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物理學陷入困境:接下來該怎么辦?
物理學陷入困境:接下來該怎么辦?
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  英文原文:Crunch time for physics: What's next?

  (上) 

  19世紀末,由于牛頓力學和麥克斯韋電磁理論趨于完善,一些物理學家認為,“物理學的發展實際上已經結束,物理學已經走到窮途末路了”。殊不知,彼時彼刻,物理學正醞釀著兩場翻天覆地的大革命:愛因斯坦的相對論徹底地改變了人們對時間、空間、重力以及宏觀宇宙的理解;而量子力學則揭示出一個奇異的微觀宇宙。這兩大橫空出世的革命令人驚覺宇宙之神奇以及人類直覺之不可靠。

  然而,事情并沒有就此結束,物理學的車輪仍然在科學的驅使下滾滾前行。將量子理論和粒子物理學標準模型這兩大20世紀的支柱理論整合起來,創建出一個最終解釋萬事萬物運行規律的“萬物之理”,仍舊是科學家們一直在苦苦追尋的夢想。疑似希格斯玻色子的發現或許只是一個啟示,告訴我們到了我們再次刷新物理學面貌的時候了。當然,一切還是要從最基本的問題出發。

  為此,英國《新科學家》網站(www.newscientist.com)集結了眾多當代著名物理學家的真知灼見,為我們梳理了物理學的現狀和面臨的困境,以幫助我們消除心頭的疑問。

  第一部分:

  物理學陷入的困境

  布賴恩·格林:美國哥倫比亞大學的理論物理學教授,以下文字摘自于他2011年出版的著作《隱藏的現實》。格林被公認在超弦理論中做出了很多具有開拓性的發現,他曾在20多個國家開過普及和專業講座,著有《優雅的宇宙》《宇宙結構和優雅宇宙》等書。

  數學是現實之根嗎?

  是什么讓我們如此確定數學能揭示自然界最深處的奧秘呢?

  19世紀晚期,英國物理學家、數學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋意識到光是一種電磁波,他基于此創立的麥克斯韋方程組表明,光速應該為30萬千米/秒。這一數據與實驗測得的數值相差無幾。但是,麥克斯韋方程組給后人留下了一點小小煩惱,那就是,30萬千米/秒這一數值是相對于什么而言的呢?

  愛因斯坦為了解決光速的參考系問題,人為地引入了“以太(aether)”這一概念。愛因斯坦設想在宇宙中充滿了一種均勻的無質量的物質,他把它叫做“以太”,光速就是以這種“以太”為參照系的。但是,后來的理論發展和實驗卻證明,“以太”是不存在的,光速在任何參考系中都是一樣的。這也是狹義相對論的一個基礎。

  愛因斯坦創立的狹義相對論顛覆了幾個世紀以來與空間、時間、物質和能量有關的一切思想,但愛因斯坦并沒有止步于此,最終,他創立了廣義相對論。廣義相對論認為,萬有引力不是一般的力,而是時空彎曲的表現。廣義相對論目前仍然是宇宙模型的基礎。

  上述細節具有重大的歷史意義,但又不僅如此,所有人都看到了麥克斯韋方程組背后的數學,而只有天才的愛因斯坦才花費了很大的精力和心血來研究它,并最終基于此做出了偉大的發現。

  這個故事很好地闡釋了諾貝爾獎得主史蒂芬·溫伯格的一段話。溫伯格曾經表示:“我們的錯誤并不在于我們太把已有的理論當回事,而在于我們并沒有對它們給予足夠的重視。”

  溫伯格的這段話指的是天文學上的另一個重大突破——美國科學家拉爾夫·阿爾法、羅伯特·赫爾曼以及喬治·伽莫夫的預測,即大爆炸之后的瞬間會產生宇宙微波背景輻射。其實,只要科學家們將廣義相對論與基本的熱力學理論結合在一起考慮,就會自然而然地得出上述結論。

  1948年,阿爾法和赫爾曼預言,宇宙大爆炸產生的殘留輻射,由于宇宙的膨脹和冷卻,如今它所具有的溫度約為絕對零度(零下273攝氏度)以上5開,或者說5K。但是他們的預言并未引起人們的普遍重視。

  直到1965年,美國新澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在為跟蹤一顆衛星而校準一具很靈敏的無線電天線時,十分意外地發現了這種宇宙輻射場。與此同時,在附近的普林斯頓大學,由羅伯特·迪克領導的科學小組也已獨立地發現了阿爾法和赫爾曼作過的預言,并著手設計出了一臺探測器以供搜索大爆炸的殘留輻射。他們假設它是熱輻射,那么它所具有的能量就相應于2.7K的溫度——這與阿爾法和赫爾曼富于靈感的估計非常接近。科學家們將其稱為“宇宙微波背景輻射”。宇宙微波背景輻射的存在,給大爆炸理論提供了有力的支持。

  無可否認,溫伯格的這句話具有很強的現實意義。盡管多年來,已經有很多實驗證明與現實世界有關的數學是他埋首于書桌得到的,但是這并不是說我們的理論學家們隨便涂抹的任何方程式都能達到溫伯格的水平。沒有令人信服的實驗結果,認定哪個方程式值得認真對待,這可真是一件藝術活。

  當然,愛因斯坦就是這方面的藝術大師。在他于1905年發表了狹義相對論公式之后的幾十年內,他就對數學的各個領域爛熟于心了,而同時代的大多數物理學家則對這些領域知之甚少甚至一無所知。在他邁向廣義相對論的最終等式的過程中,在將這些數學結構同他的物理學直覺結合在一起這個方面,愛因斯坦展示出了罕見的天賦。

  比如,1919年,當愛因斯坦看到一條消息說,科學家們對日全食的觀測證實了廣義相對論的預測——光應沿著曲線行進時,他強調說,要是結果不一樣,“他只能對上帝說‘抱歉’了,因為他確信他的理論是正確的”。

  我非常確信,當能夠顛覆廣義相對論的有說服力的數據出現時,愛因斯坦肯定會換種口氣說話。但是,愛因斯坦的這句話,卻很好地展示了一套數學方程式如何通過它們條理清晰的內部邏輯、優雅美妙的結構以及廣泛的適用性來精確地彰顯現實。幾個世紀的發現已經為我們提供了豐富的證據,表明數學能夠揭示世間萬事萬物不為人知的運行奧秘,而且,物理學也在數學的引領下,一次次迎來了不朽的巨變。

  然而,愛因斯坦對于他本人提出的數學方程,接受程度也是有限的。他并沒有“足夠認真”地看待他的廣義相對論,他并不相信廣義相對論能預測出黑洞或者宇宙在不斷膨脹。但是,其他科學家卻比愛因斯坦本人更重視廣義相對論的方程式,而且,這些科學家研究愛因斯坦理論所取得的成就在近百年來已經為人們理解宇宙學確定了航向。

  相反,在其生命的最后20年里,愛因斯坦將全副身心都投入到了數學領域,希望能夠為物理學創立一個大一統的理論。不過,當我們檢閱歷史時,我們不得不承認,那些年里,愛因斯坦對他所處的數學叢林過于執著了,甚至有人都覺得他好像被數學牽著鼻子走,有點過于“盲目”了。在應該認真嚴肅地對待哪個方程式這一問題上,甚至愛因斯坦有時也會犯錯。

