大统一需要的温度是l022K或能量是1014京电子伏,这样才能使对称恢复并被直接观察到。这个能量是费米实验室改进后能量的1000亿倍。瓦格斯认为一个粒子加速器需要用几光年的时间才能达到这个能量。物理学家们检测大统一理论的惟一希望,就是那个可怜人的加速器——宇宙。1016京电子伏的温度对应的是大爆炸中刚刚10-35秒时的宇宙,当时它只有葡萄柚大小。大统一理论打开了一条通向时间联想王国的道路,这使得电弱力和核合成的时代看起来是那么得久远。如果有可能,现在我们可以把宇宙膨胀的电影回放到第一秒中的某个时刻,那时的万物只是一个火花,一颗精巧的压缩着无限可能性的种子。
              如果我们把时间进行切分,量子不确定性可以决定我们能在多大程度上接近那个假设的开端——奇点。在大爆炸后兆兆兆分之一的千万分之一秒时,写下的数字是10-43,有一个普朗克时间。这时,时空几何中的量子不确定性和宇宙一样大,这就意味着,小于这一点的时空是不可理解的。它们和没有测到方位或运动的电子一样,呆在那个被人遗忘的角落。


              8楼2012-03-09 12:22
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                随着70年代末大统一理论的出现,引力变得不再适合,它成为量子扔球游戏中惟一无法解释的力。被惠勒称为前几何的所有定律的定律,也就是使宇宙飞起来的原理,仍然是无法想像的,但它至少不再是一个荒诞的思想。有这样的可能,在统一理论的数学范围内,引力被某种更广义更强大的对称性包围着。有些人半开玩笑地把它称为“全能理论”。在费米园地的宇宙历史中,宇宙肇始时的对称性遮掩了一切,然后宇宙就走下坡路了。在普朗克时间以前,可能讲同一种语言(已消失)的广义相对论和量子理论,在这之后开始讲不同的语言。
                随着宇宙的膨胀和冷却,它内部的能量———个辐射和粒子密集的地狱——在减少;每当温度降到临界值以下,就出现一次相位跃迁。这期间,各种力不断地分裂再分裂。物理学定律一点点变得不对称了。


                9楼2012-03-09 12:22
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                  2025-06-11 12:20:07
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                  据估计,引力是在宇宙第10-43秒,温度是1022K时,退出原始统一体的。这是第一次分裂,之后宇宙受两个规则的统辖:引力和大统一理论。然后是强力,最后是弱力和电磁力分裂出来。当宇宙到了10亿分之一秒时,根据标准物理学,兴盛的宇宙中有四种力和大约24种基本粒子在喧嚣。
                  这个模式中的第二次分裂。是宇宙在10-35秒,大小是葡萄柚时发生的,大统一力分裂为强力和电弱力。也正是在这个时刻,泰伊考虑希格斯场是否会和单极于连到一起。
                  


                  10楼2012-03-09 12:23
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                    他和古思白天讨论,然后古思晚上回到家在厨房的桌子上进行计算。古思的习惯是个夜猫子。他总是工作到很晚,在实验室的笔记本上,用清秀的字迹刻苦地钻研着方程式。他在一步步地接近答案。第二天,他回到办公室和泰伊对笔记。当然他还要接电话,要接待客人,要参加各种研讨会。问题会提出,矛盾会出现。他如饥似渴地学习着统一理论。
                    “我想当亨利向我介绍SU(5)大统一理论的时候,我很惊叹,一个简单的理论竟能容纳这么多物理学的东西。”
                    几周以后,他所学的知识已经足够能回答泰伊的问题了。确实,单极子可以在SU(5)对称性破裂的过程中形成。但古思的深入研究表明,对于基本粒子来说,单极子的重量异乎寻常的大,质量-能量相当于1016京电子伏,所以一个单极子的重量相当于10000兆个质子,相当于一个细菌——一个小生物了。
                    这说明,单极子没有什么魅力了,古思解释道,就像大统一理论预测的其他疯狂的重粒子一样。一般来讲,物理学侧重的是粒子加速器可以到达的,能量相对较低的情况下理论所能预测的东西——这样你可以做实验,检测这些想法。


                    11楼2012-03-09 12:23
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                      泰伊没有被难住。“为什么我们不试着计算一下大爆炸中产生了多少这样的磁单极子呢?”他建议说。
                      古思吓了一跳。“起初,我对摘这样一项工作是很警惕的,”他狡黠地笑着说。“这个工作与以前所做的完全不同,因为这是一个没有答案的题目。尽管当时我不置疑大爆炸的存在,但我的确认为我们对它的细节了解得太少太少,要解决像产生了多少单极子这样的问题几乎是不可能的。”1978年到1979年的冬天,泰伊不断地和古思唠叨这个事情,但没有什么结果。


