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物理学追寻“万物之源”

探索大型强子对撞机如何彻底改变我们对物理学中各种力的理解,并可能导向一个统一的框架。

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物理学的一个新时代本应在11年前于德克萨斯州沃克萨奇开始。那里是超导超级对撞机(Superconducting Supercollider,SSC)的所在地,一个长达54英里长的地下环形粒子加速器,它本应撞击质子并从亚原子残骸中获取重要线索。但成本超支导致国会在1993年取消了SSC项目。麻省理工学院的诺贝尔奖获得者、理论物理学家弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)说,如果该项目按计划进行,“到现在我们已经在提出新一代问题并对其进行完善了。”“但我曾公开表示,我们即将进入一个新的黄金时代。”

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他之所以如此乐观,是因为大型强子对撞机(LHC)——一个能力几乎不相上下的加速器,位于日内瓦附近,去年春天开始发射质子。它可能会提供迄今为止最好的证据,证明塑造我们世界的四种自然力——引力、电磁力、强核力(strong force)和弱核力(weak force)——是单一潜在定律的不同表现形式。经过数十年的努力,物理学家们成功地将除引力之外的所有力都纳入了一个名为“标准模型”的理论中。LHC旨在寻找支持该理论的假想粒子(最引人注目的是希格斯玻色子,被认为赋予其他粒子质量)。

LHC也可能引导物理学家走向一个超越标准模型的统一框架。弦理论认为所有粒子和力最终都由小得难以想象、振动的物体(称为弦)组成,它在过去30年中主导了理论物理学的大部分时间,但仍然存在争议。该领域许多人认为这个理论有效,但无法通过实验证伪,而实验证伪是判断科学概念的标准。

尽管LHC根本无法探测到弦,但它可能会证实一种名为超对称性(supersymmetry)的先行理论,该理论认为每种已知粒子都有一个“超伴侣”:一个不稳定且更重的双胞胎。另一方面,LHC未能探测到超对称粒子将是对弦理论可信度的打击。维尔切克说:“弦理论在数学上令人印象深刻,但在描述物理现实方面却令人失望。”

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