  量子力學卻為這種物理學和數學之間的困境提供了另外一種可能的解決辦法。1926年,埃爾溫·薛定諤寫下了他的量子波等式,在此后的幾十年間,人們認為這個等式僅僅與分子、原子和亞原子粒子等一些微小的領域相關。但是,1957年,普林斯頓大學的休·艾福雷特博士對愛因斯坦在半個世紀之前的建議——要嚴肅對待數學作出了回應。艾福雷特認為,薛定諤的等式應該可以適用于任何方面,因為所有的物質,無論大小,都由原子、分子和亞原子粒子組成,而這些粒子全部遵循薛定諤提出的概率法則。按照這種邏輯推演下去,我們可以得出一個結論,那就是,不僅實驗裝置會遵循薛定諤方程,實驗對象也是如此。艾福雷特據此提出了他的“多重宇宙理論”。該理論認為,宇宙在第一次“大爆炸”后還在不斷“大爆炸”,形成無數宇宙,因此,在一系列平行世界中,所有可能的結果都可能會實現。

  50多年過去了,我們仍然不知道艾福雷特的推論方法是否正確。但是,通過非常嚴肅認真地對待量子理論背后的數學,他可能已經做出了科學探索領域內最有意義的一個。從此,旨在幫助我們更深入地理解現實的很多數學方程式,都普遍引入了各種版本的多重宇宙。簡而化之,“多重宇宙”指的是在數學上允許存在的每個可能的宇宙都對應著一個真實的宇宙。極端一點來說就是,數學即現實。

  如果迫使我們思考平行世界的某些數學方程式或者所有的數學方程式都被證明與現實有關,那么,愛因斯坦著名的“追問”——該宇宙擁有它所具有的特征是否僅僅因為沒有其他宇宙可能具有該特征這一問題將有一個確定無疑的答案:不。我們的宇宙并非唯一一種可能,其性質可能與現在不同,而且,其他宇宙的性質確實也可能不同。如果真是如此,那么,為什么某些事情會是現在這種情況?為其尋找一個基本的解釋將是一件徒勞無功的事情。毫無疑問,統計可能或者純粹是偶然無疑會進入我們對于巨大宇宙的理解中。

  我并不知道事情最終會有一個怎樣的結局,也沒有任何人知道。但是,只有通過無畏的付出和追尋,我們才能深切地了解到我們的局限性。只有通過理智地追尋理論,通過嚴肅地對待數學,即使有些數學方程式會將我們引入完全陌生的領域,我們也有機會揭示隱藏著的現實。

  斯蒂芬·巴特斯:現居倫敦,是《新科學家》雜志的顧問。

  宇宙心臟深處的黑暗虛空

  我們已經建立起來的宇宙模型非常成功,可能很大程度上是因為,模型中的絕大部分完全是出自于我們的想象吧。

  對我們的眼睛來說,星星即宇宙。但是,對宇宙學家來說,星星不過是一些閃光的微塵,是宇宙這所大房子的重要裝飾物而已。在宇宙空間內,還存在著兩種難以捉摸的物質,其重要性遠遠超過普通的星星和氣體,那就是:暗物質和暗能量,我們對它們一無所知,但我們知道,它們顯然與萬事萬物都有關聯。

  這對“孿生幽靈”或許足以讓我們停下奔忙的腳步,促使我們思考,我們歷時一個多世紀費心費力創建的宇宙模型是否正確。而且,情況還不止于此。我們的標準宇宙學模型也表明,在大爆炸之后的一霎那,空間就被第三種目前還不為人所知的東西拉伸成形,科學家們將這第三種“暗勢力”稱為“暴脹場”。這或許意味著,在我們看不見的地方,還存在著無窮多個其他的宇宙,其中的大部分宇宙對于我們來說另類得不可思議,其存在可能只是為了讓我們建立的宇宙模型更好地發揮作用而已。

  那么,讓我們的觀察來承載這些“暗夜幽靈”,是否有點過于沉重呢!?難不成真如馬克·吐溫所說的:我們只是投資了一點微小的事實,就能得到一大堆的推測?

  我們的標準宇宙學的物理學基礎是愛因斯坦的廣義相對論,廣義相對論始于一個非常簡單的觀察:任何物體的引力重量完全等于其慣性質量,愛因斯坦對這一等效原理的闡釋,亦是廣義相對論的根本精神,就是質量導致時空彎曲,而彎曲的時空則導致其他質量加速。蘋果落地就可以采用這種方法來解釋:因為地球的質量很大,使其周圍的四維時空發生了彎曲,因此,蘋果就順著彎曲的時空向地球移動了。

  廣義相對論是一種嶄新的重力理論。當涉及到微弱的重力場時,它可被簡化為牛頓理論。因此牛頓的重力理論可看成是廣義相對論的近似。日常生活的重力現象都可以用牛頓或廣義相對論描述。不過,當重力場很強的時候,二者就有差異。在強大的重力場下,廣義相對論預言的有些結果就與牛頓重力相異。這些當然都由時空彎曲引起。例如光線會被重力場扭曲,就沒有牛頓理論的對應。

  廣義相對論的另外一個重要預測是,時空擾動可以波動形式傳播。這些引力波就像水面被擾動時傳出的水波,但波動的是時空本身。不過,引力波的強度很弱,而且物質對引力波的吸收效率極低,因此直接探測引力波極為困難。美歐日等國家都在建造一些大型的引力波天線,希望能接收到宇宙遠方傳來的微弱的引力波。曾有人宣稱在實驗室內探測到了引力波,但未得到公認。1974年,天文學家們觀察到一對致密的名為脈沖星的恒星相互圍繞,按照廣義相對論的預測,如果它們因為釋放出引力波從而損失一部分能量就會如此。

  在宇宙的尺度上,萬有引力是自然界的支配之力,因此,代表了現代物理學中引力理論研究最高水平的廣義相對論(是一種關于萬有引力本質的理論)是我們最好的工具,我們可以借助廣義相對論為宇宙創建模型,描述和展示宇宙作為一個整體是如何移動的以及宇宙的一舉一動。廣義相對論方程是一個以時空為自變量、以度規為因變量的帶有橢圓形約束的二階雙曲型偏微分方程,它以復雜而美妙著稱,而且,其可調節的參數多得令人發憷,如果提供一個復雜的輸入,諸如真實宇宙的質量和能量散亂分布的細節,這個方程幾乎就很難有解了。為了創建出一個實用的宇宙學模型,我們需要簡化假設。

  其中主要的假設是哥白尼原則(The Copernican principle),這是物理學和哲學的一條基本法則,以文藝復興時代提出“日心說”的波蘭天文學家尼古拉·哥白尼命名。它的定義是:沒有一個觀測者有特別的位置,宇宙各處看起來應該都一樣。當我們在足夠大的層面上觀察時,也的確如此,萬事萬物都分布得非常均勻。這意味著愛因斯坦方程只需要帶入一個參數就夠了,那就是宇宙的物質密度。廣義相對論認為,時空彎曲的程度是由物質的密度分布所決定的。