                      12楼2012-03-09 12:24
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                        古思想法的改变一部分要得益于温伯格对康奈尔进行的一次春季拜访。温伯格把研究宇宙学作为一种爱好,并鼓励其他的人也加人进来。拜访期间,他做了一系列有关大统一理论如何能解释宇宙中物质和反物质不平衡的讲座。除了特纳、科尔布和其他许多人以外,他也在搞基本粒子起源的研究,采用的是霍伊尔和福勒研究元素起源和丰度的方法。如果我们能对大统一理论物理学和早期宇宙的详情做出合理的推测,那么计算的结果应该与我们从微波背景辐射中做出的推测大体一致:宇宙中,每一个质子大约对应10亿个光子,而且根本不存在反质子——反物质。这个物理学的伟大胜利对泰伊的触动很大。一旦你认为宇宙中盛行物质而没有反物质的问题属于物理学领域而不是神学领域时,他说,你就必须要想到某种大统一理论了。
                        这个思想甚至对古思触动也很大。“很大程度上由于受到了斯蒂芬的影响,我才认为也许宇宙学的确值得一个受人尊敬的物理学家去研究,并得出合理的结论。”他说。


                        13楼2012-03-09 12:24
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                          在温伯格的拜访期间,有一次古思和他,还有其他一些人谈起了对称性破裂和希格斯场的问题。宇宙学中的希格斯场会是什么样子的呢?有人问。在太空里的所有地方它们会取向一致吗?或者会有域壁分隔出不同的区域吗?这些人认为这是一个有趣的题目,如果能找到答案就太好了。
                          古思受到的另一个间接的、有点儿预先警世作用的影响是1978年罗伯特·迪克对康奈尔的拜访和所做的讲座。迪克描述了他和皮布尔斯论文中提到的难题和矛盾,就是那个所谓的平面问题。古思听得很仔细,但他对此的领悟是后来的事情。
                          “听这个讲座时,我还没有考虑搞宇宙学研究。”古思谈到迪克的讲座时这样说,“当时觉得新奇,尽管和我的研究没有关系,但我还是受到了很大的影响。他论述的问题是,对大爆炸后一秒时宇宙的膨胀速度应该进行精确计算。我记得他给出的数字是小于1014。如果这个速度小于1014,比实际的速度大,宇宙就会飘散,不会有星系的形成。如果宇宙的膨胀速度小于1014,比实际的速度小,宇宙早就坍塌了。”这就是他的头脑中关于所谓的宇宙科学的一个新奇的想法。
                          最后,古思向泰伊屈服了。
                          一次我问古思,在长达几个月的时间里,泰伊为什么不先搞起这个研究,自己进行计算呢?“这个嘛,他当时还有别的工作。我可没说,好像他整天做的事就是催我搞这个研究,”他说,“大多数的粒子理论学者喜欢小组合作搞科研,亨利当然也一样。几乎所有他写的论文都是与别人合作的,我的也是一样。”
                          他停了一会儿。“独自完成什么是有困难的。如果很多人一起解决问题,你的进步会很快。我们的合作很好地说明了这一点。有时惟一痛苦的事就是,如果你想坐下来写点东西,休得把草稿给很多人传看,还要和每一个人商讨。有时这是件痛苦的事。”


                          14楼2012-03-09 12:25
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                            古思和泰伊通过计算互相促进。快到夏天时,他们已经对早期的粗略测算进行了整理,并逐渐相信大统一理论将推理出充斥在宇宙中的单极子和质子一样多。
                            这是一个坏消息。首先,根据实验的推测,要探测到这么多种的单极子是件出奇困难的事情。其次,由于每一个假想的单极于的重量相当于10000兆个质子,这么大数量单极子的总重量早在几十亿年以前就把宇宙毁掉了,并把它拖回大坍塌。事实上,单极子密集的宇宙的预计寿命大约是6000年。
                            实际上,这是个很重要的消息——如果这是正确的,就注定了大统一理论的毁灭。这个理论预测到了单极子,但实际上宇宙中没有单极子。可怜人的粒子加速器已经说话了。


                            15楼2012-03-09 12:25
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                              2025-06-11 12:14:07
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                              当古思和泰伊还在琢磨这个消息的重要性时,他们发现温伯格的学生约翰·普雷斯基也在做相同的计算。他们被别人抢了先。他们很大度地把他邀请到康奈尔,发现他已经得出相同的答案。普雷斯基确信他已经否定了大统一理论;大量的单极子与150亿年的宇宙不相称。他回到家后发表了一篇很快成为宇宙学经典的论文。
                              古思和泰伊很自责,也许他们过于谨慎了。“为什么我们没有早一点儿发表呢?我认为我们对这个问题还没有理解透彻。”古思笑着说。他们不想写出一篇只是摆出问题的论文。他们决定,与其在SU(5)的坟墓上跳舞,不如下决心解决单极子的问题。“他的论文发表以后,我觉得我和亨利还有必要说一些他没有说出的东西,所以我们睫后的工作一直围绕着这个问题:有多少种可能会导致大量磁单极子的产生?”


                              16楼2012-03-09 12:26
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