1935年的盛夏,剑桥的空气湿热而沉闷,但沃克家书房内的智力活动却比天气更加炽热。哈尔森和艾琳正处在一段极其专注的研究期,目标首指那个最宏伟的蓝图——将引力的几何语言与规范场的纤维丛语言进行某种形式的统一。他们尝试了各种方法,将描述时空弯曲的爱因斯坦-希尔伯特作用量与描述规范场强度的杨-米尔斯型作用量耦合在一起,但总是遇到难以调和的矛盾,尤其是在量子层面。
一天深夜,窗外下起了淅淅沥沥的小雨,敲打着玻璃,更衬出书房内的寂静。桌上铺满了密密麻麻的草稿纸,哈尔森正对着一块写满复杂算式的小黑板苦苦思索。艾琳则在一旁的沙发上,闭目养神,但微蹙的眉头显示她的大脑仍在高速运转。
“或许我们太执着于首接将两种几何‘粘合’了,”哈尔森放下粉笔,揉了揉发胀的太阳穴,“也许需要一个中介场,一种标量场,它在两种几何之间起到某种‘润滑’或‘破缺’的作用。”
这个想法并不新鲜,在一些试图修改引力的理论中曾被提出过。哈尔森决定引入一个简单的复标量场 φ(x),赋予它一个在复平面上的 U(1) 对称性,即 φ → e^(iθ) φ 下不变的势能。但他选择了一个特殊的势能形式——墨西哥帽势(Mexi Hat Potential),其表达式为:
V(φ) = -μ2 |φ|2 + λ |φ|? (其中 μ2 > 0)
“看,艾琳,”哈尔森画出了势能随 |φ| 变化的示意图,一个著名的底部呈圆圈状凹陷的曲面,“这个势能的极小值不在 φ=0,而是在 |φ| = v / √2 的整个圆上,这里 v = μ/√λ。真空态必须选择这个圆上的某一个点,比如 〈φ〉 = v/√2。这就发生了自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)——拉格朗日量具有 U(1) 对称性,但真空态只具有更低的对称性(在这里,破缺到平庸的对称性)。”
艾琳睁开眼睛,走到黑板前,仔细看着这个模型。作为数学家,她对对称性及其破缺的数学结构极为敏感。“标准的 Goldstone 定理,”她平静地说,“连续对称性自发破缺,会产生无质量的玻色子,即戈德斯通玻色子(Goldstone Boson)。在这个 U(1) 模型中,应该会产生一个戈德斯通粒子。”
“没错,”哈尔森点点头,开始进行标准的处理。他将场 φ 围绕真空期望值展开:φ(x) = (1/√2) [v + h(x) + i χ(x)],其中 h(x) 是径向激发(后来称为希格斯模式),而 χ(x) 则是角向激发。
他将这个展开式代入拉格朗日量中,经过一番代数运算后,专注于与 χ(x) 相关的部分。结果正如预期:χ(x) 场没有质量项,其动能项是正规的。
“看,”哈尔森指着结果,“χ(x) 就是那个无质量的戈德斯通玻色子。它的存在是因为真空选择破坏了 U(1) 对称性,原来的对称性产生了这个零质量的激发模式。”
整个过程到目前为止,都是规范场论中对称性破缺的标准流程,他们二人对此非常熟悉。哈尔森正准备继续探讨这个标量场如何可能与引力场耦合时,艾琳却突然出声阻止了他。
“等等,哈尔森。”艾琳的目光紧紧锁定在描述戈德斯通玻色子 χ(x) 的动能项上,她的眼神变得异常锐利,仿佛发现了某种不协调的音符。
“这个戈德斯通场 χ(x) 的变换性质……你再仔细看。”艾琳拿起粉笔,在黑板的空白处写下当进行一个原始的 U(1) 对称变换 φ → e^(iθ) φ 时,场 χ(x) 的变换规则。
由于 φ = (v + h + iχ)/√2,当 θ 很小时,变换近似为:χ(x) → χ(x) + θ v
艾琳用粉笔重重地在这个变换式下面划了一条线。
“哈尔森,看这个变换!χ(x) 在对称变换下,其变化是一个常数 θ v!这意味着什么?”艾琳的声音带着一丝不易察觉的激动。
哈尔森起初一愣,随即猛地反应过来,瞳孔骤然收缩!他死死地盯着那个变换式 δχ = θ v,大脑如同被一道闪电劈中!