  愛因斯坦最大的錯誤

  有鑒于此,愛因斯坦用具有統一密度的惰性塵埃來填充他的第一個精簡版的宇宙模型,該模型所展示的宇宙在自身的引力下會收縮。他認為這是個問題,因此,發明了一個術語(宇宙常數)來抵消幾乎無處不在的引力,用以保持宇宙的恒定不變。然而,上世紀20年代,觀測結果表明,宇宙實際上在不斷膨脹,愛因斯坦后來將宇宙常數稱為他一生中“最大的錯誤”。

  隨后,其他科學家將廣義相對論的方程式應用于不斷膨脹的宇宙,并創建出了一個新的宇宙模型,該模型認為宇宙源于一個最初密度無限大的點,因為物質的重力,宇宙膨脹的速度逐漸變慢。宇宙大爆炸天文學就這樣橫空出世了。不過,我們也面臨一個主要的問題,那就是,這種膨脹是否會停止。答案似乎是否定的。在不斷漂浮的星系內,重力能夠駕馭的物質少得可憐,宇宙將不斷平滑地向外膨脹。

  此時此刻,暗物質和暗能量這些宇宙“幽靈”開始慢慢浮出水面,變得具體,且進入人們的思維。20世紀30年代,瑞士天文學家弗里茨·茨威基發表了一個驚人結果:在星系團中,看得見的星系只占總質量的1/300以下,而99%以上的質量是看不見的。茨威基首先發現了暗物質的存在,他的發現大大推動了物理學的發展。但由于暗物質根本不與光發生作用,更不會發光,在天文上用光的手段絕對看不到暗物質,因此,當時許多人并不相信茨威基的結果。

  直到20世紀70年代初,科學家在觀測宇宙其他一些星系中的恒星運行速度時就發現,越往外,圍繞中心的速度并不都是衰減下去,而是和內圈恒星的速度差不多。這與越往外,物質越少,引力也越小,速度也應該越低的常規不符。由此反推,此時雖然外圈的那些能被直接觀測到并數出來的星星數目變少了,但其實內部的物質數量并沒有減少,引力也沒有變小,只不過觀測不到而已,科學家們大膽地猜測:宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發現,這些物質被稱為“暗物質”。

  此后,其他證據,包括星系群的運動方式、星系朝我們而來的路上彎曲光線的方式等,都成為暗物質存在的證據。另外,在最開始,為了將物質緊緊膠合在一起產生星系,也需要暗物質。科學家們還推測,暗物質的數量可能是可見的氣體和星星的5倍。

  目前,暗物質的身份對我們來說仍是一個未解之謎,暗物質似乎并不在粒子物理標準模型之內。盡管我們盡了最大努力,卻仍然沒有在地球上制造出甚至觀察到暗物質。但是,它對宇宙學標準模型的影響微乎其微:在廣義相對論中,其引力作用與普通物質的引力作用一模一樣,而且,即使有這么多能產生豐富引力的物質,也很難讓宇宙停下膨脹的腳步。

  第二種“暗勢力”則引發了一場更加深刻的變革。在上世紀90年代,使用名為1a型的超新星爆發時測量的數據,天文學家們對宇宙膨脹進行了更加精確地追蹤。種種觀測數據表明,宇宙正在加速膨脹,似乎有某種斥力彌漫于廣袤的宇宙間,徹底打敗了物質間的萬有引力。科學家將這種尚不知道的反引力作用稱為“暗能量”。

  精準的配方

  這可能是愛因斯坦的“宇宙學常數”的再生,當然,這和當初愛因斯坦引入以給出平滑的宇宙模型不同,現在的“宇宙學常數”代表了暗物質和暗能量。科學家們認為,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能嚴格說其是一種斥力,只能稱其為能量。盡管如此,粒子物理學家們仍在糾結,為什么空間本身暗藏有這么小的能量密度呢?于是,富有想象力的理論學家們紛紛給出各種解釋,比如由迄今為止還沒有被看到的粒子產生的能量場;來自于可見的宇宙之外或者由其他維度發射過來的作用力等等。

  不過,上述富有想象力的觀點目前都沒有得到證實。無論暗能量是什么,它似乎足夠真實。目前為科學界普遍接受的宇宙起源理論認為,宇宙誕生于距今約137億年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景輻射被認為是“大爆炸”的“余燼”,均勻地分布于整個宇宙空間。“大爆炸”之后的宇宙溫度極高,之后30多萬年,隨著宇宙膨脹,溫度逐漸降低,宇宙微波背景輻射正是在此期間產生的。

  宇宙微波背景輻射上有一些溫度不一的斑點,分別代表著年輕宇宙密度稍高和密度稍低的地方。這些斑點的典型尺度可以被科學家們用來衡量空間作為一個整體被其內的物質和運動彎曲到何種程度。結果表明,宇宙看上去幾乎平滑無比,這意味著所有這些彎曲效應都必須被抵消。這就使得科學家們再次需要某些額外的排斥能量來平衡由于膨脹和物質的引力所導致的彎曲。星系在空間中的分布模式也給出了同樣的結論。

  所有這些觀測線索,讓我們獲得了一份宇宙的精確配方。空間中普通物質的平均密度是0.426攸克(yoctogram)(1攸克為10-24克)/立方米,這些物質占宇宙總能量密度的4.5%,而暗物質占22.5%,暗能量占73%。我們建立在廣義相對論基礎上的宇宙大爆炸模型與我們的科學觀察非常吻合,只要我們坦然接受我們虛構出來的“暗勢力”占據了宇宙95.5%的份額。

  不過,這并不意味著我們已經大功告成,我們必須“發明”更多東西才行。為了解釋宇宙為什么在各個方向看起來如此一致,目前的主流宇宙學理論還引入了第三種“詭異”元素,那就是暴脹場。宇宙學理論認為,當宇宙形成僅10-36秒時,一種具有顛覆性的力量接管了整個宇宙,這種力量就是暴脹場,其像暗能量一樣是排斥力,但比暗能量強大很多,它導致宇宙爆炸性地膨脹為原來的1025倍,讓宇宙變平滑,同時抹去了所有的整體不規則性。

  當這段暴脹期終結時,該暴脹場就轉化為物質和輻射。該暴脹場中的量子漲落,變成了宇宙密度的細微變化,最終演變為宇宙微波背景中的斑點和我們目前看到的漫天星系。

  而且,這個夢幻般的故事似乎與我們觀察到的事實非常吻合,它也再次引入了很多“空想”出來的概念。對于廣義相對論而言,暴脹并不麻煩,在數學上,只需要加上一個與宇宙學常數完全一樣的術語而已。但是,在某一時刻,該暴脹場一定占據了宇宙100%的空間,而且,其起源也像暗物質或暗能量一樣,對人們來說是個未解之謎。更重要的是,暴脹一旦開始,就很難停下來:它會繼續制造出很多與我們的宇宙風格迥異的宇宙。對有些宇宙學家來說,當他們重新審視我們的標準宇宙學的基本假設時,預言多重宇宙的存在顯而易見就有點迫不及待了。

  標準宇宙模型也有很多同我們的觀察不一致的地方。比如,宇宙大爆炸制造出的鋰-7在理論上多于宇宙本身包含的。另外,該模型也沒有解釋宇宙背景輻射中某些特征似乎能夠排列成行以及特定視線方向上的星系看起來似乎更傾向于左旋自轉。而且,科學家們最近發現了一個長達40億光年的超星系結構,也讓人們對宇宙在大層次上是平滑的這一假設提出了質疑。

