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宇宙可能没有意义,是美还是真理

日期:2019-11-27编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:是美还是真理?假如物理欺骗了你……

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Sabine Hossenfelder是法兰克福高级研究所的一名研究员,她对量子引力的现象学十分有兴趣。她的文章大量发表在《福布斯》《科学美国人》和《新科学家》等杂志上。2018年,她还发表了自己的著作《数学迷失:美丽如何让物理学误入歧途》。

宇宙是自然的还是我们生活在多元宇宙中的非典型泡沫?大型强子对撞机最近的结果迫使许多物理学家面对后者的可能性。

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2012年7月,希格斯玻色子的发现证实了一个已有近50年历史的理论,即基本粒子如何获得质量,从而能够形成星系和人类等大型结构。事实上,它或多或少地出现在我们期望的地方,这是实验的胜利,是理论的胜利,也是物理学成功的一个标志。

谁会拒绝一个好主意呢?物理学家们就是个例外,在物理学的基础上结合令人愉悦的美学的假设已经成为公认的实践。物理学家认为,动机有时并不重要,因为假设必须得到科学的验证,但他们的大多数的美好想法都很难或不可能得到验证。当自己的实验空手而归时,物理学家可以通过继续修正他们的理论来改进零结果的实验。

然而,为了使希格斯玻色子的质量有意义,大型强子对撞机还需要找到一群其他粒子。但并没有出现。

这种情况已经持续了大约40年。在这40年里,关于美学的争论已经发展成为正式的研究项目—如超对称、多元宇宙和大统一这些等待验证的理论吸引了成千上万的科学家投身其中。在这40年里,社会上花费了数十亿美元在这些实验上,却没有发现任何事实证据可以支持这些美好的想法。在这40年里,物理学的基础其实并没有取得重大突破。

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我的同事认为审美标准是基于经验的基础上的。我们目前拥有的最基本的理论——粒子物理学的标准模型和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论——在特定的方面是美的。

​“宇宙是不可能存在的,”41岁的尼玛·阿卡尼-哈米德在哥伦比亚大学的一次演讲中说。

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由于只发现了一种粒子,大型强子对撞机实验加深了一个酝酿了数十年的物理学难题。现代方程似乎以惊人的准确性捕捉到了现实,正确地预测了许多自然常数的值,以及像希格斯玻色子这样的粒子的存在。然而,一些常数—包括希格斯玻色子的质量—与这些可信的定律所表明的应该是成指数级的不同,除非宇宙是由无法解释的微波所塑造的,否则这些常数将排除任何生命存在的可能性。

我也赞同可以试着假设更多的基本理论在某些方面也是具有美学特征的,但这一切在尝试之后仍是徒劳。尽管如此,物理学家们仍在根据三个美学标准选择相应的理论:简单、自然和优雅。

处于危险中的是“自然性”的概念,这是阿尔伯特·爱因斯坦的梦想,他认为自然法则是崇高美丽的、不可避免的、独立的。如果没有它,物理学家将面临一个严峻的前景:这些定律只是空间和时间结构中随机波动的一种武断、混乱的结果。

简单,不是指奥卡姆剃刀定律式的简单,它是指在两个需要实现相同目标的理论中,你选择其中一个更简单的。你也可以理解为绝对简单:对我的同事来说,当有些理论看起来还不够简单的时候,他们就会试图让它们变得更简单——通过把几种力统一或者假设有新的对称,将粒子组合成有序的集合。

大型强子对撞机将在2015年继续粉碎质子,为寻找答案做最后的努力。但是在论文、演讲和采访中,顶尖物理学家已经开始面对宇宙可能是非自然的这种可能性。(然而,对于如何证明这一点,各方存在广泛分歧。)

第二个标准是自然。自然是一种试图摆脱人为因素的尝试过程,它要求一个理论不应该看起来像是被精心挑选过的一样。这一准则通常适用于没有单位的常数值,例如基本粒子质量比。自然要求这样的数字应该接近1,要不理论就要解释为什么事实不是这样的。

“10年或20年前,我是自然的坚定信徒,”该研究所的理论物理学家内森塞伯格说。“现在我不那么肯定了。我希望还有一些我们没有想到的东西,一些其他的机制可以解释所有这些。但我不知道会是什么。”

最后是优雅这个标准,这是最后一个也是最难以捉摸的一个。它通常被描述为简单和惊喜的结合,在某方面揭示了新的联系。我们在“啊哈效应”(Aha effect)中找到了一些优雅的痕迹,也就是事情在进入新的状态时让人顿悟的时刻。

物理学家推断,如果宇宙是非自然的,具有使生命成为可能的极其不可能的基本常数,那么,一定存在大量的宇宙,才能实现我们这个不可能的情况。否则,我们为什么要这么幸运呢?非自然性将极大地推动多元宇宙假说。多元宇宙假说认为,我们的宇宙是无限的、不可接近的泡沫中的一个泡泡。根据一个被称为弦理论的流行但两极分化的框架,多元宇宙中可能出现的宇宙类型大约有10^500个。在其中一些情况下,偶然消去会产生我们观察到的奇怪常数。

物理学家认为,这三个标准中只要有一个是合乎美学的,那么上面的理论就是有希望的。这使得他们可以大胆预测质子应该能够衰变。自上世纪80年代以来,实验室一直在寻找这种物质,但迄今为止还没有人发现质子衰变的过程。

在这样的图景中,并不是这个宇宙的一切都是不可避免的,这使得它变得不可预测。该研究所的弦理论家爱德华维滕在电子邮件中说,“如果多元宇宙的解释不正确,我个人会很高兴,部分原因是它可能限制我们理解物理定律的能力。”但宇宙诞生时,我们谁也没有被咨询过。”

