主编点评 | 物理学的终结？看宇宙中最危险的两个量
物理学界最近出现了一种令人不安且饱受争议的看法：我们正在逼近人类通过科学所能了解这个世界的绝对极限。近日，欧洲核子研究中心 (CERN) 的粒子物理学家 Harry Cliff 参加了一场TED演讲，期间谈到了两个对于我们宇宙存在来说极为关键的两个量。倘若有任何的微变，这个世界或许都将不复存在。
“在未来的几年里，我们可能会知道自己是否能够继续扩展我们对这个世界的了解，也许我们将在科学史上首次遇到无法回答的问题。”来自欧洲核子研究中心 (CERN) 的粒子物理学家 Harry Cliff 最近在瑞士日内瓦的一次TED演讲上讲到，“这并不是说我们的大脑不够聪明或者技术无法满足，而是由物理学定律本身决定的。”
在 Cliff 的观点里，有两个被视为宇宙中最危险的量。它们决定着我们在世间所见一切物质、结构和生命的存在。倘若这两个量有细微的变化，那么宇宙万物都将不复存在，这里将一片死寂。
第一个量：希格斯场的强度
Cliff 所言的第一个危险数值代表着物理学家称之为希格斯场的强度。这是一种无形的能量场，与其他磁场稍有不同，它充斥着整个宇宙。我们既看不见，也摸不着，但是如果没有它，我们也无法存在。
当粒子畅游在希格斯场中，它们会获得质量并最终成为质子、中子以及电子这些组成你我的基本单位。如果没有希格斯场，那么一切都将灰飞烟灭。
确认希格斯场的存在源于2012年CERN的突破性发现。当时物理学家在大型强子对撞机 (LHC) 中发现一种新的基本粒子，即希格斯玻色子。根据理论，在没有希格斯场的环境下无法产生希格斯玻色子。但围绕希格斯场仍有一些令Cliff这样的物理学家所困惑的问题。
依照爱因斯坦的广义相对论和量子力学理论——在宏观和微观尺度上主导着我们对宇宙理解的两大物理学理论——希格斯场应该存在两种自然状态。这就像灯的开关一样，要么是关闭状态，意味着宇宙中各处的值皆为0；要么是开启状态，意味着其具有绝对大的值。
无论在哪种情况下，原子都无法存在，也就是说我们所存在的这个世界都不会存在。但实际情况是，“希格斯场这盏灯只是微弱地点亮着。”Cliff 说，“它不是0，但它的值比完全值要小一亿亿倍。就好像灯的开关被卡在了接近关闭的位置上。这个值太关键了，如果它有任何细微的变化，那么整个宇宙的物质世界都将不复存在。”
希格斯场的强度为何有着如此精妙而微弱的量值令人无法理解。理论学家花了数十年对其进行研究，到现在已经想出了不少花哨的解释，比如“超对称性 (supersymmetry)”和“大型额外维度 (large extra dimensions)”。但无论怎样，如果希格斯场强度真能够得到解释，那么我们应该会在LHC中见到新的粒子与希格斯玻色子一起出现。不过至今为止，还没有任何发现。
第二个量：暗能量的强度
Cliff 所称的第二个危险量同时被物理学家们称为“物理学史上最糟糕的理论预测”。
这一数值涉及到外太空的深度以及所谓的暗能量。1998年，天文学家发现宇宙的扩张速度并不是恒定的，而是越来越快。其中的驱动因素来自神秘的排斥力——暗能量。“我们并不知道暗能量到底是什么，”Cliff 表示，“最好的解释是它是空虚空间自身的能量，即真空的能量。”
物理学家按照量子力学来计算暗能量的大小，得到的结果令人吃惊：“暗能量应该比我们天文学所观察到的数字高出10^120倍，这绝对是一个让人脑袋晕菜的数字。它比宇宙中任何数据都要大，它比全宇宙中的原子个数还要多出千万亿亿亿亿倍。这实在是个很烂的预测。”
不过我们很幸运，暗能量比理论预测要小很多。如果按照理论模型，那么暗能量的排斥力将把整个宇宙撕裂，星球与星系都无法形成，也就没有我们了。
从另一方面讲，人们仍未建立起一套可与实际观测所匹配的理论，对于暗能量至今仍无法解释。与希格斯场相比，这需要更为精妙的认知。
也许永无答案
爱因斯坦在晚年一直在寻找大一统理论，后来的科学家也始终没有停下这一脚步。最有前途的大概就是弦理论，然而弦理论看起来似乎并不是一个理论，而是诸多理论的集合。据估计，目前可能共有10^500种版本的弦理论，每一种都可用来描述一个特别的宇宙，拥有其独特的物理学定律。
有人说这弦理论并不科学，但也有人说，如果世间某处真的存在那些形形色色的宇宙呢？倘若如此，那么我们将恍然大悟：在那些多重宇宙中，有很多地方暗能量太强，宇宙被撕裂；也有很多地方希格斯场太弱，没有原子能够产生；而我们恰好活在一个两者都完美调和的宇宙中，我们是少数的幸运者。