  黑暗三重奏

  如果科學家們獲得更多數據,或者改變計算方法,上述諸多小麻煩很可能就會消失殆盡。但是,更大的問題仍然存在。美國哈佛—史密森尼天體物理學中心的物理學家羅伯特·柯什納表示:“我們不了解暗能量,也不了解暗物質,這令我們感到相當沮喪。”柯什納也是首先發現暗能量的超新星團隊中的一員。

  自從愛因斯坦創立滿是塵埃的宇宙模型以來,作為基礎的數學方法并沒有發生改變,但是,科學家們不斷朝這個模型“添磚加瓦”,使得現在的宇宙模型更富活力,而且細節更加明晰。科學家們現在已經精確地知道該宇宙的年齡和組成了。暗物質似乎制造出了星系和其他結構;暗能量則暗示著宇宙會加速膨脹,最終進入一個冰冷和孤獨的未來;暴脹理論表明宇宙源于一場暴力事件中。這三駕黑暗馬車,每一駕都指向一項全新的物理學。

  柯什納將這看成是一個挑戰。他說:“這并不意味著我們的理論中存在著任何瑕疵。我們也并不會因此而失望,相反,我們深受鼓舞。”但是,只要我們沒有在實驗室中獲得暗物質的證據,或者為暗能量找到能證明其存在物理學基礎,我們就有可能深陷某種根本性誤解的桎梏之中——或許,我們的宇宙學模型的數學基礎出現了一個非常根本的偏差,根本到了迄今為止還沒有人能夠想象得出這個錯誤會是哪種形式,只是一個未知的未知。那么,量子引力論會是我們前進的方向嗎?或者,某些新的觀察會讓我們再一次重寫我們建立在廣義相對論基礎上的宇宙學說?

  現在,我們只有一些最模糊的線索,指引著我們前往何處尋找替代的宇宙模型。但是,或許,我們只需要摒棄一個沒有人注意到的與現實有關的假設,帷幕就會被拉起,所有的黑暗勢力都將煙消云散,滿天繁星將再現光芒。

  (中)

   馬修·查默斯:來自英國布里斯托爾的自由撰稿人,2012年在《科學美國人》雜志上撰文《后希格斯粒子時代》。他表示,發現希格斯粒子之后,要對這種粒子進行更精細的研究,大型強子對撞機(LHC)已無法勝任。現在,科學家提出了4種方案,建造新一代對撞機,提高研究精度,以期發現標準模型之外的物理現象。

  希格斯粒子進入死胡同

  希格斯玻色子的發現讓歷史上最精確的科學模型——粒子物理學標準模型得以完整,但是,“一個故事的結束,也是另一個故事的開始”,這也預示著新問題即將出現。

  1964年2月,披頭士樂隊心中時刻想的就是讓美國為之傾倒,而彼時彼刻,一些強大的物質也在理論物理學家穆雷·蓋爾曼的大腦中盤旋。蓋爾曼思考的問題是:組成物質的原子和中子本身是否也由更小的物質組成呢?他將這種更小的物質命名為“夸克”。“夸克”一詞是穆雷·蓋爾曼改編自愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根守靈夜》(Finnegans Wake)中的詩句:“向麥克老大三呼夸克。” 取這一名字僅僅因為蓋爾曼喜歡這個單詞的發音,就像夸脫一樣。

  那時,物理學對變革理念的渴求就像困在沙漠中的人對綠洲的渴求一樣強烈。科學家們在宇宙射線中發現了幾十個奇異的新粒子,這似乎不合情理也毫無緣由。蓋爾曼發明的夸克使質子、中子和所有這些新粒子可以被描述為兩個或者三個更基本的粒子的組合。

  對于大多數物理學家來說,這一想法有點太過于超前了。新粒子打破了既定的規則,因為其擁有+2/3、-1/3這樣的電荷,而且,科學家們或許也從來不會看到這些粒子“獨自起舞”。情況為什么會變得這么奇妙呢?

  為什么就不能如此呢?現就職于墨西哥州桑塔費研究所的蓋爾曼反駁道:“每個人都在說,這也不可能,那也不可能,但或許本來就毫無道理,或許自然就是如此奇妙。”結果也表明正是如此。現在,夸克已經成為所有科學里最禁得住檢驗的理論模型——粒子物理學標準模型的基礎。在40年的歲月中,標準模型展示出了不可思議的能力,一次次地將理論學家們的夢想變成無可辯駁的事實。2012年7月,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)實驗組宣稱發現了希格斯玻色子,這只是標準模型最新、最驚人、最引人矚目的一次展示而已。

  盡管科學家們已經取得了如此驚人的成就,但是,“盛極而衰”“物理學已日薄西山”等言語卻不絕于耳。有了希格斯玻色子,明顯不完整的標準模型變得更加完整完滿,但是,這并不表示該模型沒有瑕疵,而實驗也無力再提供線索,供科學家們創建出更好的模型來彌補其不足。歷史再次重演,粒子物理學理論再次呼喚全新的變革。

  美國得克薩斯大學奧斯汀分校的理論學家斯蒂芬·溫伯格于1974年提出了“標準模型”。溫伯格表示:我并不希望這一術語成為教條,我希望它成為交流和實驗的基礎,讓科學家們借此獲得一些證據,證明標準模型是錯的。標準模型的基本要義在一張明信片上就能表述清楚:6個夸克成雙成對,構成除了質量以外其他一切都一模一樣的三“代”;諸如電子和中子等6個“輕子”也采用同樣的方式排列;另外還有一小撮玻色子在夸克和輕子之間傳遞自然界最基本的作用力。

  關于這些粒子最重要的事情是,它們在本質上都是量子粒子。量子理論源于20世紀初非常關鍵的發現,這些發現表明,原子釋放和吸收的輻射之所以具有這樣的波長,只能夠通過假定能量被打包成不連續的小份或者“量子”來解釋。順著這條思路,我們就能推導出一個怪異的二象性,在最小的尺度上,粒子是波,波也是粒子。這些“身份”含混不清的波—粒子的運動并不遵從牛頓經典力學,而是在抽象的數學空間中的奇異規則下跳著概率的舞蹈。

  到了上世紀20年代中期,量子力學大體已經成型,也經受住了所有實驗的考驗。但是,在上世紀20年代晚期,物理學天才、獲得諾貝爾獎的最年輕的理論物理學家保羅·狄拉克和其他人開始探究將量子力學和愛因斯坦的廣義相對論關聯起來,這一舉動在描述以接近光速運動的粒子方面邁出了關鍵的一步,自此,科學研究進入另外一番新天地。

  1928年,狄拉克提出了一個電子運動的相對論性量子力學方程,即狄拉克方程,該方程擁有不止一個解,這似乎預示著存在著這樣一種粒子,其屬性和電子類似,但是,電荷相反。五年后,科學家們在宇宙射線中發現了這種“正電子”。理論學家們也順勢而動,提出了“反物質”這一概念。

