第22章 核心理论

第22章
核心理论

据我们目前所知，量子力学就是宇宙运作的方式。但量子力学不是有关世界的一个特定理论；它是一个框架，从中可以构建具体的理论。就像经典力学中包括了行星围绕太阳的运动理论和电磁学理论，甚至包括爱因斯坦的广义相对论，同样，有不可胜数的粒子物理模型也算得上是“符合量子力学”的。如果我们想知道世界的真正运转方式，我们就要问一个问题：“是有关什么的量子力学理论？”

你的第一个猜测可能是“有关粒子和力”。例如，当我们谈论原子时，位于中心的原子核就是一堆被称为质子和中子的粒子，而围绕原子核旋转的是被称为电子的粒子。质子和中子被一种力（核力）互相束缚在一起，而电子被原子核以另一种力（电磁力）束缚，最后每样东西被拉向所有别的东西，原因是又一种力（万有引力）。对于构成世界的东西，也就是有关现实的量子理论描述的基本构件来说，粒子和力算是合理的猜测。

这很贴近事实了，但还不完全是。我们有关世界的最优秀的理论——至少在包含日常体验的适用范围里——在大统一方面要更进一步，它宣称粒子和力两者都来自场。场是一种在空间中无限延伸，在每一点处都取某个特定数值的东西。现代物理学表明，组成原子的粒子和力都由场派生而来。这个观点被称为量子场论。正是量子场论让我们确信自己不能用心灵的力量去扭曲勺子，还有确信我们已经知道组成你我的所有部件。

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那么场由什么组成？不存在这样的东西。正是场组成了所有别的东西。总有可能存在更深的层次，但我们还没有发现。

自然中的力来自充满空间的场，这一观点并不难接受。正是我们的老朋友皮埃尔-西蒙·拉普拉斯第一个证明了牛顿的万有引力理论可以被认为是描述了一个“引力势能场”，它被宇宙中运动的物体所推动，而反过来又拉动了这些物体。电磁学，也就是在19世纪被苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦以及同时代人建立的那个理论，也统一描述了电场和磁场。

但粒子呢？粒子和场表面上南辕北辙——粒子只能处于一点，而场处于所有地方。肯定不会有人告诉我们像电子这样的粒子会来自某种充满空间的“电子场”，不是么？

然而你接下来看到的就是这样，而且这个联系来自量子力学。

量子力学的基本特征就是，我们观察某件事物时看到的东西与我们没有观察时描述它的方式截然不同。当我们测量围绕原子核旋转的电子的能量时，我们会得到确定的答案，而这个答案是特定几个被允许的结果之一；但当我们没有观察它的时候，电子的状态一般来说是所有这些可能结果的叠加。

场也是这样。根据量子场论，组成世界的是几种基本的场，而宇宙的波函数就是这些场能取的所有可能值的叠加态。如果我们去观察量子场——非常小心，使用足够精确的仪器——我们会看到单独的粒子。对电磁场来说，我们将对应的粒子称为“光子”；对引力场来说就是“引力子”。我们从未观察到单独的引力子，因为引力与其他场的相互作用过于微弱，但量子场论的基本结构向我们保证引力子是存在的。如果一个场在时间和空间中的每一点都取固定的值，我们不会看到任何东西；但当这个场开始振荡，我们就能以粒子的形式观察到这些振荡。

场以及相关的粒子有两种基本类型：玻色子和费米子。玻色子，例如光子和引力子，可以一个叠一个组成力场，比如说电磁相互作用和引力。费米子则会占据空间：每种费米子在同一时刻同一位置只能存在一个。费米子，例如电子、质子和中子，组成了像你我、椅子和行星这样的实体物质，也向它们赋予了固实这一性质。作为费米子，两个电子不能同时处在同一个地方；否则由原子组成的物体会就此坍缩到微观尺度。

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无论你我、地球和其他身边能看到的东西，组成它们的普通物质实际上只牵涉三种物质粒子以及三种力。原子中的电子被电磁力束缚在原子核周围，而原子核本身由质子和中子构成，被核力维系着，而当然所有东西都能感受到万有引力。轮到质子和中子的话，组成它们的是两种更小的粒子：上夸克和下夸克。它们被强核力绑在一起，传递这种力的粒子被称为胶子。质子和中子之间的“核力”是强核力溢出的部分。还有一种弱核力，传递它的是W和Z玻色子，它让其他粒子能与最后一种费米子——中微子——相互作用。而这四种费米子（电子、中微子、上夸克、下夸克）只是总计三代粒子中的一代。最后，背景中还潜伏着希格斯场，它负责向所有应该拥有质量的粒子赋予质量。

