8、极端环境之高能

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依据科学的获取知识的方式，我们是通过归纳的方法从观察和实验的角度得到经验知识，然后通过抽象、演绎和推广的方法得出对某未知事物的预言，然后再通过观察或实验进行验证。在这套程序中，最容易出问题的就是推广这一步。我们通过观察或实验获得的数据是在地面上一个非常温和的环境中获得的，因此抽象出来的原理也就存在适用范围。可是我们往往容易忽视这一点，总是习惯于将归纳法总结出来的规律肆无忌惮的推广到更严苛的环境中，于是我们发现，极端环境中的规律并不一定符合常识，在我们熟悉的温和环境之外的极端环境总是会出人意料，出现一些莫名其妙，常理难以解释的现象，挑战着传统的观念。为了描述这些极端环境下光怪陆离的现象，需要我们改变传统观念，说服自己，并学会适应。

当给某个物体加速到接近光速时，它所处的环境就已经严重偏离了我们的日常生活，在那里，时间会变慢，长度会收缩，哥哥旅行回来会比弟弟还年轻，而且牛顿的速度矢量叠加法则失效，无论给物体提供多少能量，它的速度都不可能超过光速。粒子加速器和高能对撞机的发展使我们可以很容易的获得高能粒子，它们几乎都是以接近光速运动的，通过将高能粒子打在靶上或者两束高能粒子对撞的方法，就可以用来分析粒子在高能状况下的规律。

高能对撞实验积累了大量的实验数据，这些数据为我们揭开了一个高能王国的神秘面纱，并最终透彻理解了在高能实验中起了重要作用的两种力，强相互作用力和弱相互作用力。在高能实验中，大量的新粒子涌现了出来，无数世界各地最聪明的头脑聚在一起，试图从这大量的高能数据中寻找高能世界应该遵从的规律。通过温伯格、萨拉姆和格拉肖等人的努力，弱相互作用力与电磁力在高能状况下可以统一为一种力，它们可以通过规范场论来描述。而描述强相互作用的理论是量子色动力学，也是一种规范理论。

规范理论最初由数学家外尔提出，当波函数的相位满足连续的规范不变性时，就需要引入一种相互作用的外场，而在电磁相互作用中，这种外场就是电磁场。杨振宁和米尔斯在规范场的发展历史中迈出了关键的一步，将规范理论推广到非阿贝尔规范场论，而弱相互作用与强相互作用的规范场都是非阿贝尔规范场，也就是杨-米尔斯场。波函数这种相位不变性是一种对称性，因此高能物理学家们喜欢说对称性决定相互作用。这样，四种基本相互作用中的三种都纳入了规范场的框架。在此之前，人们往往将焦点聚集在波函数的几率振幅上，认为只有几率振幅是可测量的有物理意义的量，规范理论的成功使人们相信，波函数的相位也起着至关重要的作用。

高能理论的成功经验告诉我们，大量的实验数据和某些具有普遍意义的概念在建立理论的过程中起了关键的作用。强大的基本概念是连接温和环境与极端环境的桥梁，而大量的实验数据则是验证这些温和条件下适用的概念以及以此为基础做出的预言的重要环节。在建立高能理论的过程中，规范不变原理的概念异常重要。这也为我们分辨哪些原理适用范围广，而哪些只是局部成立的原理提供了参考。那些越简单，越完美，越基础的原理，往往会有越广泛的适用范围。而且高能理论给我们指明了一个理论进化的方向：统一。某些只在局部范围内成立的理论，在更高层面上统一为一个整体。例如电磁力和弱力原本互不相干，但提高能量发现它们是同一种力的两种不同形式，而且预计不久的将来强力也会以这样的方式统一起来。物理学中，统一是一种大势所趋，例如，温和环境中，存在两种守恒律：质量守恒和能量守恒，而高能领域里的相对论会说，这两种守恒律都只是近似，真正的守恒律只有一个：通过质能方程联系起来的质能守恒。同样在高能领域，原本认为严格成立的宇称守恒、电荷共轭守恒和时间反演守恒都是近似成立，严格成立的则是CPT联合守恒。

高能对撞机越造越大，成本越来越高，而发现新现象，产生新数据的能力则越来越差，导致更高能领域的一些假设理论难以得到验证。这些更高能的理论中，有两个概念格外引人注目：超对称和超弦。超对称的假设是，通过在超空间的转动，可以将玻色子和费米子在数学上（而不是在物理上）相互转化，从而奇迹般的化解一些高能状况下的难题。而超弦则通过普朗克尺度及能量下的弦的振动来统一各种基本粒子和包括引力内的四种力。由于验证它们需要的能量极高，实验室中的对撞机几乎不能胜任，因此在这样的极高能领域里，理论枝繁叶茂，种类繁多，而用来验证它们的实验数据几乎没有。宇宙射线的能量可以远远超过实验室里对撞机的能量，不过由于数量稀少、随机性和不确定性等原因，宇宙射线很难用于这些理论的验证。不过好在我们还有一个天然的高能加速器，那就是宇宙本身。在大爆炸初期，宇宙处在极高能的状态，而宇宙演化过程的信息就包含在微波背景辐射、重子声波振荡和原初引力波中，有可能通过观测它们来验证超对称和超弦。

高能实验拓宽了我们的视野，让我们知道，极端环境下的物理规律并不是普通环境中物理规律的自然外推，它拥有属于自己的逻辑和规则，表现出与普通世界极不相同的现象，但是极端环境仍与我们的世界有一些联系，因为极端世界和普通世界是同一个世界，因此存在某种高层次的统一的规律支配着它们，这些被称为物理学基本原理。通过对这些基本原理的演绎推理，我们有可能窥见那些暂时无法用实验进行探测的更极端世界的面貌。