  量子場論作為標準模型的理論基礎,也是上述邏輯的集大成者。用場來傳遞力這一想法可以追溯到19世紀英國物理學家、化學家邁克爾·法拉第,但是,量子場的數學結構給這些量子場賦予了一些奇怪的屬性:它們可以從空無一物的真空中制造出粒子,再讓其湮滅于無形。因此,根據量子電動力學理論的觀點,兩個電子之所以會相互排斥,是因為一個光量子(光子)“作祟”,光量子是電磁場的量子粒子,不知所起而且會從一個電子傳到另一個電子那兒。無數個這樣的“虛擬”粒子不斷出沒,會輕微改變經典電子或者說“裸”電子的屬性。自從上世紀40年代以來,很多實驗都證實了這種變化,而且,精確程度令人瞠目結舌。

  量子理論將其他力囊括其中也頗費了一番功夫,花費了更長時間。在輻射衰變中將一種粒子變成另一種粒子的弱核力很長時間以來都被難以控制的無窮大所困擾,這就使得除了最簡單的一些效應以外,其他計算都陷入無望。時間繼續向前推進,到了上世紀60年代,溫伯格等人終于找到出路,將弱核力與電磁力統一成弱電力,這種弱電力只在能量極高的環境(比如早期宇宙)下才會“現身”。

  正如狄拉克方程預言了反物質的存在一樣,這一理論也預示了可能存在一些迄今還沒有被看到的粒子:大質量的W和Z玻色子——其主要作用是傳遞目前已經從弱電力中分離出來的短程弱核力以及希格斯玻色子。希格斯玻色子一定要存在,才能確保W和Z玻色子在統一的弱電力被分解成電磁力和弱核力的所謂“破缺”過程中獲得質量,從而將弱核力限制在原子距離范圍內;然而,與此同時,傳遞電磁力的光子則不會獲得質量,這就使得它們能夠自由自在地在宇宙中穿梭馳騁。

  與此同時,強核力(讓原子核緊緊依附在一起的作用力)的量子場理論也上演了一出“咸魚翻身”的好戲,用該理論的聯合創立者、美國加州大學圣巴巴拉分校的戴維·格羅斯的話來說,就是“從鬧劇到勝利”。量子色動力學也是蓋爾曼創造出的一個術語,量子色動力學通過將夸克之間的相互作用描述為它們不斷交換8種攜帶“色荷”的膠子,最終讓夸克名聲大噪;該理論還展示了夸克非常獨特的一點:那就是兩個夸克距離越遠,它們之間的作用力就越強。格羅斯說:“該理論不但揭示了為什么質子看上去由夸克構成,而且也解釋了為什么這些夸克從來不會被拉出質子的管轄疆域。”

  上述基本上就是標準模型的全部故事了。到了1973年,披頭士樂隊的成員們已經分道揚鑣,而在接下來的一段時期內,科學家們做出了一連串激動人心的發明,使得標準模型最終成型,其中包括約束所有粒子的行為的弱電統一理論以及僅僅對夸克和膠子起作用的量子色動力學。標準模型不僅充滿智慧而且非常優美。標準模型的方程式具有極端完美的對稱性,不僅描述了自然界中各種力的本質和特征,也告訴物理學家們應該前往何處尋找什么新粒子。

  果不其然,新粒子在粒子對撞機的數據中逐個“顯山露水”,這讓理論學家們狂喜不已。上世紀60年代末,科學家們就已經在實驗室獲得了三個夸克存在的證據,但是,直到上世紀70年代末,美國物理學家們才推測出第四和第五種夸克粒子的存在,并最終在1995年推測出立刻第6個種“頂”夸克粒子的存在。

  到了2000年,最后一個輕子τ中微子才被科學家們收入囊中。在這場發現新粒子的戰爭的另一端,德國漢堡城外的德國電子同步加速器研究所(DESY)的科學家們于1979年捕獲了膠子;歐洲核子研究中心的科學家們在1983年抓住了W和Z玻色子。當時光機器前進到2012年時,歐洲核子研究中心的科學家們才眾望所歸地發現了標準模型預測的最著名的也是最后一種粒子——希格斯玻色子。

  對于溫伯格來說,標準模型的勝利之路顯得非常特別。他說:“你在辦公桌上用一些數學公式和概念來打發時間,然后發現,在花費了數十億美元之后,實驗物理學家們證實了這些想法,難道還有比這更加特別的事情嗎?”既然如此,但是,為什么他和其他科學家并沒有想象中得那么高興呢?

  令人驚奇的特征

  原因多種多樣。有些還涉及到美學。例如,為什么粒子會被分成三代?為什么最重的夸克的質量是最輕的夸克的7.5萬倍?標準模型的方程式或許非常簡潔優美,但是,為了讓它們具有預測中的能力,科學家們必須為其設定20多個“自由”參數,比如粒子的質量等。一個真正基本的理論,應該能夠借助量子理論的力量,或者某些還沒有人想到的更深層的理論,來清除這些惱人的枝枝蔓蔓。

  實際上,從技術上來講,標準模型并沒有統一強核力。弱電理論和量子色動力學只是被捆綁在一起,并不像弱核力和電磁力在量子層面上統一在一起。這也是科學家們在朝著最終獲得萬物之理的艱難路途上最先遇到的一個“攔路虎”。不僅如此,還不算我們之前談到的引力,迄今為止,引力還是用廣義相對論來描述的,而廣義相對論顯然與量子理論不合拍。既然說到了重力,為什么與其他作用力相比,重力顯得如此虛弱不堪呢(兩個質子間的電磁力的強度是質子間引力的1038倍)?這個所謂的“等級問題”是標準模型最令人困惑不已的特征之一。

  也有實驗證據表明,標準模型并非那么盡善盡美。比如,科學家們原先假定沒有質量的中子實際上卻有很小的質量。這玷污了標準模型的數學一致性,但或許也會成為科學家們創建標準模型以外的新物理模型的第一個指針。更神秘的仍然是暗物質和暗能量,宇宙學家們認為,宇宙96%的成分都由這兩名“暗勢力”組成,不過,標準模型對其身份仍然“緘口不言”。

  面對這些溝壑,理論學家們又開始向一直行之有效的老辦法求助:用新粒子和對稱性來填補空白。但這一次,現實似乎不買賬。目前為止,還沒有一臺粒子對撞機找到意料之外的奇異粒子的蛛絲馬跡,即使大型強子對撞機也概莫能外,盡管該機器目前還沒有達到最高能量運行的狀態。溫伯格表示:“極有可能,大型強子對撞機能做的就是繼續驗證標準模型的正確性而已。”

  那么,接下來我們應該怎么辦呢?簡而言之,我們并不知道。我們沒有從大型強子對撞機或者其他地方得到進一步的引導,我們會發現我們自己同希臘哲學家德謨克利特當時的境遇差不多——當時,他提出物質不可能被無限制地分割,2000年以后才被實驗推翻。值得我們記住的是,第一個符合德謨克利特的描述的“原子”并非整個故事的結局。盡管標準模型取得了如此巨大的成功,但是,對于蓋爾曼的夸克是否會成為另外一個“原子”,我們仍然一無所知。

  (邁克爾·布魯克斯:美國知名科普作家,著有《影響物理發展的20個大問題》等書。)

  不顧一切地尋找萬物之理

  一個最終將所有物理學理論整合在一起的大一統理論似乎還和以前一樣,距離我們非常遙遠——但是,這并不意味著我們應該停止追尋這個夢想的腳步。

  責備古時候的希臘人吧,一切都是他們引起的——是古希臘的一些科學家首先開始反對過去流傳的種種神話創世說,提出世界的本原是一些物質性的元素,如水、氣、火等,從而拉開了現代物理學研究的帷幕。責備古希臘人這一想法或許聽起來足夠合情合理,但是,潘多拉的魔盒一旦打開,就無法再關閉。如果我們深挖下去,我們能夠揭示現實的基礎:物質最終由什么組成?其一舉一動受什么規則支配。如果我們再進一步深究,我們將最終獲得金礦——天地萬物如何運轉的理論。

  在某種意義上,我們已經做得足夠好了。量子理論的奇異之處或許讓我們迷惑不已,但是,建立在其上的粒子物理的標準模型則將一切簡化為幾個基本的粒子以及僅僅三種力。廣義相對論提出的時空彎曲理論,用令人驚嘆的精確性描述了一個被第四種力——引力所支配的宇宙,為我們提供了另外一種看待宇宙的角度。是的,這兩個理論各有千秋,但是,我們最終能找到一個將二者合二為一的萬物之理嗎?

