由希格斯玻色子引發的討論,微調與自然性,孰是孰非

2020-12-05 天文在線

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當實際觀測到的參數看起來需要精確調整才能符合理論預期時，一部分物理學家認為這是巧合，而另一部分物理學家卻希望從中發現更多的奧秘。

物理學家在2012年首次觀測到希格斯玻色子時，他們觀察到這種粒子的質量非常之小：1250億電子伏特，即125十億電子伏特。這個觀測結果成為了困擾著當今量子物理學家和天體物理學家的一大典型問題：微調與自然性的問題。

要理解被觀測到的希格斯質量如此之低為何可疑，首先你必須知道這一觀測結果實際上匯總了兩個部分：裸希格斯質量(我們所不知道的)加上所有其他標準模型粒子的質量，這些來自標準模型粒子的質量統稱為「量子修正」。

方程中的第二個數字是一個巨大的負數，大約是- 1018 GeV。與之相比，方程的結果125gev非常小，近乎於零。這意味著希格斯粒子的質量幾乎是它的相反數，差不多正好抵消它。對一些物理學家來說，這個奇怪的巧合難以接受。

也有可能不是裸希格斯質量在平衡這個方程；或許還有一些物理學家不知道的因素作用於量子修正。

不論怎樣，許多物理學家困惑於這種情況。裸希格斯質量與其他標準模型粒子質量幾乎完全相抵消的根本原因尚未明確，堅持「本就該這樣」的說法無法令人滿意。.

可觀察到的參數似乎不會自然而然地來自某一理論，而是必須經過慎重而巧妙地調整以符合理論，這一過程被稱為「微調」。

「總而言之，我們想從自身的理論或是說所處的宇宙中，得到沒有過多人為修飾的數據」

理論上來講，「當你最終得到的這些數據的大小彼此間存在很大差異，你可以接受這只是體現了自然如何運作的觀點，數字的大小並沒有什麼特殊的意義。」麻薩諸塞大學安姆斯特分校物理學助理教授維利納·馬丁內斯·奧特肖恩說道。「要不然，你也可以提出補救微調的方法，這通常需要人為添加新的粒子。」

微調的對立面是自然。「這就像是硬幣的正反兩面，」加州大學聖克魯茲分校物理學助理教授、理論家史蒂芬尼·戈裡說。「只有當你能用基本一致的順序寫下這個理論的參數，我們才能說這一理論是自然成立的。」

那麼我們在理論中最多可以做多少微調呢？「這是有可能決定粒子物理學未來的一大基本辯論，」在歐洲核子研究中心從事超環面儀器工作的哈佛大學粒子物理學和宇宙學實驗室博士後小勞倫斯·李說。

是什麼驅使我們研究微調與自然性？

關於微調與自然性的最早著作或許出現在1937年，當時保羅·狄拉克提出了「大數字假設」，試圖通過比較宇宙中巨大常數的比例來弄清它們的意義。粲夸克的發現源於對自然性的追求；科學家們從理論上證明了這種粒子的存在，以此來解釋粒子之間沒有相互作用的現象。

「從實驗的角度來看，微調問題在某種意義上確實有助於指導我們的研究方向，」俄克拉荷馬州立大學物理學副教授約瑟夫·哈利說。

有時，他解釋說，某個參數可能看起來是經過微調的(就像希格斯粒子的質量)，直到實驗揭示出某一隱藏的潛在問題——我們前所未知的附加方程。「一旦我們獲取到更完善的理論，就會想，『哦，它必須是那個固定值，只是原因不明。』」

李也是一名實驗主義者，他認為微調問題是自己從事研究的強烈動力。他說：「總而言之，我們想從自身的理論或是說所處的宇宙中，得到沒有過多人為修飾的數據」

然而，並不是所有的物理學家都認為微調是一個難題。對於他們來講，兩個參數有幾乎正好相反的數值從而相互抵消，不需要特殊的原因。畢竟巧合總會發生。

例如，從地球上觀察太陽和月亮在天空中的大小大致相同。這意味著當這三個天體剛好排成一條直線時，月球會完全擋住太陽，從而產生了日全食。我們已經習慣於這一事實且不需要任何科學的解釋，科學家們甚至計算出了太陽和月球的大小匹配程度的微調值：2%，即1/50。(李指出，這個令人愉快的巧合與希格斯玻色子的難題仍有很大不同，希格斯玻色子的質量需要進行大約1 / 1034的微調。)

其他物理學家認為最好能擺脫表觀微調，但這並不一定是他們從事研究的主要動力。馬丁內斯·奧斯庫恩說：「雖然自然性是我們開展實驗的主要動力，但它並不是唯一的動力。」她研究的超對稱性理論，可同時解決希格斯玻色子的微調問題，並提供暗物質粒子選項。

不論表觀微調讓物理學家們多麼困擾，在理想主義世界裡，物理學家們會找到萬物的終極理論，它可以解釋宇宙中每一個觀測所得參數的根本原因。如果物理學家達到了那個程度，黑利說，「那你就真的徹底徵服了物理學。」

作者：Madeleine O』Keefe

FY: 貓咪不愛睡懶覺

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