这六个物理学的前沿研究，哪个会叩响新物理的大门？

2017-03-23 大大中科院物理所

在过去的一个世纪，物理学家从六个原理出发逐渐发展出了标准宇宙学模型和粒子物理学的标准模型。它们虽然成功地描述着这个世界是如何运作的，但也面临着六个急需解决的大问题。这些问题困扰着许多物理学家，但并没有使他们退缩，而是迎难而上，提出了六个最吸引人的解决方案。

在逐一讨论这六个方案前，我们用一张图回顾下前两期的内容：

- 方案 1 -

修正引力理论

引力是我们都很熟悉的一个概念，毕竟是它使我们的脚牢牢的定在地面上，以及维持住地球的大气层。而广义相对论是已知最精确的一个引力理论，到目前为止它经受住了所有的检验。而在弱引力场和非相对性运动（运动速度较慢）的情况下，广义相对论可以近似为牛顿引力。

△ 在《新科学家杂志》中，Mark Anderson撰写了一篇题为“为什么是时候重新思考引力是如何工作的” 的文章【1】。（图片来源：Julien Pacaud）

我们知道，在太阳系的范围内，以及黑洞合并辐射出的引力波中，广义相对论都有着非常出色的表现。但是在宇宙尺度下，广义相对论依然适用吗？如果我们选择相信它，那么为了解释星系和星系团的高速自转，就必须发明一种全新的物质形态：暗物质。同样地，为了解释宇宙正在加速膨胀，我们也必须提出另一种神秘的力量——暗能量。

但我们真的需要暗物质和暗能量吗？或许它们根本就不存在？只是我们需要重新思考什么是引力。其实在爱因斯坦发表广义相对论不久后，爱丁顿、外尔、克鲁扎和克莱因等人就已经开始寻找其它的替代理论。广义相对论的替代理论被统称为“修正引力理论”（Modified Gravity）。近一个世纪以来，物理学家已经提出了许多相关理论，下面这张图表列出了大部分的修正引力理论：

△ 修正引力理论的一些途径。对这些理论有兴趣的读者推荐阅读Timothy Clifton撰写的一篇综述【2】。（图片来源：Tessa Baker）

例如，在1981年，Moti Milgrom提出的“修正牛顿动力学”（MOND）就可以解释星系的自转曲线。但是，目前没有一个理论能够脱颖而出，它们都多多少少面临一些问题需要克服。

▶ 扩展阅读：《新的引力理论通过第一道检验》

- 方案 2 -

超对称理论

物理学家认为自然界中存在着一种对称性，能够把玻色子（比如光子等）和费米子（比如电子等）联系起来。在对称变换中，费米子会转变为玻色子，反之亦然。这种对称性被命名为超对称。

△ 左边为标准模型粒子，右边为超对称粒子。（© DESY）

在超对称理论中，所有已知的费米子（比如夸克和轻子）都有个未知的玻色子超对称伙伴（比如超夸克和超轻子），以及所有已知的玻色子（比如光子和胶子）都有个未知的费米子超对称伙伴（比如光微子和超胶子）。粒子瞬间加倍了，当然乐趣也加倍了。

超对称理论之所以受到物理学家的热捧是因为它很优美，而且可以同时解决六个问题中的三个：

微调问题：解释了为什么希格斯玻色子的质量这么低；
力的统一：计算表明，当能量越来越高的时候，电磁力、弱核力、强核力会在高能下统一；
暗物质：最轻的超对称粒子——中性微子，是暗物质的天然候选者。

△ 粒子翻倍，乐趣也翻倍了。（图片来源：Sandbox Studio）

只要把粒子数量翻倍我们就能解决这些大问题让许多人为之着迷。但问题是，如果超对称粒子的确存在，它们应该早在大型强子对撞机中被探测到。但目前我们完全没有看到任何可疑的信号，这让许多人输了赌局。也许是因为超对称粒子比我们想象的更重，又或者是我们需要更加细心的去分析数据，我们不知道。但越来越多的人感到不安，或许超对称并不是我们想要的答案。

▶ 扩展阅读：《超对称的崛起与衰落》，《双重迷雾：零结果的阴影笼罩物理学》

- 方案 3 -

第五种力

△ 有没有可能存在着一种未被发现的第五种力？（图片来源：The Day）

引力、电磁力、弱核力和强核力......这是目前已知的四种基本力，但这个数字看起来很随机。为什么不能有更多的基本力？第五种力很有可能是一种微弱、且长程的力，有点像引力，但很可能会跟它相互作用。它或许会抵消掉一点引力的作用，解释为什么宇宙的膨胀率在加速（暗能量）。或许它也可以跟引力的作用叠加提供额外的引力，解释暗物质的问题。这第五种力肯定是非常擅长伪装自己，使我们感受不到它的存在。有一个看法认为，是太阳系中的高密度环境保护我们感受不到它的效应，而在宇宙尺度（低密度）环境下它才变得显著起来，这也是为何我们如此难以检验这个想法。