但是 Cliff 表示，如果我们按照这种想法思考下去，那么将永远无法回答那个问题：为什么这个世界是存在的？可能多数世界中什么也没有，而我们所在世界的物理学定律允许我们存在而已。“更糟的是，我们甚至无法检验多重宇宙这个概念。我们无法进入其他宇宙，也无从确定它们是否真的存在。”
一直以来，LHC中的发现都是不毛之地，除了希格斯玻色子外一无所有。然而现在，我们正怀抱着有史以来的最高期望。今年夏天，LHC将开展第二阶段运行，其能量将达到前一次的两倍。粒子物理学家们对此都非常兴奋，指望着发现新粒子，微型黑洞，或者完全意料之外的东西。
如果这次能有所发现，那么物理学家们将继续在百年前爱因斯坦开启的这条道路上前行，更深入地追寻自然界的规律。但是，如果在两三年内仍没有任何发现，到时LHC将进入第二次长期休眠，而我们可能也要进入一个新的物理学时代：一个宇宙面貌无法被解释的时代，一个我们可能活在多重宇宙却永远无法触及它们的时代，一个我们永远无法回答那个问题的时代——为什么这个世界是存在的。
也许答案在中国
当然，提到中国将建造世界最大的粒子对撞机时 (LHC的两倍大)，Cliff 表示这肯定是物理界的好消息。建造一个像LHC那么大的对撞机需要全世界国家集中资源，没有一个国家能够负担起那么大的消耗，可能也就除了中国。中国可以调动巨大的人力物力财力建造这个机器，它将进一步研究希格斯玻色子，可能会给我们带来惊喜。
据了解，中国的大型对撞机设计工作将于2016年完成，2020年开始建造，预计在2028年投入使用，耗资30亿美元。LHC的周长有27公里，能够产生14 TeV的对撞能量，这已经让科学家发现希格斯玻色子 (上帝粒子) 的存在。根据报道，中国将要修建的对撞机周长达到了52公里，对撞能量高达70 TeV。另外，美国和欧洲也已经开始筹备周长100公里，碰撞能量100 TeV的超级粒子对撞机。
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Harry Cliff: Have we reached the end of physics?
编后语
宇宙中最危险的两个量，并不意味着物理学的终结，而意味着基本粒子的标准模型的尴尬。
我们知道标准模型可以描写所有的基本粒子。它是我们现有的描写我们世界的最基本的理论。它包括了物理的精华：如麦克斯韦方程、狄拉克方程、杨-米尔斯规范场，等等。标准模型本身和它的组成部分多次获得诺贝尔奖。
标准模型含有十几个参量。为了描写我们的世界，这十几个参量必须取某些特定的值。这些参量最自然的取值是和1差不多的数，如 0.51、3.24, 等等。可是实际上，我们必须取一些非常怪、非常不自然的值才能描写我们的世界。其中一个参数是希格斯场的强度。这个参数必须取值为一亿亿分之一这么一个不可思议的小数，才能给出基本粒子正确的质量。为什么这个参数要取这么小的值，物理学家百思不得其解。这是物理学中一个很有名的谜。
由于实在没有办法，有些人甚至想用人择原理来解释为什么希格斯场的强度这么小。这一思路的出发点是我们有非常非常多的多重宇宙。每个多重宇宙中，这个参数都取不同的值。可只有当这个参数取非常非常小的值的时候，其所在的宇宙才可能有智慧生物来理解这个宇宙。我们的宇宙正好是这么一个宇宙。当然很多物理学家实在不喜欢人择原理。
另外，现阶段中国要造的长达52公里的大型粒子加速器，是能量只有240GeV的正负电子对撞机，然后再考虑70TeV的正负质子对撞机。
——文小刚
参考文献
1 http://www.sciencealert.com/the-2-most-dangerous-numbers-in-the-universe-could-signal-the-end-of-physics
2 http://www.ted.com/talks/harry_cliff_have_we_reached_the_end_of_physics#t-705970
3 http://tech.hexun.com/2014-07-24/166956433.html
正文获授权转载自“知社学术圈”。
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