顛覆已知:基礎物理學的下一次大革命將如何開啟?

全文共4006字，預計學習時長11分鐘

圖源：unsplash

物理學最大的問題之一，正是除了少數無法充分解釋的謎團外，人類所掌握的事物都在無比順利地運行，這甚至順利到讓我們無所適從。我們試圖修改兩個描述宇宙的最佳（但從根本上卻相互矛盾的）理論——標準模型和廣義相對論，卻無一例外受到已有數據的重重限制。

然而，宇宙待探索之處無窮無盡，像暗物質、暗能量和物質——反物質不對稱之類的謎團至今尚未解開。那麼，我們應該從何開啟基礎物理學的下一次偉大革命呢？這就是約翰·喬達諾想知道的，他向我問道：

「您一直大力支持物理學中的共識。別的物理學家有時會滔滔不絕地發表一些天馬行空的理論，但您卻言簡意賅，用清晰的數據和外行人都理解的方式清楚地解釋當下的共識觀點。我的問題是：您認為在未來20到30年內，我們實際可行的實驗可能會撼動當前物理學科學共識的哪些領域？」

這個問題好極了。跳出現在，看看我們將走向何方。

粒子物理學的標準模型解釋了四種力中的三種(除了引力)、一整套已發現的粒子以及它們所有的相互作用。對於我們建造的對撞機是否能發現更多的粒子和/或相互作用，眾說紛紜，但是仍然有大量未解之謎，比如並沒有觀察到當前形式的標準模型中涉及的強CP破壞。

要知道要去往何方，首先要知道身處何地。我們知道，我們所在的宇宙之中，基本粒子物理學的標準模型已經成功解釋了迄今為止觀察到的所有已知、已探粒子之間的相互作用。宇宙由夸克、輕子和規範玻色子組成。規範玻色子調節四種基本力中的三種及希格斯粒子，希格斯粒子為所有標準模型的大質量粒子提供靜止質量。

還有廣義相對論—— (非量子)引力理論，提出了時空與宇宙中物質和能量之間的關係。簡而言之，物質和能量告訴我們時空如何彎曲，而彎曲的時空告訴我們物質和能量如何運動。

愛因斯坦的廣義相對論經過無數次科學測試，通過了人類有史以來最嚴格的測試。

超越廣義相對論（解釋了引力、黑洞、膨脹宇宙和熱大爆炸）和標準模型（解釋了其他三種力、已知粒子和反粒子，以及所有粒子物理實驗的結果）的困難在於，如果試圖以簡單、直接的方式來修改，最終得到的結果將與現有的測量和觀察結果相衝突。

用目前的物理學共識理論來玩「雙面」遊戲很容易。「嗯，伊桑可能是個天體物理學博士，他說標準模型和廣義相對論是正確的，但有一些科學家說另一種理論是正確的，我覺得這種情況更令人信服。」

不幸的是，科學實際上並不是這樣運作的。

標準模型粒子及其超對稱對應粒子。超對稱性略低於50%的粒子已經被發現，略高於50%的粒子從未顯示出它們存在的痕跡。超對稱性旨在改進標準模型，它試圖取代主流理論，卻還沒有對宇宙做出成功預測。如果所有能量都沒有超對稱性，弦理論必定是錯誤的。

超越目前的科學認知需要承擔巨大的舉證責任，尤其要克服以下三個障礙：

· 必須成功再現所有相關且有效的主流理論；

· 必須解釋已經觀察到或測量到的現象，這些現象是主流理論不能或無法解釋的；

· 必須進行新穎、可檢驗且不同於主流理論的預測，然後進行重要的相關測試。

然而大多數嘗試性擴展甚至在第一步就失敗了。我們對引力和基本粒子進行了如此多的精確測試，以至於你能設計出的任何替代方案——從修正的引力理論到額外的維度，再到額外的基本對稱或統一——對它們的存在都已經有了非常嚴格的限制。

統一的觀點認為，所有三種標準模型力，甚至更高能量的引力，都統一在單一框架中。這個想法很有說服力，已經引發大量研究，但尚未得到半點證實。在更高的能量下，量子引力理論有可能統一所有的力。但這種情況通常會影響受到嚴格限制且可觀察到的低能現象。

然而，一些強有力的證據表明，我們當下所知儘管無誤但並不全面。

我們知道，遙遠的星系似乎以一種與宇宙不相匹配的速度遠離我們，宇宙只充斥著標準模型粒子，受廣義相對論支配；單個的引力源——星系、星系團，甚至是巨大的宇宙網——都不符合預測，除非加入新的成分，比如暗物質；儘管標準模型下的物理定律會產生或毀滅等量的物質和反物質，但我們居住的宇宙絕大多數是由物質組成的，其中只有微量的反物質。

換言之，「已知物理學」並不能解釋我們在宇宙中觀察到的一切。

宇宙的所有維度中，從我們的鄰居到星際介質，到單個星系，到星系團到細絲和巨大的宇宙網，我們觀察到的一切似乎都是由正常物質而不是反物質組成的。這是一個未解之謎。

我們已經看到了超越目前已知科學極限的跡象。粒子物理學方面，許多實驗產生了意想不到的結果，如果這些實驗能經受住更大的考驗，可能會帶來革命性的變革。

Atomki anomaly（新的光矢量玻色子）是一組衰變的粒子展現出奇怪的、意想不到的行為模式，這可能是實驗錯誤，亦或是標誌著一個不屬於標準模型的新粒子的出現。有爭議的DAMA實驗，以及最近的氙實驗(XENON)結果也能代表新物理學，或者，在更平凡的情況下，能就現有物理學發表新見解。

