統(tǒng)一量子原理已找到證明

當(dāng)約翰·卡迪試圖統(tǒng)一所有可能的粒子和量子場理論而提出這個(gè)影響深遠(yuǎn)的原理時(shí)，他以為很快就會(huì)受到反駁，但是等了幾乎25年都沒有發(fā)生。直到2012年年初，他提出的定理似乎悄悄地被證實(shí)了。

如果對(duì)該定理的證明成立的話，對(duì)于今后以超越目前標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋物理現(xiàn)象的嘗試，將很可能具有引導(dǎo)的作用，而且一定可以運(yùn)用在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)未來可能發(fā)現(xiàn)的任何未知粒子的研究上。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦附近的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室簡稱CERN（European Organization for NuclearResearch，歐洲核子研究中心）。

卡迪是英國牛津大學(xué)的理論物理學(xué)家，他表示：“我很高興。如果這個(gè)證明是對(duì)的，那我1988年提出的假說能夠成立?！?/p>

卡迪的假說稱為“a定理”，認(rèn)為以能量激發(fā)量子場的方式，在高能狀態(tài)時(shí)比在低能狀態(tài)時(shí)為多。

位于以色列雷霍沃特的魏茨曼科學(xué)研究所的學(xué)者左哈·寇馬高斯基和亞當(dāng)·施維默，在2011年7月對(duì)卡迪的假說提出了證明。在經(jīng)過其他理論物理學(xué)家的檢驗(yàn)之后，他們的論證如今漸漸獲得接受。

美國新澤西州普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家奈森·塞博格說：“我認(rèn)為這個(gè)論證正確的可能性很高?！?/p>

統(tǒng)一原理

由于很多量子場理論尚未被完全解答，所以無法對(duì)粒子的活動(dòng)做綜合性的預(yù)測(cè)，量子色動(dòng)力學(xué)即為一例。這個(gè)描述夸克和膠子之間交互作用的強(qiáng)核力理論，其尚未完全解答的部分，讓物理學(xué)家無法把對(duì)高能量、近距離尺度的夸克和遠(yuǎn)距離、低能量尺度的粒子，例如質(zhì)子和中子等的研究連接起來。

羅伯特·麥爾斯是加拿大滑鐵盧皮瑞米特研究所的理論物理學(xué)家。他表示，雖然有許多研究試圖把近距離與遠(yuǎn)距離尺度的量子場理論聯(lián)系起來，但實(shí)際上，其中能夠適用于所有理論的通則很少。

不過，卡迪的a定理有可能成為這樣的一種通則。a定理的一個(gè)版本在二維的情形中已經(jīng)被證實(shí)，但卡迪認(rèn)為在四維的情形下也會(huì)成立，譬如我們現(xiàn)在生活的這個(gè)三維空間加上時(shí)間。不幸的是，該定理在2008年時(shí)似乎被推翻了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)有兩位物理學(xué)家提出了反例：一個(gè)違反卡迪a定理規(guī)則的量子場理論。

之后，塞博格和他的同事于2010年重新檢驗(yàn)這個(gè)反例，并發(fā)現(xiàn)了其中的瑕疵。此舉為其他學(xué)者檢驗(yàn)卡迪的假說以及施維默和寇馬高斯基提出證明鋪了一條路。

雖然施維默和寇馬高斯基的證明未臻完善，尚有需要厘清的部分和詳細(xì)檢查的步驟，但麥爾斯認(rèn)為該證明是對(duì)的。他說：“如果這個(gè)證明全面完成了，將成為一個(gè)威力強(qiáng)大的原理，如果不夠完整，也仍然是大多數(shù)情況下可成立的通則。”

肯·印德利蓋特是加利福尼亞州圣地亞哥大學(xué)的理論物理學(xué)家。他對(duì)這一說法表示同意，并補(bǔ)充說明：數(shù)學(xué)家要求證明一定要毫無破綻，但是物理學(xué)家通常只要這個(gè)證明在大多數(shù)情況下是對(duì)的，就可以了，并且對(duì)于任何進(jìn)一步深入的探究都非常感興趣。

麥特·斯特瑞斯勒是位于新伯朗斯威的新澤西州羅格斯大學(xué)的理論物理學(xué)家。在其博客中，他認(rèn)為這個(gè)證明成就非凡，因?yàn)橐坏┯幸粋€(gè)精巧的想法確立了之后，整個(gè)論證就會(huì)水到渠成。

基礎(chǔ)日益穩(wěn)固

現(xiàn)在卡迪的假說得到了有力的支持，很可能會(huì)被更加廣泛地運(yùn)用。其中成果最豐富的將會(huì)是量子場研究領(lǐng)域中眾多企圖超越標(biāo)準(zhǔn)模型而提出的統(tǒng)一物理學(xué)理論，包括超對(duì)稱理論。根據(jù)超對(duì)稱理論，所有已知的粒子都有一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)且超重的對(duì)應(yīng)粒子。a定理的用處是可以根據(jù)一個(gè)理論在低能量范疇所做出的預(yù)測(cè)來幫忙縮小在高能量狀態(tài)時(shí)預(yù)測(cè)的范圍，反之亦然。

物理學(xué)家希望大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以找到超對(duì)稱現(xiàn)象的證據(jù)或其他標(biāo)準(zhǔn)模型以外的粒子，到時(shí)候理論物理學(xué)家會(huì)需要所有可用的方法來解釋這些發(fā)現(xiàn)。麥爾斯預(yù)言a定理“將會(huì)是理論物理學(xué)家理解物理現(xiàn)象的指導(dǎo)工具”。

另一個(gè)可能用到a定理的領(lǐng)域是凝聚態(tài)物理。凝聚態(tài)物理用量子場理論來描述物質(zhì)特別的相態(tài)，有時(shí)會(huì)涉及三維曲面的問題，例如二維空間加上時(shí)間。但是目前a定理只是在二維及四維的情況下得到證明，所以這是a定理的一個(gè)局限。

但是麥爾斯表示，現(xiàn)在應(yīng)該進(jìn)一步證明a定理在奇數(shù)維度下依然成立。他說：“但愿不用再花20年?！?/p>