宇宙背後的基本常數都有哪些?

2020-12-04 李論科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

這些常數對宇宙的演化起到了啥作用

在可觀測宇宙的尺度上,物質以絲狀結構聚集在一起,在最密集的部分形成了星系、恆星和行星,它們都是孤立的集群,並且在更大尺度上聚集成了星系團、超星系團。

雖然不同的空間區域和物質結構模擬在細節上會略有不同,但星系聚集的模式總是相同的;如果我們回溯到物理定律所允許的最早時間,我們將得到一個與我們的宇宙幾乎沒有區別的宇宙。

如果讓宇宙重新開始,誕生一個新的宇宙,並與我們的宇宙一樣古老(138億年),這兩個宇宙在很多重要的方面看起來都是一樣的:

有相同數量的星系,相同質量的星系,以相同的方式聚集在一起,新宇宙中元素的比例將與今天的元素豐度相同,新宇宙將擁有與我們的宇宙質量分布相同的恆星和行星數量,暗能量、暗物質、普通物質、中微子和輻射的比例與我們的宇宙相同,最重要的是,所有的基本常數都有相同的值。

最後一點非常重要,因為從同樣的初始條件出發,才能保證新的宇宙看起來和我們今天的宇宙一樣,那麼這些常數是什麼?

什麼是無量綱常數

我們比較熟悉的常數,如光速C,普朗克常數h(或),牛頓引力常數G。這些常數都是有量綱的,這意味著它們的數值依賴於測量它們的單位,例如米、秒、公斤等。但是很明顯,宇宙並不會關心我們使用哪種測量單位!所以我們可以創造無量綱常數,或者說這些物理常數的組合,只是數字,用來描述宇宙中不同部分之間的聯繫。

科學的目標之一是用最簡單的術語來描述自然。就我們今天對宇宙的理解而言,需要多少這樣簡單的描述才能完全描述宇宙中的粒子、相互作用和規律?相當多!至少26個。我們來看看這些無量綱常數是什麼?

1、精細結構常數

即電磁相互作用的強度。就我們更熟悉的一些物理常數而言,這是基本電荷(比如電子)的平方與普朗克常數乘以光速的比值。在我們宇宙的能量中,這個數字約為1/137.036,這種相互作用的強度隨著相互作用粒子能量的增加而增加。這被認為是由於基本電荷在更高能量下的行為相對增加,目前還不是很確定。

2、強耦合常數,或者說強核力的強度

儘管與電磁力或重力相比,強作用力的作用方式非常不同,也違反直覺,但這種相互作用的強度可以用一個耦合常數來參數化。我們宇宙的這個常數,也像電磁常數一樣,隨著能量的變化而變化。

3 - 17、15個基本標準模型粒子的(非零)質量

在標準模型中,這通常通過電子、μ子和τ、三種中微子、六夸克、W和Z玻色子以及希格斯玻色子的十五個耦合常數(希格斯場)來體現。光子和八個膠子並沒有耦合常數,它們本質上是無質量的粒子。

這是理論家們苦惱的一個來源,他們希望這些常數(基本粒子的基本質量)要麼是某種模式的一部分(它們不是),要麼可以從基本原理中計算出來(它們不是),要麼是從某種更大的框架中動態地出現,比如統一理論(GUT)或弦理論(它們不是)。

18-21、夸克混合參數。

這四個參數規定了所有弱核衰變如何發生,並允許我們計算不同的放射性衰變產物的概率振幅。因為「上夸克」、「魅夸克」和「頂夸克」(以及「底夸克」、「奇夸克」和「下夸克」)都有相同的量子數,它們可以混合在一起。混合的細節通常由Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)矩陣參數化,並給出了三個夸克混合角,以及一個違反cp的複雜相位。

同樣,這四個參數不能從任何其他原理中預測出來,只能簡單地測量出來。

22-25、中微子混合參數。

與夸克相似,考慮到三種中微子都有相同的量子數,中微子相互混合的細節也有四個參數。到今天為止,三個混合角度已經被相當精確地測量了,但違反cp的階段還沒有被測量。中微子混合是由Maki-Nakagawa-Sakata (MNS)矩陣參數化的。

26、宇宙常數或無量綱常數,驅動宇宙加速膨脹。

這是另一個常數,它的值無法得到,只是一個可測量的事實。如果我們把宇宙倒回到大爆炸後幾皮秒的時間,以大致相同的初始條件和這26個基本常數開始,我們每次都會得到大致相同的宇宙。唯一的區別是量子力學概率和初始條件變化的程度。

還有哪些常數沒有被發現?

即使上面的26個常數也不能解釋宇宙的一切!例如:

我們現有常數的cp違反數量,無法解釋在宇宙中觀察到的物質-反物質的不對稱性。這就需要某種新的物理學,這就意味著必須有一個新的基本參數。如果強相互作用中有cp違反,那也會是一個新的參數,如果沒有,阻止強CP的物理(或對稱性)可能會攜帶一個新的常數或多個常數。宇宙暴漲發生了嗎?如果發生了,與之相關的參數是什麼?什麼是暗物質?根據我們合理的假設,暗物質是一個有質量的粒子,肯定需要至少一個(或多個)新的基本參數來描述暗物質。

這就是我們今天的處境!

我們還不知道這些常數的值從何而來,也不知道這些常數是否會被我們宇宙中現有的信息所知曉。我們穿越宇宙的旅程還在繼續!

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