與此同時，在太空中，阿爾法磁譜儀觀測到了無法解釋的過量的反物質，NASA的費米衛星觀察來自銀河中心過剩的伽瑪射線，測量宇宙的不同技術產生了不同的膨脹速率等等。

一系列不同類型的小組試圖測量宇宙的膨脹率以及對應的彩色編碼結果。請注意，早期(前兩項)和晚期(其他項)結果之間有很大的差異，每個晚期選項的誤差線要大得多。唯一一個受到攻擊的值是CCHP，經過重新分析，發現該值比69.8更接近72公裡/秒/英裡。

然而，這些結果仍不夠強勁，因而不足以成為新物理學的標誌；它們中的任何一個，或全部，也許僅是因為是統計波動或儀器校準不當造成的。其中的許多結果可以指向新物理學，但也可以為廣義相對論和標準模型中已知的粒子和現象所輕易解釋。

這些實驗將和其他一些實驗繼續進行，探索已知異常並尋找其他異常，同時繼續完善宇宙圖景。但是在接下來的幾十年裡，新的實驗和觀測站也會上線，為我們敞開大門，獲取新知，並以新的方式探索宇宙，釋放所謂的「新發現的潛力」。以下是本人最感興趣的部分：

哈勃望遠鏡(左上)和寬視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）/南希·格蕾絲·羅曼（NancyGrace Roman）望遠鏡在相同深度、相同時間內觀察區域的比較。羅曼的廣視野能捕捉到比以往更多的遙遠超新星，並在宇宙範圍上對星系的深度和廣度進行前所未有的探測。不管有何發現，羅曼望遠鏡都將帶來一場科學革命，並為探測暗能量在宇宙時間內進化的方式提供最佳檢測手段。如果暗能量的變化超過預期值的1%，就會被羅曼發現。

暗能量真的是常數嗎？現在它似乎是不變的，但這仍有探索的餘地。基於即將進行的大規模星系調查(由薇拉·魯賓天文臺主導)和遙遠的超新星數據(由即將推出的南希·格蕾斯·羅曼望遠鏡提供，前身為WFIRST)，我們幾乎能確定暗能量是否能隨時間而控制在1%以內。如果是這樣，我們需修改「標準」宇宙模型。

能直接探測到暗物質嗎？氙實驗的最新結果為我們所見過的粒子暗物質提供了最有力的候選證據，但下一代實驗將對此進行測試。升級後的XENONnT實驗以及LUX-ZEPLIN實驗，要麼會發現粒子暗物質，要麼會消滅我們現有的最佳(也可以說是唯一的)候選粒子。

對粒子暗物質的探索開啟能與原子核一起反衝的弱能粒子的尋找之旅。LZ合作(氙合作的當代競爭對手)將提供所有弱能粒子核子截面的最佳限制，但可能不如氙那樣善於揭示低能候選粒子。

在最高能量下會發生什麼？尋找中微子、切倫科夫輻射或其他高能信號的宇宙射線實驗發現，粒子的能量是大型強子對撞機(LHC)的數百萬倍。如果有新高能物理學，這將是我們最好的探測器。

第一批恆星是什麼時候真正形成的？哈勃從根本上受到其聚光能力(即大小)、視野和波長範圍的限制。NASA即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，以及即將推出的新一代地面30米級望遠鏡，可以前所未有地探測到最早、最遙遠的恆星和星系，以更好理解早期結構形成。

有沒有違反標準模型的粒子物理跡象？也許吧。我們正努力更好地測量電子和μ子的磁矩；如果電子和μ子相斥，就有新的物理學誕生。我們正努力揭示中微子振蕩的方式；其中也可能出現新的物理學。如果我們建造一個精確的正負電子對撞機，無論是環形還是線形，都可能會發現超出標準模型的LHC無法找到的線索。

幾十年來，在粒子物理學界，直線輕子對撞機一直被認為是探索後LHC物理學的理想機器，但這是基於LHC能發現希格斯粒子以外的新粒子的假設。如果想對標準模型粒子進行精度測試，以間接尋找新的物理現象，直線對撞機也許不如環形輕子對撞機。

新物理的可發掘之處不在少數，可揭示新物理學的實驗或觀察也比比皆是。雷射幹涉空間天線(Laser InterferometerSpace Antenna, LISA)也許能帶來驚喜；暗物質湮滅或無菌中微子或許會自顯其道；更智能的桌面實驗有可能為我們提供量子引力的初步線索。觀察之前，我們無法預知會有怎樣的結果。

但最令筆者激動的是「以上都不是」。當我們觀察時，發現的也許根本不是什麼新東西，但是發現一些從未駐足思考過的東西也極有可能。科學研究的美妙之處就在於發現事物的過程，要解開超越當前前沿的秘密需要付出巨大的努力。隨著成千上萬的科學家投身於這份偉大的事業，我們必將發現前所未有且惠及大眾的知識。

留言點讚關注

我們一起分享AI學習與發展的乾貨

如轉載，請後臺留言，遵守轉載規範