1861年, 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发表在当时英国著名学术期刊《哲学杂志》上的方程式，奠定了电、磁、光朝向统一的理论框架。在今日所进行的包括大型强子对撞机（LHC）在内的实验中，物理学家是否更接近于万物统一的目标
J·克拉克·麦克斯韦
如果这件事发生，请不要把它看作是好莱坞的噱头，在瑞士日内瓦郊外大型强子对撞机(LHC)工作的物理学家也决不会在突然间被惊得目瞪口呆，或许他们的监视器上不会出现这样的信息：“检测到了希格斯玻色子。”
相反，他们将为此对几个月以来的进程展开工作：计算机将搜索几拍字节(1015字节)的数据，这都是在为数不多的独特事件搜索中得到的对撞数据，可能标志着目标物的存在，而物理学家则对每个候选对象进行甄别复核。只有当他们积累了足够的确信事件之后――也许要一打――他们才会公开宣布广受关注的希格斯被发现。
尽管如此繁复，这样的宣告也将是引人注目，并且是及时的。恰恰就在150年前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)展示了三个明显不同的现象――电、磁、光――它们只是同一种现象的不同表现形式，即我们今天称之的电磁学。希格斯的发现会在“标准模型”的空缺处填上最后和最关键的一部分，即包括4种自然力中的3种：电磁力、对亚原子粒子起作用的弱作用力和强作用力的麦克斯韦方程的扩展，以将统一理论向前推进一大步。希格斯玻色子被认为是与电子、夸克以及其他基本粒子实现互动，赋予它们质量，从而使之能够为标准模型来刻画我们所知道的宇宙。
今天标准模型的地位，相当于当年未由实验证明电磁波存在时的麦克斯韦理论。美国麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)与其同行2004年因参与创立标准模型而分享了诺贝尔物理学奖。他说：“标准模型看似不错，许多预测都得到了证实，但最引人注目的新东西还有待验证。”
即便是找到了预言中的希格斯玻色子，看来物理学家仍然不会满足，因为最终目标是统一理论。该理论认为，所有观察到的粒子和力只是一个单一的底层系统上的不同表现形式而已，而这个底层系统可以用一个共同的数学框架来表达。这样一个优雅的结果是无法从标准模型中得出的，标准模型仅仅是作为事后补救，包含对原子核进行约束的强力，而对引力则不着一词。标准模型对暗物质也未加说明，暗物质是一种看不见的物质，远多于约占其五分之一的组成恒星和星系的普通物质。
尽管物理学家赞同需要某种大统一理论，但他们并不知道这样的理论会是什么样的。四十多年来――差不多同标准模型存在的时间一样长――研究者们已经用各种古怪的想法如超对称性、额外维度以及全息时空等方法来试着完善它。“现在的情形是，桌面上放着一大堆假设，它们中多数都并不是新的，并且都缺乏实验的支持，”加拿大圆周理论物理研究所的物理学家李·施莫林(Lee Smolin)说。“欣慰的是，实验终于要进行了，”施莫林接着说，“在未来几年里，LHC和其他的实验，对于物理学家的理论概念是否符合实际，将会有一个更清晰得多的想法，并将其用到最终的统一理论中。”
超对称性
如果希格斯玻色子恰恰如标准模型所预测的那样，那么它内部的角动量将为零，这是为粒子物理学家所偏爱的能量处于115亿和180亿电子伏特(GeV)间的质量。但进行这样的匹配搜寻会是相当枯燥的事，伦敦国王学院的理论物理学家约翰·埃利斯(John Ellis)说。他认为，如果LHC的物理学家找不到任何东西的话，想必会有趣得多。“经过那么多年的猜测，我们终于在合适的灯柱下开始寻找，而要找的目标却全然不在此处！这将迫使理论家重新回到出发点”，埃利斯说，“但出发点也各式各样。”有可能是以更复杂的方式产生质量，或许产生出更出人意料的东西，“这将是非常令人兴奋的。”
