互动科普

引力就是时空，因此才是特殊的

Newton：在4种基本力中，只有引力非常微弱，为什么引力如此特殊呢？

曼加诺：引力直接关系到时空构造，这大概是引力非常特殊的一个最重要的理由吧（下图）。时空就是引力。如果没有引力的话，也不可能诞生如今的宇宙。对我们赖以生存的世界来说，引力是最基本的。

因此，引力拥有不同于其他力的特殊性质。引力导致时空弯曲，其他的力则不会导致时空弯曲。引力与时空的关系，就如同从两个侧面观察同一个物体。

Newton：既然引力这么特殊，那么，把它与其他的力共同列为“4种基本力”是否恰当呢？

曼加诺：引力非常特殊，这一点是肯定的，但是，从数学上来说，这四种力都具有非常相似的性质。

超弦理论认为，基本粒子分为两种，一种是闭弦，另一种是开弦。传递引力的基本粒子是闭弦，传递其他力的基本粒子是开弦。

我们知道，在超弦理论中，为了解释引力以外的力，例如电磁力而构建理论时，很自然就推导出存在着引力（用闭弦表示）。本来是考虑其他力的，却突然产生了引力。我觉得这是很好的一个例子，表明引力是可以与其他的力一起处理的。

图： 时空与引力的关系 

上图描绘了两个天体（A与B）在引力的作用下相互吸引的情形。爱因斯坦创立的广义相对论认为，有质量的物体周围所产生的空间（时空）弯曲是引力。物体的质量越大，时空弯曲越厉害，引力越大。

额外维度的发现将带来新的谜团

Newton：虽然现在有好几种理论都预言存在额外维度，您认为哪个理论最接近于“正确”呢？

曼加诺：为了寻找额外维度，首先要在理论上进行预测，这是非常重要的，但是，我们很难说哪个理论看上去最正确。我认为现在还没有一个理论能够完美地解释引力为何如此微弱。

Newton：如果发现了额外维度的话，那么，物理学家们接下来要做的事情是什么？

曼加诺：老实说，这事儿我还没有考虑过呢（笑）。就好像被人问，如果你下星期买彩票中了大奖的话，你会做什么之类的问题，因为我是不会中大奖的。

例如，科学家们花费了40年的时间才证实了基本粒子标准理论是正确的。早在1973年标准理论就已经归纳为如今的形式了，直到2012年发现希格斯粒子后，其正确性才最终被证实。

关于额外维度，首先需要很长的时间才能证实是否真的存在。即便证实了真的存在额外维度，还需要花费更长的时间来解释额外维度到底是怎样产生的。

如果我们能证实世界真的是超弦理论所预言的10维时空的话，随之又会产生新的疑问：为什么只有其中的4维（3维空间和1维时间）是大的，其余的6维变小了呢？这将是一个巨大的谜团。

发现理论的错误，意味着科学的进步

Newton：我想请教一下，除了额外维度之外，您还对什么课题感兴趣？

曼加诺：我的研究大多与LHC有关，不过，我现在最关心的是如何尽量正确地理解标准理论。同时，我也非常关注与标准理论的预测相比，各种实验结果是否有标准理论无法解释的现象。

如果有人问我，是否有一个理论能超越超弦理论的话，我可能会说，超对称理论（右上图）。作为超越超弦理论的理论，超对称理论看上去非常有魅力。我觉得，超对称这一想法超越了单纯的一个理论，因而含有非常深刻的意义。现在，大家已经逐渐慢慢意识到，超对称这一性质在我们生活的世界里具有相当重要的意义。

现实问题是，在LHC现有能量范围内能否发现超对称（粒子），还是需要更高的能量才能发现。不过，我认为，就算没有这种举世瞩目的大发现，LHC也算得上是非常成功的，并非只有发现了额外维度或超对称才算得上成功。LHC已经帮助我们发现了许多未知世界的结构。

虽然研究人员已经发表了一些论文，介绍了在寻找希格斯粒子和超对称粒子等方面的重要发现，但是，这只不过是LHC成果的10%。其他论文也测定了人类迄今为止从未见过的自然的性质，我觉得这是非常有意义的。

Newton：从事理论研究的乐趣是什么？

曼加诺：与其证明自己的理论是正确的，倒不如说看到科学在一点点地进步更令人激动和兴奋。例如，就算我从事的有关标准理论的计算被证明是错误的，这意味着存在超越了标准理论的新科学。也就是说，这是科学的进步，应该令人感到高兴。

Newton：许多年轻人都希望在科学研究的第一线如欧洲核子研究中心从事研究工作，您能给他们提一些建议吗？

曼加诺：希望他们有足够的耐心，同时还要真正了解到底什么能给自己带来快乐。

很多学生来核子研究中心的目的是为了能有一个大的发现而出名（笑）。但是，科学发现并不是每年都有的，或许需要花费20年的时间才能发现新的东西。因此，就算没有任何新的发现，不能出名，在这20年里也要快乐地从事科研，尽情享受探索自然这一活动本身所带来的快乐。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）