△ 铍-8的衰变会是第五种力存在的证据吗？（图片来源：Flip Tanedo）

第五种力伴随着量子粒子也被提出来解释粒子物理学的微调问题，可是在这个尺度下几乎没有丝毫证据表明存在这种新的基本力。但是，去年科学家在实验中观测到元素铍-8的罕见衰变，被认为是第五种力的存在证据，一旦这一结果被进一步验证，将打开一个全新的局面。

▶ 扩展阅读：《第五种基本力：是事实还是虚构？》

- 方案 4 -

弦理论

许多物理学家的梦想，包括爱因斯坦，都是为了找到一个统一的理论来描述所有的自然现象。在过去几十年，就有这样一个理论出现了：弦理论。特别是，发展到后来的M理论。在M理论中，物质不再是由标准模型中所认为的点粒子组成的，而是由一维的振动弦构成的，并且是在11维的时空内。这些弦的不同振动方式代表了不同的基本粒子。

△ 卡拉比-丘成桐空间，正是超弦理论所需要的额外维。（图片来源：Jeff Bryant）

M-理论可以解决微调问题，并且包含了超对称。它的额外维度被卷曲的非常小，因此我们无法察觉。许多人相信M-理论是统一的正确道路，但是它的主要一个问题是它没有做出任何可检验的预言。这引起了许多的讨论，许多人开始质疑弦理论究竟算得上是一个科学理论吗？

△ 圈量子引力和弦理论结合才是正解吗？（图片来源：Domenic Bahmann）

同时，弦理论的竞争理论也不断地出现，比如圈量子引力、因果集理论等。而最近有物理学家认为弦理论和圈量子引力的结合或许是理解更深层的现实的一条途径【3】。

▶ 扩展阅读：《十个问题，带你认识弦理论》，《宇宙究竟有多少个维度？》，《统一之路，困难重重》

- 方案 5 -

多重宇宙

△ 宇宙之所以是现在这个样子的，是因为还存在着许多其它可能的宇宙。（图片来源：Public domain）

多重宇宙听起来像是科幻中的场景，但其实有许多理论都预言了多重宇宙的存在。弦理论需要它。暴胀理论制造它。在解释量子力学的测量问题时，多世界诠释不断地创造出平行宇宙。但我们遇到的第一个困难就是这些多重宇宙或许全都不一样，虽然有越来越多人认为后两者可能是相同的【4】。其次是要如何找到具有说服力的证据证明它们的存在。

△ 在永恒暴胀理论中，暴胀永远不会停止。图中红色X的记号代表暴胀停止的区域，比如我们的宇宙。绿色则代表暴胀继续的区域，会一直无限持续下去。（图片来源：E.Siegel）

多重宇宙同时是祝福也是诅咒。举个例子，弦理论或者暴胀预言的多重宇宙可以解决微调问题：其它的宇宙存在着所有可能的物质结构，我们所在的这个宇宙只是其中一个拥有“正确”的配方使生命能够出现并且演化。但是，这样一种“人择”的原理免除了我们去询问最吸引人的问题：“为什么？” 这或许是我们能够做到最好的，但是允许所有的可能性就意味着科学剥夺了自身的预言能力。

▶ 扩展阅读：《真的有无数个你，在无数个不同的宇宙吗？》

- 方案 6 -

信息

当试图把广义相对论和量子理论统一在一起的时候，通常我们都假设广义相对论需要修正。毕竟，它是经典场论，完全没有把量子理论考虑进来。但是，只要量子理论的一些方面，比如测量问题，没有被解释清楚，那么量子理论就有一定的概率是错误的，或者它只是一个更深层理论的近似。例如，纠缠的粒子之间究竟发生了什么？纠缠是许多谜题的根源，最近有相关的研究表明它或许跟时间和空间有关。在这个情况下，什么是纠缠？或许最好的解释是，它是某种粒子之间共享的信息。

△ 或许信息才是宇宙中最基本的。

这突出了前沿物理学的一个共同主题：理解时空和通往一个更加统一的图景的关键在于把信息——而不是物质和能量——当成宇宙中最基本的东西【5】。信息是否是最基本的，我们还不知道，但我们需要努力的去理解它是如何运作的。或许通过这个全新的视角来看待宇宙会使今天所遇到的问题都迎刃而解。

▶ 扩展阅读：《这个新方程可以统一广义相对论和量子力学》

我们不知道以上哪个方向会是最终的答案，或者会指引我们通往最终的答案。但我们期待在不久的将来，这几个研究方向能够为我们叩响新物理的大门。

▶ 扩展阅读：《物理学的六大基本原理》，《面对这六个问题，物理学家寝食难安》

参考文献：

【1】https://www.newscientist.com/article/mg23331170-200-rules-of-attraction-why-its-time-to-rethink-how-gravity-works/

【2】https://arxiv.org/abs/1106.2476

【3】https://www.newscientist.com/article/mg23331160-500-the-stringloop-theory-that-might-finally-untangle-the-universe/

【4】http://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/05/26/are-many-worlds-and-the-multiverse-the-same-idea/

【5】http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2014/04/is-information-fundamental/

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