埃利斯认为，不然的话，LHC完全有可能找到的不是一个希格斯粒子，而是它们的一个家族。这将是超对称的标志，因为这个理论预测了一个迄今尚未观察到的‘超粒子’的动物园，一个匹配了标准模型25个粒子中的每一个――它们中有传递核力的玻色子，像光子、胶子和希格斯，以及费米子，像夸克和电子，它们构成了物质。这些超对称粒子会很重，至少有600电子伏。
超对称性引起了物理学家的兴趣，因为它为玻色子和费米子提供了一种统一的数学的描述。同时，这个理论还将大大加强了强力、弱力及电磁力的‘大统一’，剩下的只是引力未获得解释。
在标准模型中，强力的相对强度如果用类似于电荷的一个常数表示的话，与弱力及电磁力的强度是非常不同的。但是如果超对称性的假设不虚，则量子校正显示所有三种力的强度完全相等，就好象在我们的期待中这些力实际上是一种真正的力。
超对称性也可以解决大统一理论中的某些问题，例如它们预言质子应该是不稳定的――在计算中超对称粒子的存在往往会抑制质子衰变，导致衰变率远远低于目前实验所规定的限度。
最后，或许最重要的是从观察者的立场看，超对称性很可能为暗物质提供了一个非常好的解释。暗物质这个无形的宇宙阴霾，其行为像一个巨大的粒子群，与普通原子的相互作用非常弱，迄今只发现其对可见的恒星和星系的引力影响。在标准模型中没有粒子具有合适的特性，但它们预言的某些超对称粒子却有。如果它们之中的某个的确是暗物质粒子，那么它将很快被检测到，不仅仅是在
额外维度
与LHC的物理学家的对话有时会变得超现实――特别是当他们绷着脸开始谈论科学虚构的主要话题，即额外维度时。
一个重要原因是，他们假设了这一前景是因为额外维度是弦理论所预测的，而弦理论则是迄今最流行的建立在标准模型基础上的有关统一论的尝试。弦理论假设：基本粒子实际上是能量的振动弦。由于该理论是1960年代后半叶发展起的，至今仍然是一个没有得到物理证据支持的“智力练习”。但即便如此，它还是如此地引人注目，并预告了许多力的存在，有点类似于标准模型中的强力、弱力和电磁力，以及弦理论以自然的方式合并了超对称性，其中也包含了引力。弦理论方程组显示，弦的闭合圈表现得像引力子，即假设的携带引力的粒子。新泽西州普林斯顿高等研究院的弦理论家内森·塞伯格(Nathan Seiberg)说：“它综合了我们所知道的所有物理原理，没有任何其他假设如此地接近事实。”额外维的出现是因为弦理论具有其最天然的11维形式，它们中仅有4维能被我们观察到：空间的3个维度和时间的1个维度。塞伯格说，弦理论允许它们如此紧密地卷在一起以致它们在通常情况下难以看到。
如果由对撞产生的粒子具有足够的能量，即有足够短的量子波长围绕着卷曲在一起的维度盘旋，则LHC有可能检测到那些额外的维度。根据爱因斯坦著名的相对论，盘旋的能量将表现为质量，LHC的物理学家因此能检测到标准模型粒子所具有的较重质量的伙伴族。
同样是弦理论产物的另一个替代方案，设想我们所感觉到的三维空间实际上是在高维空间中浮动的一种膜。而我们从来没有注意到额外的方向，是因为所有标准模型的粒子都被限制在膜上，但LHC的对撞可能会有足够的能量让一个来自膜外的引力能量破裂。其结果将是一股由对撞产生的喷射流喷向对撞点的一边，而另一边显然没有什么与之平衡，似乎喷射流撞上了突如其来的闪电。
LHC大型对撞检测装置之一的紧凑渺子线圈副发言人阿尔伯特·德勒克(Albert de Roeck)说，LHC的物理学家已经计算出所有这些额外维度现象的实验特征，“不过，实验目标是想掌握额外维度的大小。”如果它们卷得过紧，尺度小于10-19米，那么为探测它们所需的能量将超出LHC的能力范围。
