物理學陷入困境：接下來該怎麼辦？（下）

第二部分：接下來我們該怎麼辦？雅各布·大衛·貝肯斯坦：以色列耶路撒冷希伯來大學的理論物理學家、黑洞熱力學的奠基人之一，他指出，宇宙間的暗物質、暗能量等「黑色幽靈」對愛因斯坦的理論是否正確提出了質疑。應該拋棄相對論嗎？廣義相對論似乎已經成功地嵌進現代社會的血液中。的確如此，儘管大多數太陽系和天文學現象仍然採用牛頓的重力理論進行計算，但是，如果沒有GPS（全球定位系統）這個小玩意，我們什麼事情也做不了，而GPS則與相對論脫不了干係。因為GPS的誤差來源里有一項是相對論效應的影響，通過修正相對論效應才能得到更準確的定位結果。在重力場很強的太陽系系統和雙脈衝系統內，廣義相對論已經被精確地測試過，但是，在重力場比較弱的大尺度上，廣義相對論從來沒有被測試過。暗物質和暗能量這對「黑暗雙煞」還沒有被科學家們了解清楚會讓廣義相對論陷入失敗嗎？有些科學家認為會，他們也取得了些許成功。例如，以色列魏茨曼科學研究所的摩德埃·米爾格魯姆於上世紀80年代提出了修正的牛頓動力學（MOND）理論。該理論認為引力和質量之間具有另外一種關聯，依照他的理論，當物體質量非常輕時，並不遵循牛頓定律。MOND解釋了星系奇怪的旋轉現象，其解釋方法比廣義相對論使用暗物質解釋更好。另外，科學家們提出的用來替代相對論的「f（R）」引力理論構建的宇宙模型儘管沒有包含暗能量，但卻表現得好像已經將暗能量囊括其中了。但是，沒有一個理論盡善盡美。首先，MOND並沒有很好地解決星系簇內單個星系的運動。而且，「f（R）」引力理論並沒有很好地描述引導科學家們提出暗物質這一概念的不規則的星系旋轉。廣義相對論或許仍然堅挺。如果暗能量是愛因斯坦硬塞進其廣義相對論方程式中的珍貴的宇宙常數，那麼，其令人信服的來源是真空能。引力場毫無疑問會擾亂真空，讓出現在星系和星系簇內以及周圍的能量集中在一起，就像暗物質一樣。我們很難想像目前的量子場論可以集中如此充足的能量，但或許某一天，明智地使用量子物理學可能會揭開籠罩在暗物質和暗能量頭上的神秘面紗。克里斯·克拉克森：南非開普敦大學的宇宙學家，他認為，假設我們在宇宙中身處何處或許會歪曲我們對宇宙的看法。應該摒棄哥白尼原則嗎？無論我們朝哪一個方向看，我們看到的宇宙好似非常一樣。這說明，我們在觀察一個事物時所處的位置並不特殊。這是哥白尼原則的一個假設，聽起來似乎合情合理。但是，很難證實我們在遙遠的星系中的所見所聞與我們身處地球時的所見所聞會有何區別。哥白尼原則要是不對怎麼辦呢？科學家們對超新星在不同距離範圍內的觀察使我們相信，宇宙正在加速膨脹，暗能量必須存在。但是，因為光速是有限的，我們看進太空的距離越遠，我們需要的時間也越長。令我們驚奇的是，隨著時間的演進，空間中發生出現的變化可能會很容易同演化混淆。這樣說來，暗能量或許只是一個幻覺。讓我們將球形的天空想像成一顆洋蔥，其由幾層密度不同的物質組成。在密度大的地方，引力的凝聚力會阻礙宇宙的膨脹。如果我們居於一個密度比較低且膨脹率比較高的中央空白處，並從各個方向向外看向那些密度比較高而且膨脹率比較低的地方，對我們來說，宇宙似乎在最近一段時間內一直在加速。在宇宙大爆炸後的一霎那，這樣一個宇宙的膨脹環境或許會發生變化，以產生這樣龐大的低密度區域。但是，它將違背神聖的哥白尼原則：其他坐在該洋蔥中的人將看到一個完全不一樣的不均勻的宇宙。儘管我們正處於中央空白處的幾率微乎其微，不過，也有可能發生。但是，研究遙遠的星系簇周圍的宇宙微波背景溫度的變化使我們能從遙遠的地方「看見」宇宙，並且告訴我們宇宙是否均勻，最新的觀察表明宇宙並不均勻。摒棄了哥白尼原則的模型可能需要進行很多微調，才能同現實相符。馬克斯·特格馬克：美國麻省理工學院宇宙學家，他提出了一種新的宇宙終結理論，該理論認為宇宙最終將會以「大崩塌」的方式結束，而該終結模式似乎在邏輯上難以避免。在他的觀點中，與大爆炸有關的最好的理論在邏輯上是自毀的。應該重新思考宇宙暴脹理論嗎？暴脹始於一個偉大的起點。