拯救宇宙的重任,這次落到了中國身上

2020-11-22 IT之家

物理學界最近出現了一種令人不安且飽受爭議的看法:我們正在逼近人類通過科學所能了解這個世界的絕對極限。近日,歐洲核子研究中心(CERN)的粒子物理學家Harry Cliff參加了一場TED演講,期間談到了兩個對於我們宇宙存在來說極為關鍵的兩個量。倘若有任何的微變,這個世界或許都將不復存在。

「在未來的幾年裡,我們可能會知道自己是否能夠繼續擴展我們對這個世界的了解,也許我們將在科學史上首次遇到無法回答的問題。」來自歐洲核子研究中心(CERN)的粒子物理學家Harry Cliff最近在瑞士日內瓦的一次TED演講上講到,「這並不是說我們的大腦不夠聰明或者技術無法滿足,而是由物理學定律本身決定的。」

在Cliff的觀點裡,有兩個被視為宇宙中最危險的量。它們決定著我們在世間所見一切物質、結構和生命的存在。倘若這兩個量有細微的變化,那麼宇宙萬物都將不復存在,這裡將一片死寂。

第一個量:希格斯場的強度

Cliff所言的第一個危險數值代表著物理學家稱之為希格斯場的強度。這是一種無形的能量場,與其他磁場稍有不同,它充斥著整個宇宙。我們既看不見,也摸不著,但是如果沒有它,我們也無法存在。

當粒子暢遊在希格斯場中,它們會獲得質量並最終成為質子、中子以及電子這些組成你我的基本單位。如果沒有希格斯場,那麼一切都將灰飛煙滅。

確認希格斯場的存在源於2012年CERN的突破性發現。當時物理學家在大型強子對撞機(LHC)中發現一種新的基本粒子,即希格斯玻色子。根據理論,在沒有希格斯場的環境下無法產生希格斯玻色子。但圍繞希格斯場仍有一些令Cliff這樣的物理學家所困惑的問題。

依照愛因斯坦的廣義相對論和量子力學理論——在宏觀和微觀尺度上主導著我們對宇宙理解的兩大物理學理論——希格斯場應該存在兩種自然狀態。這就像燈的開關一樣,要麼是關閉狀態,意味著宇宙中各處的值皆為0;要麼是開啟狀態,意味著其具有絕對大的值。

無論在哪種情況下,原子都無法存在,也就是說我們所存在的這個世界都不會存在。但實際情況是,「希格斯場這盞燈只是微弱地點亮著。」Cliff說,「它不是0,但它的值比完全值要小一億億倍。就好像燈的開關被卡在了接近關閉的位置上。這個值太關鍵了,如果它有任何細微的變化,那麼整個宇宙的物質世界都將不復存在。」

希格斯場的強度為何有著如此精妙而微弱的量值令人無法理解。理論學家花了數十年對其進行研究,到現在已經想出了不少花哨的解釋,比如「超對稱性(supersymmetry)」和「大型額外維度(large extra dimensions)」。但無論怎樣,如果希格斯場強度真能夠得到解釋,那麼我們應該會在LHC中見到新的粒子與希格斯玻色子一起出現。不過至今為止,還沒有任何發現。

第二個量:暗能量的強度

Cliff所稱的第二個危險量同時被物理學家們稱為「物理學史上最糟糕的理論預測」。

這一數值涉及到外太空的深度以及所謂的暗能量。1998年,天文學家發現宇宙的擴張速度並不是恆定的,而是越來越快。其中的驅動因素來自神秘的排斥力——暗能量。「我們並不知道暗能量到底是什麼,」Cliff表示,「最好的解釋是它是空虛空間自身的能量,即真空的能量。」

物理學家按照量子力學來計算暗能量的大小,得到的結果令人吃驚:「暗能量應該比我們天文學所觀察到的數字高出10120倍,這絕對是一個讓人腦袋暈菜的數字。它比宇宙中任何數據都要大,它比全宇宙中的原子個數還要多出千萬億億億億倍。這實在是個很爛的預測。」

不過我們很幸運,暗能量比理論預測要小很多。如果按照理論模型,那麼暗能量的排斥力將把整個宇宙撕裂,星球與星系都無法形成,也就沒有我們了。

從另一方面講,人們仍未建立起一套可與實際觀測所匹配的理論,對於暗能量至今仍無法解釋。與希格斯場相比,這需要更為精妙的認知。

也許永無答案

愛因斯坦在晚年一直在尋找大一統理論,後來的科學家也始終沒有停下這一腳步。最有前途的大概就是弦理論,然而弦理論看起來似乎並不是一個理論,而是諸多理論的集合。據估計,目前可能共有10500種版本的弦理論,每一種都可用來描述一個特別的宇宙,擁有其獨特的物理學定律。

有人說這弦理論並不科學,但也有人說,如果世間某處真的存在那些形形色色的宇宙呢?倘若如此,那麼我們將恍然大悟:在那些多重宇宙中,有很多地方暗能量太強,宇宙被撕裂;也有很多地方希格斯場太弱,沒有原子能夠產生;而我們恰好活在一個兩者都完美調和的宇宙中,我們是少數的幸運者。

但是Cliff表示,如果我們按照這種想法思考下去,那麼將永遠無法回答那個問題:為什麼這個世界是存在的?可能多數世界中什麼也沒有,而我們所在世界的物理學定律允許我們存在而已。「更糟的是,我們甚至無法檢驗多重宇宙這個概念。我們無法進入其他宇宙,也無從確定它們是否真的存在。」

一直以來,LHC中的發現都是不毛之地,除了希格斯玻色子外一無所有。然而現在,我們正懷抱著有史以來的最高期望。今年夏天,LHC將開展第二階段運行,其能量將達到前一次的兩倍。粒子物理學家們對此都非常興奮,指望著發現新粒子,微型黑洞,或者完全意料之外的東西。

如果這次能有所發現,那麼物理學家們將繼續在百年前愛因斯坦開啟的這條道路上前行,更深入地追尋自然界的規律。但是,如果在兩三年內仍沒有任何發現,到時LHC將進入第二次長期休眠,而我們可能也要進入一個新的物理學時代:一個宇宙面貌無法被解釋的時代,一個我們可能活在多重宇宙卻永遠無法觸及它們的時代,一個我們永遠無法回答那個問題的時代——為什麼這個世界是存在的。

也許答案在中國

當然,提到中國將建造世界最大的粒子對撞機時(LHC的兩倍大),Cliff表示這肯定是物理界的好消息。建造一個像LHC那麼大的對撞機需要全世界國家集中資源,沒有一個國家能夠負擔起那麼大的消耗,可能也就除了中國。中國可以調動巨大的人力物力財力建造這個機器,它將進一步研究希格斯玻色子,可能會給我們帶來驚喜。

據了解,中國的大型對撞機設計工作將於2016年完成,2020年開始建造,預計在2028年投入使用,耗資30億美元。LHC的周長有27公裡,能夠產生14 TeV的對撞能量,這已經讓科學家發現希格斯玻色子(上帝粒子)的存在。根據報導,中國將要修建的對撞機周長達到了52公裡,對撞能量高達70 TeV。另外,美國和歐洲也已經開始籌備周長100公裡,碰撞能量100 TeV的超級粒子對撞機。

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