粒子物理學是否已經走到盡頭?

2020-12-17 火星科普

現在粒子物理學的情況是,除了希格斯玻色子之外,大型強子對撞機還沒有找到任何新粒子存在的證據,至少目前還沒有。正因為如此,現在粒子物理學家對如何繼續進行研究感到不知所措。即使他們在以後的數據中發現了一些東西,但已經很明顯他們的預測是錯誤的。

在過去的40年裡,粒子物理學的理論發展主要是通過所謂的「自上而下」的方法來實現的。這些方法表示,基於我們所重視的原理創立一種理論,然後推導出我們期望在粒子對撞機中看到的東西。毫不誇張的說,這種方法效果很差。

主要的問題是,物理學家用來構建他們理論的原理僅僅是審美需求。例如,自上而下的方法假定基本力是統一的,宇宙有額外的對稱性,或理論中的參數是自然的。但是這些假設都是不必要的,它們只是美好的猜測。

自上而下方法的對立面是自下而上的方法——從已經證實的理論開始,然後添加可能的修改,這樣能使所做的修改只與還沒有測試的情況相關。然後,從數據中找出哪些修改是有希望的,因為它們使理論更符合數據。這是一種非常不受歡迎的方法,因為數據已經一遍又一遍地告訴我們當前的理論很合適,不需要修改。所以自下而上的方法也不十分恰當。

超對稱性概念長期以來一直是最流行的自上而下的方法。從理論上講,該領域的物理學家從數據中得出結論是一個好現象。但是如果他們不試著去了解哪裡出了錯——為什麼那麼多的理論物理學家相信那些不能描述現實的概念——他們就有重蹈覆轍的風險。如果他們只是在交換審美標準,那是無用的。

事實上,自下而上的方法在科學方面是可靠的。但它們也增加了我們被新理論發展所困的風險,因為沒有自上而下的方法,我們不知道在哪裡尋找新的數據。這就是為什麼一些用於理論發展的數學原理是可以使用的,也就是那些可以防止內部矛盾的數學原理。

這種自上而下和自下而上對比的討論並不新鮮,每次對新粒子的預測被證明是錯誤時都會出現。而且每一次這個領域的理論家都不去意識到他們方法的錯誤,僅僅是調整他們的模型來規避實驗限制,並像以前一樣繼續。

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