人們認為，宇宙以一種新奇的很難稀釋的物質的一個亞原子粒子開始，而且該粒子的數量不斷加倍，最終製造出了宇宙大爆炸和我們現在看到的幾乎整齊劃一的、平滑的宇宙。不僅如此，宇宙甚至變得更好。暴脹也產生了隨機量子波動，這些波動產生了今天我們看到的滿天繁星、星系以及其他更大的天體結構。暴脹理論也作出了很多非常精確的預測。例如，用來測量空間平滑度的量——歐米茄（Omega）的平滑度應該等於1，而實際上科學家們測出其等於1.003±0.004，真的是非常接近，太神奇了。但是，就像一個頑強的上了年紀的教授一樣，暴脹也開始退休。暴脹理論預測，在我們的宇宙遙遠的部分，這一過程會永遠持續下去，產生一個不僅非常大而且真正無限的空間，其中包含有無數個星系、恆星和行星，甚至像我們一樣的人類。這一空間內的隨機波動讓物質在不同的地方呈現出不同的分布方式，因此，會有無數人觀察到一個值接近1的歐米茄（Omega）；無數人觀察到一個值接近2的歐米茄（Omega），諸如此類等等。那麼，有很多其他人觀察到的事物和我們看到的一樣，會出現什麼可能的情況呢？無用的、正式的答案是無限除以無限，似乎毫無用處。我們的宇宙學家們仍然沒有就如何將這一無用的答案變成有用的事物達成一致意見。因為膨脹，我們幾乎無法預測出任何可能性。我們將這稱為「測量問題」，並且，將其看成今天的物理學家們面對著的最深的危機。從邏輯上而言，我認為，膨脹具有自我破壞性，破壞了促使我們起初對它嚴陣以待的預測。老實說，我並不覺得任何其他富有競爭性的理論能夠更好地解釋暴脹。我估計，一旦我們解決了「測量問題」，某種形式的暴脹仍然會保持下去——但或許並非最終極的那種。所有的問題都源於無限，尤其是假設空間能夠被永遠延伸而不會分崩離析。我並不願意質疑這個激進的假設，但是，我們應該這樣做。弗朗克·韋爾切克：因發現強相互作用理論中的漸近自由，而榮獲2004年諾貝爾物理學獎。韋爾切克表示，美學告訴我們，超對稱或許會突破標準模型的僵局。應該重視美標準模型確實非常強大而且形式簡潔優美。科學家們發現希格斯玻色子更是錦上添花。2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家們宣稱，他們發現了一種新的亞原子粒子，這個粒子是希格斯玻色子（即傳說中的「上帝粒子」）的可信度高達99.99994%。1964年，科學家首次提出希格斯玻色子是物理學粒子標準模型中最後缺失的一部分，標準模型是一套描述強作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。根據該理論模型，希格斯玻色子必須存在從而賦予其他基本粒子質量。希格斯玻色子的「現身」證實了標準模型的完整性。而且，更為重要的是，這是科學家們幾十年科研探索的集大成者。就像在大海中撈針一樣，我們首先必須完全理解大海和針，為了發現大型強子對撞機（LHC）製造的「迷你宇宙大爆炸」中的希格斯玻色子的罕見蹤跡，我們必須了解基礎物理學。標準模型幾乎是大自然給予人類的最美妙的果實。然而，標準模型是作用力和粒子的大雜燴，沒有獲得完整的統一性和一致性。在標準模型中，標準模型最早部分——麥克斯韋方程組統治了電磁學，公正地來說，麥克斯韋方程組以平衡和優美著稱。標準模型最新部分的方程式描述了強核力，這部分也具有令人愉悅的對稱性，但是，強核力並不需要電荷和載力子（光量子），它們需要3個「色」電荷和8個膠子。而弱核力則引入了另外3個載力子。上述所有這些使標準模型看起來有點別彆扭扭的。鑒於此，我們希望能夠獲得更大更好的方程組，其具有更好的對稱性和平衡性。從邏輯上而言，超對稱就是這些想法的集大成者。它假定存在著一種基本的對稱性，使力能夠變成物質，物質也能變成力，同時，這些方程式作為整體具有同樣的內容。通過讓自然界的粒子博物館裡粒子的數量加倍——為每個組成物質的費米子製造出一種攜帶力的玻色子以及相反，可以做到這一點。朝著這條道路一直追尋下去，我們會獲得比較大的成功。經過擴展後的新理論可以精確地預測強核力、弱核力、電磁力的強度之間的比率，標準模型聽任這些參數擺布。我相信這個成功絕非偶然。但是，在科學上，相信只是一種手段，而不是最終目的。