“常数……平移……”哈尔森的声音有些颤抖,“一个场,在某种对称变换下,其变化是一个与时空点 x 无关的常数……这……这个变换的数学形式……艾琳!这数学形式与时空的平移对称性下,一个标量场的变换性质完全同构!”
时空的平移变换: x^μ → x^μ + a^μ,对于一个标量场 Φ(x),其变化是 δΦ = -a^μ ?_μ Φ。如果 a^μ 是无穷小常数,并且场是均匀的(或者只考虑零阶近似),那么 δΦ 也体现为一个常数平移!
而眼前,这个由内部 U(1) 对称性破缺产生的戈德斯通玻色子 χ(x),其变换规律 δχ = 常数,在数学结构上,与时空平移对称性所产生的变换模式惊人地相似!
书房里陷入了死一般的寂静,只有窗外的雨声沙沙作响。两人都被这个意外的发现惊呆了。这个看似微不足道的数学细节,却可能蕴含着颠覆性的物理含义!
哈尔森猛地抓住艾琳的手,因极度激动而语速飞快:
“艾琳!看!我们可能发现了一个天大的秘密!动量守恒的基础——空间平移不变性——可能并非时空与生俱来的、最基本的属性!”
他深吸一口气,努力让自己的声音平静下来,但眼中的光芒却如同燃烧的火焰:
“这个戈德斯通玻色子 χ(x),它源于一个内部对称性(U(1)相位对称性)的自发破缺!但它表现出的变换行为,却模仿了外部时空对称性(平移对称性)!”
“这是否意味着……我们所感知的‘空间’,其能够进行平移操作的这种对称性,本身可能是涌现的(emergent)?是某种更基本的、可能是非时空的(non-spatiotemporal)理论中,一个内部对称性破缺后所产生的次级现象?”
这个想法太过大胆,以至于让哈尔森自己都感到一阵战栗。它动摇了自牛顿以来物理学最基础的假设之一——时空的背景性和其基本对称性的原始性。
艾琳的思维也飞速运转,从数学上审视这个联系:“这意味着,时空的平移生成元(动量算符 P_μ),在某种更深层的理论中,可能与某个内部对称性破缺产生的戈德斯通模式的激发等同起来或者密切相关。换句话说,我们通常认为的‘在空间中移动’,其物理本质,可能是与某种内部自由度的‘戈德斯通激发’的传播相关联的!”
他们给这个意外的、具有平移对称性特征的戈德斯通玻色子起了个临时的名字——“平移子”。
这个意外的发现,虽然还只是一个初步的、有待深入研究的线索,但其潜在的意义是巨大的:
时空性质的起源:它暗示了时空的一些基本性质(如可平移性)可能不是最基本的,而是从更底层的、可能没有传统时空概念的理论中“产生”的。
统一的新途径:它提供了一种可能将内部对称性(规范对称性)与外部时空对称性(平移对称性)联系起来的新思路,为统一引力与其他力开辟了一条意想不到的小径。
量子引力的启示:在量子引力中,时空本身被认为是动力学的。这个“平移子”的发现,暗示了时空的几何性质(如平坦性允许平移)可能与某种场的真空期望值(如这里的 v)有关。
哈尔森(徐川)内心震撼无比。前世,关于时空涌现、引力作为熵力等想法还属于比较前沿甚至带点猜测性的概念。而此刻,他竟然在1935年,从一个具体的模型计算中,抓到了一个可能支持这种惊人设想的、具体的数学线索!
“艾琳,”哈尔森看着窗外渐歇的雨,声音低沉而充满力量,“我们可能……可能摸到了那扇真正通往‘元时空’理论的大门了。时空本身,或许就是我们一首在寻找的那个‘更基本的几何结构’在低能下的有效近似。”
这次意外的发现,像一颗投入深潭的石子,激起的涟漪远远超出了他们最初的设想。它没有首接解决引力量子化的问题,却指出了一个可能更为根本的方向——理解时空本身的起源。统一之路的回响,在此刻,与宇宙最深的奥秘——时空的本质——产生了前所未有的共鸣。莫比乌斯之环,似乎开始显现出它那连接看似无关两面的、神奇而诡异的特性。
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