为什么物理学家要冒风险在LHC中寻找额外维度，这是一种截然不同的可能性。“我没有屏住我的呼吸，”伦敦帝国理工学院的物理学家米切尔·达夫(Michael Duff)说，“我敢打赌，如果有额外维度存在，它们的普朗克尺度应在10-35米，”在那样的尺度，量子力学和引力将会以某种目前仍未知的方式结合。
虽然如此，额外维度的寻求仍被认为是值得的，尽管它们的存在并不证明弦理论的正确，完全可以要额外的维度而不要弦。但是，确认其主要的预言之一将会显著改善弦理论的处境。
全息术
它本来应当不错，不过令从事弦理论研究的人员感到苦恼的是某些东西似乎不见了。“我们知道如何计算弦理论中的大量东西，”塞伯格说，“但我们不具备它的概念基础――即一组所有事物都应遵循的基本原理。”
这是为所有的物理学家，而不仅仅是为弦理论家享有的一个更深层次的原理。一个已引起许多关注的想法，即来自于英国剑桥大学史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)及其同伴在1970年代的令人惊异的发现：在黑洞周围空间中的量子效应导致其发出辐射，而黑洞本该只吞不吐，即只管吞噬质量或能量。“这是一个惊人的现象，”法国马赛地中海大学的物理学家卡洛·罗威利(Carlo Rovelli)说。三种表面上似乎各不相干的现象：引力、量子力学和热力学却以某种方式相互纠结在一起，“而我们至今仍不很明白这是为什么。”
而努力搞清这一结果却已将理论物理学家推到了某些奇怪的方向上。例如，根据标准热力学，任何物体的温度与其熵相关，即外部观察者测量其对象组成的排列和运动的信息量，但是并无一种方法能让观察者从黑洞内获取到任何信息。因为任何东西只要走到比我们所称的视界表面或更接近黑洞时，那就与宇宙的其余部分断绝了。如果一个黑洞如同霍金等人所证明的是由热力学所支配，则它所有的三维内部信息必须以某种方式编码在它的二维视界上。
此外，经过几十年对这种观点的分析和概括，许多物理学家现在相信它适用于任何三维体，从黑洞到真空：三维体的全部信息内容可编码在其二维表面上。换言之，最终万物的统一理论将根据低维的现实来描述显然是固态的三维世界。我们的宇宙将会以来自二维全息的三维光学图像理论而显露。
虽然这个“全息原理”可能是某个最终的统一理论的一个元素，但它本身并不会说明这种理论该是如何，也并不是每个物理学家都认可它。“它很有趣，也很刺激，但也极为含糊，”维尔切克说。至少从数学的角度，全息原理的一个版本经过了广泛研究，并不适用于我们所称的AdS/CFT二元性的弦理论模型。或许更重要的是，它有可能是用来验证思路的。
克雷格·霍根(Craig Hogan)是位于伊利诺斯州巴达维亚的费米实验室粒子天体物理中心的主管，他表示，如果全息原理得到证实，量子效应就可能从光束中产生一种长达1分钟的全息噪声，这可以通过已在引力波实验中使用的一种超精密激光干涉仪来检测。
霍根说和他的同事已经开始检验这种效应是否会如预期的那样。如果是，他们希望明年进行全面的试验，预计在三年时间里将耗资200万美元。“做这些实验还算是便宜的，”霍根说，“对一些我们所不知道的物理现象做测试，并根据定义进行探索。”
在所有有助于统一物理学的理论中，包括弦理论、全息术以及更为晦涩难解的概念，许多理论很有可能是出于同一种思路，只是切入的角度不同而已。但发现之路只有一条，那就是对其进行检验。“LHC给了我们一次大胆跨跃的希望，”塞伯格说，“在新的一年里我们应该学会更聪明些。”
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