  如果用這個問題詢問很多物理學家,他們可能會暴跳如雷。“基本的粒子物理學已經非常完美了,就像俄國化學家季米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫制定的元素周期表一樣。”英國牛津大學的科學家戴維·德馳表示,“元素周期表一直在給事物歸類,而且也承認存在著一個基礎結構,只是,我們并不知道這個基礎結構是什么而已。”

  關鍵的問題是,量子力學和廣義相對論從根本上而言并不兼容。一般而言,我們用相對論來描述非常大的物體,比如星星、星系乃至整個宇宙等;同時,我們則借用量子理論來闡述非常小尺度的物體,比如分子、原子、亞原子粒子等,這都沒有問題。但是,為了完全而徹底地理解整個宇宙,我們必須知道微小的新生宇宙為何會變得如此龐大:追溯到大爆炸時代,就需要兩個理論一起工作才行。

  黑洞的存在也需要如此。就像斯蒂芬·霍金和以色列科學家、黑洞熱力學的奠基人之一雅各布·大衛·貝肯斯坦在上世紀70年代所證明的那樣,黑洞這樣符合廣義相對論的龐然大物或許會破壞被量子理論所禁止的信息。

  即使像時間和空間這樣基礎的事物也會告訴我們,當量子理論和廣義相對論相遇時,情況會變得多糟糕。相對論的時空是一個平滑的四維毯子;而作為標準物理模型基礎的量子場理論則表明,時空是由大小約為10-35米的像素點單元所組成,量子場論甚至并不將時間看成是真實且可觀察的事物。

  當物理學家們被要求在量子理論和廣義相對論之間做出一個選擇時,大多數物理學家可能會將錢壓在量子理論那邊,他們認為量子理論是“對”的,因為量子理論的數學基礎是一個非常成功的棱鏡,讓科學家們得以縱觀整個世界。當然,也有些人繼承了愛因斯坦的衣缽,對量子力學看起來的“不現實性”、怪異性以及表面不相關的物體之間反常識的聯系提出了質疑。這些科學家們認為,如果我們不能為這些聯系為什么會如此找到令人信服的物理原因,量子理論或許只是某些更好的理論的近似。

  科學家們試圖打破這一僵局,為此,他們提出了一些受到廣受支持的數學概念,諸如對稱等。其中之一就是超對稱,科學家們普遍認為超對稱是通往弦理論的一站,弦理論也是科學家們認為可以成為萬物之理的候選理論。弦理論預測,空間中隱藏著其他我們目前還沒發現的額外維度,誘發對稱性嵌入這些維度會讓能量彎曲成幾何狀態,這些幾何形狀看起來就像某些基本粒子,或者像空間遇到質量時發生彎曲的方式。

  弦理論也對粒子進行了很多可靠的描述,其中包括科學家們一直在努力追尋的引力子——一種攜帶引力的量子粒子。因此,弦理論只需幾步就能在量子理論的基礎上,將自然界中的四種作用力統一起來。但是,與其他為萬物之理而提出的架構一樣,弦理論也存在著巨大的缺陷。美國亞利桑那州立大學的科學家保羅·戴維斯表示:“弦理論確實預測了新事物,但是,在可見的未來,科學家們幾乎無法測試它正確與否。”

  荷蘭內梅亨大學的雷納特·洛爾表示,這種無能為力意味著萬物之理或許根本就無法獲得。英國帝國理工學院的克里斯·依沙姆表示:“過一段時間,你看會在報紙上看到萬物之理,此時,弦理論正當盛年,但是,它也會完全過時,走進歷史的故紙堆中。” 依沙姆認為,從心理上來講,萬物之理“非常令人振奮”,但是,我們并沒有理由認為萬物之理確實存在,或者我們能發現它。我們已經利用數學做出了如此眾多的科學發現,這的確令人驚嘆,但是,這并不意味著我們能繼續沿著這條路前進,并做出更多重大發現。

  德馳認為:“數學只能揭示抽象對象的真相。而物理學與其說是試圖研究這些對象,還不如說是發現哪個對象更符合現實。據我們所知,迄今為止,我們用來構建物理學理論的純數學的比例非常小。”

  例如,粒子和場以及空間和時間之間的所有關系都能用一系列可在圖靈機(圖靈機是我們目前廣泛使用的計算機的基礎)上計算出來的數學運算表示出來。但是,德馳指出,為了在獲得萬物之理這條路上取得進步,我們可能需要進入一些目前無法由計算機計算出來的數學領域。

  而且,德馳進一步表示,我們必須摒棄過去幾個世紀里已經讓我們取得巨大進步的一個想法,那就是,如果我們從數學開始進行研究,現實也會跟著數學方法走。相反,我們必須首先用我們對物理宇宙的理解來解決問題,也即宇宙中的物質正在慢慢減少,或者為什么引力比其他作用力更加微弱等;另外,我們也要盡力弄清楚,我們的宇宙觀發生什么變化才能解決這個問題。德馳指出:“很多理論物理學家們試圖首先用數學方法開始,但這根本無濟于事,永遠不會成功。”

  萬物之理值得我們如此勞心費神嗎?戴維斯認為,是值得的,只是我們必須清楚,即使萬物之理——至少物理學家們如此定義它,也可能無法解答所有問題。戴維斯說:“萬物之理將有助于我們揭示生命的起源或者意識的本質這樣的問題。”美國哈佛大學的理論物理學家麗莎·藍道爾也是粒子物理學和宇宙學領域的權威。她則說得更加直接。她說:“即便我們最終知道了這個作為基礎的理論,那么,我們打算如何解釋我們的存在這個事實呢?”

  或許,推動科學家們持續不斷地進行研究的最大動力并不在于我們最終會獲得什么結果,而在于我們沿著哪條道路會達到這一目的。我們最大的、最能讓生活發生翻天覆地變化的科學探索的動力來源是,我們希望讓物理學變得更簡單并將我們對自然界的各種紛繁復雜的理解整合在一起。比如,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋將我們對電和磁的理解統一在了一起,為有史以來最現代化的技術——信息技術提供了理論基礎;愛因斯坦則用簡單的方程式E=mc2將與質量和能量有關的概念集成在一起,引領人類進入核時代并獲得其他高新技術。“從歷史的角度來看,科學家們的努力探索都會給我們帶來一定的成果,引導我們前往一個更現代化的社會。”戴維斯如是說。

  但戴維斯同時也強調,對于任何僅僅因為一己之私追尋萬物之理的人來說,最終都可能面臨著鎩羽而歸的風險,而且,這些人也面臨著和19世紀晚期那些認為物理學已經完整的人犯同樣錯誤的危險。戴維斯強調說:“你或許會提出一些不可思議的想法,然后慶祝這是人類文明史上的一次巨大進步,但總有人會提出更好的想法。”

  (下)

  第二部分:

  接下來我們該怎么辦?