上图画出了最基本的一批场以及相关的粒子，这也是第20章的氢原子图示的一个更精密的版本。更重的另外两代费米子并未包含在内，因为它们倾向于非常迅速地衰变消失。我们在这里展示的粒子就是所有能够保持足够长时间来构成日常物品的粒子；全套粒子会在附录中谈到。

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物理学家将我们对于这里粒子和力的理论理解分为两个宏大的理论：一个是粒子物理学标准模型，其中包含除引力以外所有我们谈到过的东西；另一个是广义相对论，就是爱因斯坦将引力看作时空曲率的理论。我们还缺少一个完整的“量子引力理论”——某个基于量子力学原则，但在经典的状态下与广义相对论吻合的模型。超弦理论是这类模型的一个有力候选，但现在我们还不知道应该如何用量子力学的语言来谈论那些引力极其强大的情形，比如说在大爆炸附近或者黑洞的内部。如何搞清楚这一点，这就是现在缠绕在世界各地理论物理学家心头的最大挑战。

但我们并未生活在黑洞之中，而大爆炸也过去很久了。我们生活在一个引力相对较弱的世界。只要引力不强，量子场论对于描述引力的效应就毫无问题。这就是我们对于引力子的存在很有信心的理由；它们是广义相对论和量子场论的基本特征无可避免的结果，即使我们还没有一个完整的量子引力理论。

我们目前理解的量子引力，它的适用范围包括我们在日常生活中体验到的所有事物。因此，我们没有理由让标准模型和广义相对论各行其是。如果只是有关你现在面前看到的东西，用一套量子场论就能确切地描述它的物理学。诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）把它称作核心理论。这是有关夸克、电子、中微子、所有费米子家族、电磁相互作用、引力、两种核力以及希格斯场的量子场论。在附录中我们会有详细的介绍。核心理论不是物理学家头脑中冒出过的最优雅的构想，但它能非常成功地解释曾经在地球上的实验室中进行过的所有实验。（至少直至2015年中——我们应该随时准备迎接下一个惊人发现。）[11]

在前一章，我们得出“世界到底是什么”的答案就是“一个量子波函数”。波函数就是物质不同构型的叠加态。下一个问题是“波函数到底是有关什么东西的函数”？只要在我们日常生活的范围内，答案就是“核心理论中的费米场和玻色场”。

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我们远远不需要整个核心理论就能描述我们几乎全部的日常生活。那些较重的费米子很快就会衰变消失。希格斯场潜伏在背景中，但要制造出一个真正的希格斯玻色子，也就是当希格斯场开始振荡时才会看到的粒子，那就需要一台造价百亿美元的粒子加速器，比如坐落在日内瓦的大型强子对撞机，而即使这样，这个粒子也会在大约一仄秒[12]内衰变。中微子四处包围着我们，但弱核力实在太弱，使得它们非常难以探测。太阳不停疯狂倾泻中微子，就这样每秒钟大概有上百万亿颗中微子穿过你的身体，但我猜你从未察觉。

几乎所有人类体验都可以用寥寥可数的几项要素来解释：元素周期表里能找到的各种原子核；围绕原子核旋转的电子；它们相互作用需要的两种长程力，也就是引力和电磁相互作用。如果你想描述在石头或者水坑、菠萝还有犰狳中发生了什么的话，你只需要这些东西。而我们也要接受一个事实，就是引力相当简单。每件东西都拉扯着所有别的东西。我们在世界上看到的所有真实结构以及复杂性都来自电子与原子核和其他电子的相互作用（还有它们不能互相堆叠的事实）。

例外当然存在。弱核力在原子聚变中发挥着重要的作用，这是太阳的动力，所以我们不希望它不存在。μ子是电子质量更大的表兄，会在宇宙射线击中地球大气层时产生，它们有可能牵涉到DNA的突变率，也就是说与生命演化有关。对这些现象以及其他现象的关注非常重要，而核心理论能相当完美地解释它们。但生活绝大部分时间就是引力和电磁相互作用在不停推动电子和原子核。

在我们日常生活中体验到的物质和过程的解释上，我们很有信心核心理论是正确的。一千年之后我们可能会对物理最基础的本性有更多的了解，但我们仍然会用核心理论来谈论现实的这一层面。从诗性自然主义的角度来看，这就是我们在明确的适用范围内可以充满自信地讲述的一个有关现实的故事。我们对它并没有形而上学的确定性，这不是我们可以用数学证明的东西，因为科学永远不能严格证明什么东西。但在任何足够好的贝叶斯计算下，它正确的可能性似乎压倒一切。日常生活背后的物理定律已被全部掌握。