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“有些人讨厌它,”加州大学伯克利分校物理学家拉斐尔·布索说。“但我认为我们不能从情感的角度来分析它。在大型强子对撞机缺乏自然性的情况下,这种可能性越来越受到青睐。”

理论家还预测,我们应该能够探测到暗物质粒子,比如轴子或弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)。我们已经委托了给许多机构大约几十个实验,但还没有发现任何假设的粒子存在——至少目前还没有。

大型强子对撞机在下一次运行中所做或未发现的事情,可能会为以下两种可能性之一提供支持:要么我们生活在一个过于复杂但独立的宇宙中,要么我们生活在一个多元宇宙中的非典型泡泡中。塞伯格说:“由于大型强子对撞机的出现,我们将在5年或10年后变得聪明得多。”这是触手可及的。”宇宙巧合

许多一样的对称和自然标准让许多物理学家相信,大型强子对撞机(LHC)应该可以看到希格斯玻色子之外的新物质,比如所谓的“超对称”粒子或额外空间维度,但对这些东西的探索到目前为止也没有任何进展。

爱因斯坦曾经写过,对于一个科学家来说,“宗教情感采取了对自然法和谐的狂热惊奇的形式”,“这种感觉是他生活和工作的指导原则。”的确,整个20世纪, 对“自然”的信仰已被证明是发现真理的可靠指南。

在这个项目变得荒谬之前,你还能让它走多远 ?如果你让一个理论变得越来越简单,它最终会变得不可预测,因为这个理论会缺乏足够的信息来让相关人员进行计算。大家现在知道的是理论家们所称的“多元宇宙”——一个有着不同自然规律的无限宇宙的总称。

“自然有着良好的记录,”Arkani-Hamed在接受采访时说。在实践中,要求物理常数(粒子质量和宇宙的其他固定属性)直接来自物理定律。一次又一次,每当一个常数出现微调时,好像它的初始值被神奇地拨打以抵消其他影响一样,物理学家怀疑他们遗漏了一些东西。他们会寻找并不可避免地找到一些实质性地拨打常数的粒子或特征,从而避免了微调的取消。

例如,你使用万有引力定律而不通过测量确定牛顿常数的值,可以说你的理论包含了一个宇宙中任何常数的值。当然,你必须假设我们生活在一个这样的宇宙,它的值正好是牛顿常数。正因为以上情况,理论家现在才可以写关于大量新宇宙的论文。更好玩的是,其他的宇宙空间都是不可观测的,因此多元宇宙理论在实验测试中是可行的。

这一次,宇宙的自我修复能力似乎失败了。希格斯玻色子的质量为126千兆电子伏特,但与其他已知粒子的相互作用应增加 其质量约10,000,000,000,000,000,000 千兆电子伏特。这意味着希格斯的“裸质量”或其他粒子影响它之前的起始值恰好是天文数字的负值,导致近乎完美的消除,只留下希格斯的暗示:126千兆电子伏特。

我认为我们该从科学史中吸取教训了。对美的向往并不能成为理论发展的向导。许多看起来很美的假设都是错误的,比如约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)的观点:行星轨道堆积在规则的多面体中,即所谓的“柏拉图固体”,还有原子在看不见的以太中纠缠打结,宇宙处于“稳定状态”而不是在扩张和膨胀。

物理学家经历了三代粒子加速器寻找新粒子,这种新粒子被一种称为超对称的理论所假定,它将使希格斯质量下降的程度与已知粒子驱动它一样多。但到目前为止,他们空手而归。

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升级后的大型强子对撞机将在下一次运行中探索更高的能量等级,但即使发现了新的粒子,它们也几乎肯定会过于沉重,无法以正确的方式影响希格斯质量。希格斯看起来仍然至少要轻10或100倍。物理学家不同意这是否在自然的,独立的宇宙中是可接受的。哈佛大学教授丽莎兰德尔表示,“稍微调整一下也许就是这样。” 但是在Arkani-Hamed看来,“稍微调整一下就像是怀孕了。它根本不存在。“

其他一些曾经被认为是丑陋的理论也经受住了时间的考验。当开普勒认为行星是沿着椭圆而不是圆运动时,同时代的人以这个理论为耻,并认为那不可能是真的。物理学家詹姆斯·麦克斯韦在后来拒绝接受自己创立的关于电场和磁场的理论,因为在他那个年代,这些关于美的标准涉及齿轮和螺栓的打造。

如果没有新的粒子出现并且希格斯仍然在天文学上进行微调,那么多元宇宙假设将成为众人瞩目的焦点。“这并不意味着它是正确的,”多元宇宙图片的长期支持者Bousso说,“但这确实意味着它是城里唯一的游戏。”

保罗·狄拉克指责麦克斯韦理论的进化版本很丑陋,因为去掉不定式需要复杂的数学运算。然而,那些被认为是丑陋的想法往往是正确的,它们至今仍在被使用,我们也不再觉得它们丑陋。

一些物理学家—特别是伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的乔·莱克肯。意大利比萨大学的亚历山德罗·斯特鲁米亚提出了第三种选择。他们说,物理学家可能错误地估计了其他粒子对希格斯粒子质量的影响,如果计算方法不同,希格斯粒子的质量似乎是自然的。当额外的粒子(如暗物质的未知成分)被计算在内时,这种“修正的自然性”就会减弱—但同样的非正统路径可能会产生其他想法。“我不想提倡,但只是讨论后果,”斯特鲁米亚本月早些时候在布鲁克海文国家实验室的一次演讲中说。

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