  雅各布·大衛·貝肯斯坦:以色列耶路撒冷希伯來大學的理論物理學家、黑洞熱力學的奠基人之一,他指出,宇宙間的暗物質、暗能量等“黑色幽靈”對愛因斯坦的理論是否正確提出了質疑。

  應該拋棄相對論嗎?

  廣義相對論似乎已經成功地嵌進現代社會的血液中。的確如此,盡管大多數太陽系和天文學現象仍然采用牛頓的重力理論進行計算,但是,如果沒有GPS(全球定位系統)這個小玩意,我們什么事情也做不了,而GPS則與相對論脫不了干系。因為GPS的誤差來源里有一項是相對論效應的影響,通過修正相對論效應才能得到更準確的定位結果。

  在重力場很強的太陽系系統和雙脈沖系統內,廣義相對論已經被精確地測試過,但是,在重力場比較弱的大尺度上,廣義相對論從來沒有被測試過。暗物質和暗能量這對“黑暗雙煞”還沒有被科學家們了解清楚會讓廣義相對論陷入失敗嗎?

  有些科學家認為會,他們也取得了些許成功。例如,以色列魏茨曼科學研究所的摩德埃·米爾格魯姆于上世紀80年代提出了修正的牛頓動力學(MOND)理論。該理論認為引力和質量之間具有另外一種關聯,依照他的理論,當物體質量非常輕時,并不遵循牛頓定律。MOND解釋了星系奇怪的旋轉現象,其解釋方法比廣義相對論使用暗物質解釋更好。另外,科學家們提出的用來替代相對論的“f(R)”引力理論構建的宇宙模型盡管沒有包含暗能量,但卻表現得好像已經將暗能量囊括其中了。

  但是,沒有一個理論盡善盡美。首先,MOND并沒有很好地解決星系簇內單個星系的運動。而且,“f(R)”引力理論并沒有很好地描述引導科學家們提出暗物質這一概念的不規則的星系旋轉。

  廣義相對論或許仍然堅挺。如果暗能量是愛因斯坦硬塞進其廣義相對論方程式中的珍貴的宇宙常數,那么,其令人信服的來源是真空能。引力場毫無疑問會擾亂真空,讓出現在星系和星系簇內以及周圍的能量集中在一起,就像暗物質一樣。我們很難想象目前的量子場論可以集中如此充足的能量,但或許某一天,明智地使用量子物理學可能會揭開籠罩在暗物質和暗能量頭上的神秘面紗。

  克里斯·克拉克森:南非開普敦大學的宇宙學家,他認為,假設我們在宇宙中身處何處或許會歪曲我們對宇宙的看法。

  應該摒棄哥白尼原則嗎?

  無論我們朝哪一個方向看,我們看到的宇宙好似非常一樣。這說明,我們在觀察一個事物時所處的位置并不特殊。

  這是哥白尼原則的一個假設,聽起來似乎合情合理。但是,很難證實我們在遙遠的星系中的所見所聞與我們身處地球時的所見所聞會有何區別。

  哥白尼原則要是不對怎么辦呢?科學家們對超新星在不同距離范圍內的觀察使我們相信,宇宙正在加速膨脹,暗能量必須存在。但是,因為光速是有限的,我們看進太空的距離越遠,我們需要的時間也越長。令我們驚奇的是,隨著時間的演進,空間中發生出現的變化可能會很容易同演化混淆。這樣說來,暗能量或許只是一個幻覺。

  讓我們將球形的天空想象成一顆洋蔥,其由幾層密度不同的物質組成。在密度大的地方,引力的凝聚力會阻礙宇宙的膨脹。如果我們居于一個密度比較低且膨脹率比較高的中央空白處,并從各個方向向外看向那些密度比較高而且膨脹率比較低的地方,對我們來說,宇宙似乎在最近一段時間內一直在加速。

  在宇宙大爆炸后的一霎那,這樣一個宇宙的膨脹環境或許會發生變化,以產生這樣龐大的低密度區域。但是,它將違背神圣的哥白尼原則:其他坐在該洋蔥中的人將看到一個完全不一樣的不均勻的宇宙。

  盡管我們正處于中央空白處的幾率微乎其微,不過,也有可能發生。但是,研究遙遠的星系簇周圍的宇宙微波背景溫度的變化使我們能從遙遠的地方“看見”宇宙,并且告訴我們宇宙是否均勻,最新的觀察表明宇宙并不均勻。

  摒棄了哥白尼原則的模型可能需要進行很多微調,才能同現實相符。

  馬克斯·特格馬克:美國麻省理工學院宇宙學家,他提出了一種新的宇宙終結理論,該理論認為宇宙最終將會以“大崩塌”的方式結束,而該終結模式似乎在邏輯上難以避免。在他的觀點中,與大爆炸有關的最好的理論在邏輯上是自毀的。

  應該重新思考宇宙暴脹理論嗎?

  暴脹始于一個偉大的起點。人們認為,宇宙以一種新奇的很難稀釋的物質的一個亞原子粒子開始,而且該粒子的數量不斷加倍,最終制造出了宇宙大爆炸和我們現在看到的幾乎整齊劃一的、平滑的宇宙。

  不僅如此,宇宙甚至變得更好。暴脹也產生了隨機量子波動,這些波動產生了今天我們看到的滿天繁星、星系以及其他更大的天體結構。暴脹理論也作出了很多非常精確的預測。例如,用來測量空間平滑度的量——歐米茄(Omega)的平滑度應該等于1,而實際上科學家們測出其等于1.003±0.004,真的是非常接近,太神奇了。

  但是,就像一個頑強的上了年紀的教授一樣,暴脹也開始退休。暴脹理論預測,在我們的宇宙遙遠的部分,這一過程會永遠持續下去,產生一個不僅非常大而且真正無限的空間,其中包含有無數個星系、恒星和行星,甚至像我們一樣的人類。這一空間內的隨機波動讓物質在不同的地方呈現出不同的分布方式,因此,會有無數人觀察到一個值接近1的歐米茄(Omega);無數人觀察到一個值接近2的歐米茄(Omega),諸如此類等等。

  那么,有很多其他人觀察到的事物和我們看到的一樣,會出現什么可能的情況呢?無用的、正式的答案是無限除以無限,似乎毫無用處。我們的宇宙學家們仍然沒有就如何將這一無用的答案變成有用的事物達成一致意見。因為膨脹,我們幾乎無法預測出任何可能性。我們將這稱為“測量問題”,并且,將其看成今天的物理學家們面對著的最深的危機。從邏輯上而言,我認為,膨脹具有自我破壞性,破壞了促使我們起初對它嚴陣以待的預測。

