大统一能量的数值还知道得不太清楚,可能至少有1000万亿吉电子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量为100吉电子伏的粒子相碰撞,而计划建造的机器的能量可升到几千吉电子伏。要建造足以将粒子加速到大统一能量的机器,其体积必须和太阳系一样大——这在现代经济环境下不太可能做到。因此,不可能在实验室里直接检验大统一理论。然而,如同在弱电统一理论中那样,我们可以检验它在低能量下的推论。
其中最有趣的预言是,构成通常物质的大部分质量的质子能够自发衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。之所以可能,其原因在于,在大统一能量下,夸克和反电子之间没有本质的不同。在正常情况下一个质子中的三个夸克没有足够能量转变成反电子,由于不确定性原理意味着质子中夸克的能量不可能严格不变,其中一个夸克会非常偶然地获得足够能量进行这种转变。这样质子就要衰变。夸克要得到足够能量的概率是如此之低,至少要等待100万亿亿亿年(1后面跟30个o)才能有1次。这比宇宙从大爆炸以来的年龄(大约100亿年——1后面跟10个0)要长得多了。因此,人们会认为不可能在实验上检测到质子自发衰变的可能性。然而,人们可以观察包含极大数量质子的大量物质,以增加检测衰变的机会。(譬如,如果观察的对象含有1后面跟31个0个质子,按照最简单的gut,可以预料在1年内应能看到多于一次的质子衰变)。
人们进行了一系列实验,可惜没有得到任何质子或中子衰变的确实证据。有一个实验是在俄亥俄的莫尔顿盐矿里进行的(为了避免其他因宇宙射线引起的会和质子衰变相混淆的事件发生),用了8000吨水。由于在实验中没有观测到自发的质子衰变,因此可以估算出,可能的质子寿命至少应为1000万亿亿亿(1后面跟31个0)年。这比简单的大统一理论所预言的寿命更长。然而,一些更精致的大统一理论预言的寿命比这更长,因此需要用更灵敏的手段对甚至更大量的物质进行检验。
尽管观测质子的自发衰变非常困难,但很可能正由于这相反的过程,即质子,或更简单地说,夸克的产生导致了我们的存在。它们是从宇宙开初的可以想像的最自然的方式——一夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子,进而由夸克构成。除了少数由物理学家在大型粒子加速器中产生的以外,不存在由反夸克构成的反质子和反中子。我们从宇宙线中得到的证据表明,我们星系中的所有物质也是这样:除了少数当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生的以外,没有发现反质子和反中子。如果在我们星系中有很大区域的反物质,则可以预料,在正反物质的边界会观测到大量的辐射。许多粒子在那里和它们的反粒子相碰撞、相互湮灭并释放出高能辐射。
我们没有直接的证据,表明其他星系中的物质是由质子、中子还是由反质子、反中子构成,但两者必居其一,在单一的宇宙中不能有混合,否则,我们又会观察到大量由湮灭产生的辐射。因此,我们相信,所有的星系是由夸克而不是反夸克构成;看来,一些星系为物质,而另一些星系为反物质也是难以置信的。
为什么夸克比反夸克多这么多?为何它们的数目不相等?这数目有所不同肯定使我们交了好运,否则,早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了,只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。因此,后来也就不会有人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸的是,大统一理论可以解释,尽管甚至刚开始时两者数量相等,为何现在宇宙中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的,大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。它们也允许相反的过程,反夸克变成电子,电子和反电子变成反夸克和夸克。在极早期宇宙有一时期是如此之热,粒子能量高到足以发生这些转变。但是,它为何使夸克比反夸克多呢?原因在于,物理定律对于粒子和反粒子不是完全相同的。
直到1956年人们都相信,物理定律分别服从三个叫做c、(电荷)对称的意义是,定律对于粒子和反粒子是相同的;p(宇称)对称的意义是,定律对于任何情景和它的镜像(右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子)是相同的;t(时间)对称的意义是,如果你颠倒所有粒子和反粒子的运动方向,系统应回到早先的那样;换言之,定律对于前进或后退的时间方向是一样的。1956年,两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从p对称。换言之,弱力使得宇宙和宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年,他们的一位同事吴健雄证明了他们的预言是正确的。她把放射性原子的核排列在磁场中,使它们的自旋方向一致。实验表明,在一个方向比另一方向发射出得更多电子。次年,李和杨为此获得诺贝尔奖。人们还发现弱作用不服从c对称,即是说,它使得由反粒子构成的宇宙以和我们的宇宙不同的方式行为。尽管如此,弱力似乎确实服从cp联合对称。也就是说,如果每个粒子都
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