描述這個宇宙需要26個常數(或者更多)

2021-01-19 中科院物理所

當我們在基礎層面思考我們的宇宙時,我們思考其中所有的粒子和所有的力，以及它們之間發生的相互作用。如果你能描述這些力、相互作用和粒子的性質，你就擁有了複製我們的宇宙所需的一切，或至少是一個整體上和我們的宇宙在本質上不可區分的宇宙。

Image credit: NASA / CXC / M.Weiss.

因為如果你了解物理定律——引力、量子力學、電磁學、核力，等等——你所需要的就是告訴你「是多少」的相互關係，只要你使用相同的初始條件，你就會得到一個宇宙，具有從原子到星系團的相同結構，從電子躍遷到恆星爆發的相同過程，同樣的元素周期表，以及從氫氣到蛋白質和烴鏈的相同化學組合，加上大量的其它相似之處。

Image credit: NASA / Jenny Mottar.


當你遇到這個「多少」的問題時，你可能想到引力由萬有引力常數G確定，以及「粒子的能量」由其靜止質量確定，如電子的質量me。你想到光速c，以及對於量子力學有普朗克常數?。但物理學家們在描述宇宙時並不喜歡使用這些常量，因為這些常量有著任意的維度和單位。

但是像米、千克和秒這樣的單位並沒有固有的重要性；事實上當涉及到宇宙時，根本沒有理由強迫我們自己去定義像「質量」或「時間」或「距離」這樣的東西。如果我們給出正確的描述宇宙的無量綱常數(其中不帶米、千克、秒或任何其它「維度」)，我們就應該能自然地得出我們的宇宙本身。這包括諸如粒子質量、它們相互作用的強度、宇宙的速度極限，甚至時空本身的基本性質！

Image credit: Particle Data Group / LBL / DOE / NSF, of the Fundamental Constants as of 1986.


事實證明，需要26個無量綱常數來儘可能簡潔和完整地描述宇宙，這是一個相當小的數量，但還不像我們喜歡的那麼小。下面就是它們是什麼：


1.) 精細結構常數，或者說電磁相互作用的強度。用某些我們更加熟悉的物理常數來說，這是基本電荷(比如說一個電子的)的平方與普朗克常數和光速的比值。但如果你把這些常數放在一起，你就得到一個無量綱的數字！在當前存在於我們宇宙中的能量上，這個數字算出來≈ 1/137.036，儘管該相互作用的強度隨著相互作用的粒子的能量增加而增加。


2.) 強偶合常數，它定義把質子和中子結合在一起的力的強度。雖然強力的工作方式與電磁力或引力非常不同，這種相互作的強度還是能用單一耦合常數來參數化。我們宇宙的這個常數像電磁的那個一樣，也隨能量強度而變化。

Image credit: E. Siegel.


3~17.) 這個有一丟丟令人失望。我們在標準模型裡有十五種粒子：六種夸克、六中輕子、W、Z和西格斯波色子，都有靜止質量。雖然它們的反粒子真的都有相同的靜止質量，我們本來希望能有某些關係、模式，或更基礎的理論能用更少的參數賦予這些質量。嗟乎，需要十五個常數來描述這些質量，孤苦伶仃的好消息是我們可以把這些參數縮放到和引力常數G成比例，結果得到十五個無量綱參數，而不需要單獨的引力強度描述符。


18~21.) 夸克混合參數。我們有六種不同類型的夸克，因為有兩個子集，每個子集各有三種夸克彼此具有相同的量子數，他們可以互相混合。如果你曾聽說過弱核力，放射性衰變，或者CP-不守恆，這四個參數——全都需要(並且已經)測量——就是描述它們所需的。


22~25.) 中微子混合參數。與夸克部門類似，這四個參數詳細描述中微子如何相互混合，因為三個類型的中微子都有相同的量子數。太陽中微子問題——太陽發出的中微子沒有到達地球——是二十世紀最大的難題之一，當我們意識到中微子具有非常小但是不為零的質量、互相混合、從一種類型振蕩到另一種類型，才最終得以解決。夸克混合由三個角度和一個CP-不守恆復相位描述，而中微子混合也以相同方式描述。儘管夸克的四個參數都已被確定，中微子的CP-破壞相還有待測量。

Image credit: E. Siegel.


26.) 宇宙常數。你也許聽說過因為暗能量宇宙膨脹正在加速，而這需要再多一個參數——宇宙常數——來描述該加速的數量。暗能量結果可能會比一個常量更為複雜，在這種情況下它可能也還需要更多參數，因此個數可能會超過26個。


如果你給我物理定律和這26個常量，我就能把它們丟進一臺計算機並叫它去模擬我的宇宙。而非同尋常的是，我所得到的看起來和我們今天的宇宙幾乎無法區分，從最小的亞原子尺度一路直到最巨大的宇宙尺度。


但即使這樣，仍然還有四個難題，可能要求額外的常量來解決。這些是：


1.物質-反物質不對稱問題。我們的整個可觀測宇宙佔統治性地由物質而不是反物質構成，但我們不完全理解為什麼會這樣，或者為什麼我們的宇宙有這些數量的物質。這個問題——重子產生過程問題——是理論物理學最大的未解難題之一，而且可能需要一個(或多個)新的基本常數來描述其解。
2.宇宙暴漲問題。這是宇宙在大爆炸前和設定了大爆炸的階段，它已經作出了很多已被觀測驗證的新預測，但並未包括在此描述裡。很可能的是，當我們更全面地理解它是什麼，額外的參數將必須被添加到這組常量之中。
3. 暗物質問題。鑑於它幾乎可能好像大概肯定包含至少一個(且可能更多)新的有質量粒子類型，有理由認為更多個新參數——甚至可能超過一個，每個新粒子類型各一個——會需要被加入。
4.強CP-不守恆問題。我們在弱核力相互作用中看到CP-不守恆，並在中微子部門中期待它，但我們尚未在強相互作用中找到它，即使它並未被禁止。如果它存在，就應該有更多參數；如果它不存在，那就很可能有一個和禁止它的過程相關的額外參數。


Image credit: NASA, ESA, D. Harvey (Swiss Federal Institute of Technology), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF, of galaxy cluster Abell 370, with dark matter shown in blue.


我們的宇宙是一個複雜、神奇的地方，然而，我們對統一理論——萬物理論——的最大指望理應減少我們所需的基本常數個數。但我們對宇宙了解越多，我們就知道更多要充分描述它所需要的參數。儘管認識到我們在哪裡，以及在今天要描述已知的全部所需要的參數，非常重要，同樣重要的是繼續尋找一種更完整的範式，不但給我們宇宙所有的一切，而且使之儘可能簡潔。

現在，不幸的是，任何比我們這裡提出的更簡單的東西，都太簡單以致不能工作。畢竟，我們的宇宙也許並沒有我們希望的那樣優美。

[王丟兜 via Forbes]


來源：煎蛋


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  • 在宇宙的不同方向上,這個基本常數會有所不同?
    精細結構常數α約等於1/137，它是自然界中三個基本常數的組合。 正如前面所說的，精細結構常數表徵了電磁相互作用的強度，假如這個值再大一點，那麼電磁力就會更強，原子會更小；但反過來假如這個值再小一點，那麼原子就會變得更大。 就在一篇最新發表於《科學進展》雜誌上的論文中，Webb領導的研究團隊報告了4個最新的精細結構常數的測量值。
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