  老實說,我并不覺得任何其他富有競爭性的理論能夠更好地解釋暴脹。我估計,一旦我們解決了“測量問題”,某種形式的暴脹仍然會保持下去——但或許并非最終極的那種。所有的問題都源于無限,尤其是假設空間能夠被永遠延伸而不會分崩離析。我并不愿意質疑這個激進的假設,但是,我們應該這樣做。

  弗朗克·韋爾切克:因發現強相互作用理論中的漸近自由,而榮獲2004年諾貝爾物理學獎。韋爾切克表示,美學告訴我們,超對稱或許會突破標準模型的僵局。

  應該重視美

  標準模型確實非常強大而且形式簡潔優美。科學家們發現希格斯玻色子更是錦上添花。2012年7月4日,歐洲核子研究中心(CERN)的科學家們宣稱,他們發現了一種新的亞原子粒子,這個粒子是希格斯玻色子(即傳說中的“上帝粒子”)的可信度高達99.99994%。1964年,科學家首次提出希格斯玻色子是物理學粒子標準模型中最后缺失的一部分,標準模型是一套描述強作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。根據該理論模型,希格斯玻色子必須存在從而賦予其他基本粒子質量。希格斯玻色子的“現身”證實了標準模型的完整性。

  而且,更為重要的是,這是科學家們幾十年科研探索的集大成者。就像在大海中撈針一樣,我們首先必須完全理解大海和針,為了發現大型強子對撞機(LHC)制造的“迷你宇宙大爆炸”中的希格斯玻色子的罕見蹤跡,我們必須了解基礎物理學。標準模型幾乎是大自然給予人類的最美妙的果實。

  然而,標準模型是作用力和粒子的大雜燴,沒有獲得完整的統一性和一致性。在標準模型中,標準模型最早部分——麥克斯韋方程組統治了電磁學,公正地來說,麥克斯韋方程組以平衡和優美著稱。標準模型最新部分的方程式描述了強核力,這部分也具有令人愉悅的對稱性,但是,強核力并不需要電荷和載力子(光量子),它們需要3個“色”電荷和8個膠子。而弱核力則引入了另外3個載力子。上述所有這些使標準模型看起來有點別別扭扭的。

  鑒于此,我們希望能夠獲得更大更好的方程組,其具有更好的對稱性和平衡性。從邏輯上而言,超對稱就是這些想法的集大成者。它假定存在著一種基本的對稱性,使力能夠變成物質,物質也能變成力,同時,這些方程式作為整體具有同樣的內容。通過讓自然界的粒子博物館里粒子的數量加倍——為每個組成物質的費米子制造出一種攜帶力的玻色子以及相反,可以做到這一點。

  朝著這條道路一直追尋下去,我們會獲得比較大的成功。經過擴展后的新理論可以精確地預測強核力、弱核力、電磁力的強度之間的比率,標準模型聽任這些參數擺布。

  我相信這個成功絕非偶然。但是,在科學上,相信只是一種手段,而不是最終目的。超對稱性預測了具有獨特屬性的新粒子,隨著大型強子對撞機以更高的能量和密度強度操作,這些粒子會逐一進入我們的視野中。這一理論很快將經受嚴格的考驗,它或者會給我們提供我們所需要的,甚至給我們驚喜,或者一切只是竹籃打水一場空。

  麗莎·藍道爾:哈佛大學理論物理學家,粒子物理學和宇宙學領域的權威。她有點担憂地表示:“我們或許無法獲得超越標準模型的答案。”

  到我們提升對撞能量的時刻了嗎?

  如果超對稱能解決標準模型的一個核心問題——同其他基本作用力相比,引力為何如此微弱,那么,超對稱預測的其他粒子的質量應該比較低。當大型強子對撞機開啟時,很多人滿懷樂觀地認為,超對稱就在不遠處。

  而實際上,以前的加速器實驗已經很好地排除了最簡單的這個超對稱版本。沒有在大型強子對撞機內發現低能粒子也說明了這一點。因此,如果超對稱要發揮自己應有的作用的話,它一定擁有一個更靈敏更復雜的形式,而且,其涉及到的粒子的質量也應該更高。

  不過,超對稱并非唯一可能的答案。大型強子對撞機也正在搜索其他可能的證據,包括我和同事拉曼·桑壯首先于1999年提出的一個模型。我們的這個模型認為,我們身處的四維宇宙坐落在一個“膜”上,膜內的宇宙擁有第五維度。科學家們假設能傳送引力的基本粒子引力子集中在該膜內,只有一小部分“泄露”到我們生存的四維中,這就解釋了為何引力相對電磁力、強核力和弱核力相對來說比較孱弱。

  這些模型預測,粒子會從額外的維度獲得動量,因此,在我們看來,雖然是同樣的粒子,但其質量其實更大。它們的質量應該最少有幾個電子伏特,或許更高。其對應的低質量的粒子可以被觀察到,但是,大型強子對撞機制造出的這樣的粒子也可能急劇下降到幾個電子伏特。

  這就將我們置于一種非常不安的境況。在大型強子對撞機提供新的發現之前,我們并不知道哪個理論是正確的。如果大型強子對撞機再也不能提供新的發現,我們就很難有理由制造某些更大的機器。不過,我并不担心物理學領域沒有新東西供我們發現,我担心我們可能沒有錢來做這些事情。

  珍妮特·康拉德:麻省理工學院中微子物理學家,她認為,中微子這種令人捉摸不透的粒子已經為我們提供了打開新的物理學大門的鑰匙。

  中微子會打敗標準模型嗎?

  標準模型是所有理論中的巨人,其主要特點是龐大、強大,而且直到最近似乎都不可戰勝。但其實,早在10年前,它可能就已經遇到過幾乎將其完全打敗的對手:中微子。

  標準模型認為,中微子這種微小而神秘的粒子分為3個不同的類型或者氣味。它們沒有質量,僅僅通過弱核力相互作用,這使它們很難被探測到。

  這種情況一直持續到1998年。當年,科學家們證實,中微子會“振蕩”。意大利理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫首先提出此猜想,他認為特定味的某一中微子可以轉化為不同的味。這是一個量子力學效應,只有在中微子有質量的情況下才能出現。這個粒子因此成為第一個而且也是迄今為止唯一一個超越標準模型的粒子。

  如果中微子擁有質量可以讓一切問題迎刃而解的話,我們或許只需要對標準模型進行修修補補就行。但是,我們現在看到了其他振蕩的證據,如果只有3種中微子的話,這種額外的振蕩就很難解釋清楚了。這或許表明,還存在著其他“惰性”中微子,這種中微子并不通過目前已有的四種作用力來相互作用,但是,其能變成活躍的中微子,也可以由活躍的中微子變化而來。

  如果這一全新的現象獲得證實,那將會給我們迎頭一棒。重新思考已知粒子的質量是一件事情,但是,要在標準模型中添加一種全新的粒子則是另外一回事。我們或許可能需要一個新的理論來解釋惰性粒子以及它們來自于何處。如果惰性中微子并不通過現有的已知的作用力發生作用,那么,它們通過什么力相互作用呢?這或許會成為解開暗物質之謎的關鍵。

  對于上述問題,我們并沒有清晰的答案,但是,關于惰性中微子的理論論文正以一周兩篇的速度出現。

  為什么我們要研究最細微的粒子呢?因為研究大粒子并不管用。

2013-06-24 09:39

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