“味”,对于一种神秘的性质来说,是个糟糕的词。但对夸克的某种重要性质,“色”却是个很美的比喻。色荷在把夸克聚在一起,构成质子和中子的力上发挥了作用,这与电荷把电子和原子核聚在一起,形成电中性的原子非常类似。但电荷只有一种,而色荷有三种,我们用三原色来表示:红色、绿色和蓝色。就像电荷,色荷是可以累加的。呈电中性的原子一定有相同数量的质子和电子。但三个夸克,各自带有不同的色荷,可以用色力束缚起来。用三原色的比喻可以美妙地描述其中的物理。三原色加起来就是白色,即零色荷。 夸克之间色力的定量理论,是基于SU(3)的数学结构,可以完全对称地处理三种色荷,所以我们常把夸克的三种色荷,想象成一个等边三角形(如果你有兴趣的话,“SU”指的是特殊酉群)。就在我上面提及的那个夜晚之前不久,约格什·帕提(Jogesh Pati)和阿卜杜勒·萨拉姆(Abus Salam)迈出了通往危险的理论丛林的第一步。他们指出,在最轻的家族中,夸克和轻子可以结合成SU(4)结构,可以图解为成正四面体,类似SU(3)。
他们当时认为轻子携带第四种色荷。最有趣的想法是:在他们的模型中,结合夸克和轻子放到相同的结构中。 基本粒子中的一种奇异特色是:反粒子的存在。任何携荷的粒子,即电荷、色荷或弱荷(为了使讨论单纯化,我不会谈及弱荷),都存在携带所有荷相反数量的粒子。电荷很简单,比如电子的电荷是-1,所以它的反粒子正电子必须有电荷+1。蓝色u夸克的电荷是2/3,所以它的反粒子的电荷一定是-2/3。那么色荷呢?反蓝色必须能够和蓝色中和得到零色荷,而且在三原色的比喻中,我们都知道这意味着什么。反蓝色一定是红色加绿色,即黄色。类似地,反红色是绿色加蓝色即青色,反绿色是红色加蓝色即洋红。在帕提-萨拉姆模(Pati-Salam)型中,反夸克和反轻子可以结合成反四面体。
在那个关键的晚上,晚餐后我开始探寻谢尔登和我在下午所想象的漂亮理论的实现方式。帕提-萨拉姆四面体,以及反四面体看起来是个不错的起点,所以我用和谢尔登一起学到的工具进行研究。如果我当时脑中灵光一闪,并理解了我们那两年期间都忽略了的危险区域,那这个故事就会太棒了。但这并没有发生。我只是在思考一种不同的数学结构,称作“旋量”(spinor),其看起来相当独特而且有趣。旋量有种二元的结构。相对于三角形和四面体,旋量可以用方形和立方体等来描述。当我用旋量的语言描述帕提-萨拉姆模型的时候,对于如何把一个四面体(包含电子和d夸克)以及反四面体(反u和反v)放入立方体中,其方法是显而易见的。
这个(或更加确切地说是它的高维类推,不仅电荷和色荷,把弱荷也结合在一起)就是我们要寻找的美妙理论之一。它能够把不同的部分恰当地放进去,非常奇妙地让人兴奋(加入弱荷就更妙了)。注意这里的排列方式,层与层间距相等,每向上一层电荷就减少1/3。现在我理解为什么我们当时找不到美的理论的原因了——我们之前没有想到把夸克和反夸克一起放置在同一个结构中。而那天晚上我也确实没有想到这一点。这些结构中的美妙数学,深深吸引了我。正因为色荷的奇妙之处才使得这个理论有效。在这里,我把立方体的边着了色,向上走就要加上这个颜色。我们把红色的边作为例子。在第一层的底部,从无色的黑色v-,加入红色就得到红色。但如果从第二层蓝色d夸克开始,加上红色就得到洋红,这就是u-反夸克的色。其他的边都是类似。非常神奇。
我知道这种惊人的结构,来源于数学中的SO(10)(“SO”代表“特殊正交群”)。在我思考所有这些是如何起作用,以及检视美妙的统一理论是如何分解成丑陋又支离破碎的标准模型的过程中,我也意识到,可以依据SU(5)结构把SO(10)稍许分解成为另一个统一理论。不幸的是,这里最基本的物体是四面体的四维推广,所以我不能画出来。但是SU(5)理论不像SO(10)那样有很多部件,而且当我研究它的时候,我终于明白其中的危险之处:两个理论都含有标准模型之外的力,而且其中一些额外的力会使质子衰变,这让我极为震惊。过去我一直假设质子能够永远稳定存在,尽管想不出能对它做什么。这个模型是如此独特。于是我去睡觉了。 (责任编辑:本港台直播) |