超對稱性預測了具有獨特屬性的新粒子，隨著大型強子對撞機以更高的能量和密度強度操作，這些粒子會逐一進入我們的視野中。這一理論很快將經受嚴格的考驗，它或者會給我們提供我們所需要的，甚至給我們驚喜，或者一切只是竹籃打水一場空。麗莎·藍道爾：哈佛大學理論物理學家，粒子物理學和宇宙學領域的權威。她有點擔憂地表示：「我們或許無法獲得超越標準模型的答案。」到我們提升對撞能量的時刻了嗎？如果超對稱能解決標準模型的一個核心問題——同其他基本作用力相比，引力為何如此微弱，那麼，超對稱預測的其他粒子的質量應該比較低。當大型強子對撞機開啟時，很多人滿懷樂觀地認為，超對稱就在不遠處。而實際上，以前的加速器實驗已經很好地排除了最簡單的這個超對稱版本。沒有在大型強子對撞機內發現低能粒子也說明了這一點。因此，如果超對稱要發揮自己應有的作用的話，它一定擁有一個更靈敏更複雜的形式，而且，其涉及到的粒子的質量也應該更高。不過，超對稱並非唯一可能的答案。大型強子對撞機也正在搜索其他可能的證據，包括我和同事拉曼·桑壯首先於1999年提出的一個模型。我們的這個模型認為，我們身處的四維宇宙坐落在一個「膜」上，膜內的宇宙擁有第五維度。科學家們假設能傳送引力的基本粒子引力子集中在該膜內，只有一小部分「泄露」到我們生存的四維中，這就解釋了為何引力相對電磁力、強核力和弱核力相對來說比較孱弱。這些模型預測，粒子會從額外的維度獲得動量，因此，在我們看來，雖然是同樣的粒子，但其質量其實更大。它們的質量應該最少有幾個電子伏特，或許更高。其對應的低質量的粒子可以被觀察到，但是，大型強子對撞機製造出的這樣的粒子也可能急劇下降到幾個電子伏特。這就將我們置於一種非常不安的境況。在大型強子對撞機提供新的發現之前，我們並不知道哪個理論是正確的。如果大型強子對撞機再也不能提供新的發現，我們就很難有理由製造某些更大的機器。不過，我並不擔心物理學領域沒有新東西供我們發現，我擔心我們可能沒有錢來做這些事情。珍妮特·康拉德：麻省理工學院中微子物理學家，她認為，中微子這種令人捉摸不透的粒子已經為我們提供了打開新的物理學大門的鑰匙。中微子會打敗標準模型嗎？標準模型是所有理論中的巨人，其主要特點是龐大、強大，而且直到最近似乎都不可戰勝。但其實，早在10年前，它可能就已經遇到過幾乎將其完全打敗的對手：中微子。標準模型認為，中微子這種微小而神秘的粒子分為3個不同的類型或者氣味。它們沒有質量，僅僅通過弱核力相互作用，這使它們很難被探測到。這種情況一直持續到1998年。當年，科學家們證實，中微子會「振蕩」。義大利理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫首先提出此猜想，他認為特定味的某一中微子可以轉化為不同的味。這是一個量子力學效應，只有在中微子有質量的情況下才能出現。這個粒子因此成為第一個而且也是迄今為止唯一一個超越標準模型的粒子。如果中微子擁有質量可以讓一切問題迎刃而解的話，我們或許只需要對標準模型進行修修補補就行。但是，我們現在看到了其他振蕩的證據，如果只有3種中微子的話，這種額外的振蕩就很難解釋清楚了。這或許表明，還存在著其他「惰性」中微子，這種中微子並不通過目前已有的四種作用力來相互作用，但是，其能變成活躍的中微子，也可以由活躍的中微子變化而來。如果這一全新的現象獲得證實，那將會給我們迎頭一棒。重新思考已知粒子的質量是一件事情，但是，要在標準模型中添加一種全新的粒子則是另外一回事。我們或許可能需要一個新的理論來解釋惰性粒子以及它們來自於何處。如果惰性中微子並不通過現有的已知的作用力發生作用，那麼，它們通過什麼力相互作用呢？這或許會成為解開暗物質之謎的關鍵。對於上述問題，我們並沒有清晰的答案，但是，關於惰性中微子的理論論文正以一周兩篇的速度出現。為什麼我們要研究最細微的粒子呢？因為研究大粒子並不管用。《科技日報》（2013-06-12 三版）
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