宇宙远比想象更丑陋，所以物理学家迟迟找不出宇宙真相？
本文由微信公众号“环球科学”（ID：huanqiukexue）授权转载
转载请先联系www.huanqiukexue.com
我们的宇宙并不在由物理学家建立的严格且优雅的标准中。是时候来面对我们可能生活在一个丑陋的宇宙中这一事实了。
撰文 | Daniel Cossins
翻译 | 张克文
审校 | 吴非
物理学家保罗·狄拉克希望被美指引，他并不畏于承认这件事。在1963年的一篇论文中，他回忆起自己在发现那个奇怪却真实的量子理论定律（狄拉克方程）时，扮演了什么样的角色。他写道，“相比于与实验相吻合，更重要的是公式本身的美。”这听起来或许有些奇怪，毕竟实验才是公式能否解释自然现象的最终仲裁者。但是对于像狄拉克这样的理论物理学家来说，实验有时候具有误导性，只有美才是不可侵蚀的。
对于优美的追求，是做基础物理的理论研究者们普遍的信仰，即使美的标准已经随着时间发生改变。理论物理学家格外追求的一种优美，是自然性（naturalness）的原理。简单地说，就是认为自然法则应该是惊艳、自洽的，而不是临时、随机的。
但是，如果自然法则不是理论物理学家所想的那样呢？在2012年捕获到希格斯玻色子之后，越来越多的物理学家开始考虑这种令人不安的可能性。这种在欧洲核子中心的大型强子对撞机中发现的新粒子，证实了长久以来关于粒子如何获得质量的理论。但与此同时，关于希格斯粒子的发现可能会对我们看待现实的方式产生深远的影响，来自加州大学圣克鲁兹分校的理论物理学家Michael Dine说：“我们可能会发现，自然并不是我们所想的那样。”
即使在寻找新粒子的物理学家中，“自然”这个词也有不同的含义。从广义上来说，宇宙应该是合理的，而不是奇异的宇宙轮盘赌的结果。“自然性相信所有的存在都不是偶然的，万物背后都有原因，”剑桥大学的理论物理学家 Ben Allanach说，“这是一种认为事物发展不能靠运气的理念。”
这听起来或许有些模糊，但是理论物理学家有更加准确的专业定义：“技术自然性”（technical naturalness）。上世纪八十年代，荷兰乌得勒支大学的Gerard ‘t Hooft提出了这个定义，它的提出是为了标记，宇宙的存在依赖于某些隐藏的巧合。简单来说，就是理论和模型所包含的常数不应该有太大的差异。除非有更宏大、更全面的理论可以解释这样悬殊的差异，所有决定宇宙演化的数字不应该有超过10倍的差异。
合意的不应该是巧合
因此不难理解，物理学家为什么会怀疑那些不符合的数字。设想一下：如果你在轮盘赌上连续第一百次旋转得到的结果都是相同的数字，你会怀疑游戏是否公平。这个结果太过荒谬，需要寻求合理的解释：或许是球上有一块磁铁，或者是有一根未被发现的细线？相同的逻辑适用于那些出乎意料地强或弱的作用力，或是质量不可思议地低或高的粒子：一定是还有一些没有被发现的原因。
从某种程度上说，现代物理学一直沿着这样的路线发展，对最为复杂的宇宙寻找更为精简的解释。但近些年来，粒子物理学鲜有进展。确实，粒子物理学家的标准模型很成功，通过简单的公式组，就能够描述所有已知的粒子和四大基本作用力中的三个。但是它不能对引力和暗物质作出任何描述，这暗示着更强大的理论会取代它。
更重要的是，我们可能会因为盲目乐观地审视标准模型而感到愧疚。当标准模型的公式几近自然时，出现了一些奇怪的特例。真空中的能量密度，也就是宇宙常数，比我们预期的小120个数量级。还有就是希格斯粒子，它的质量十分小。“看起来，自然至少不是按照我们建议的方式发展的。”‘t Hooft说到。
为了实现宇宙质量赋予者这一功能，希格斯粒子被认为是通过希格斯场来和其他已知的粒子相互作用。这是一个十分复杂的过程，它应当赋予希格斯粒子大约10-8千克的质量，用粒子物理单位来说大概是1019GeV。然而，我们测量的结果是，希格斯粒子只有125GeV。其中一个怪异的解释是，它的内在质量是一个巨大的负数，大到足以抵消相互作用提供的额外的质量，相消的结果是只剩下125GeV。但是这引出了一个不自然的问题：为什么两个如此大的、明显没有联系的数字抵消得这么干净？
答案是，将这些数字关联起来。优先考虑的候选是超对称理论（SUSY），该理论为每一个已知粒子引入了一个超重同伴。引入的超粒子能够将希格斯粒子降至现有质量，完善现有方程，并且使得希格斯粒子的质量合乎技术自然性。SUSY在数学上也很优美，它在统一三种相互作用力同时还可以解释暗物质。
寻找超粒子
面对着如此美丽的身兼数职者，大多数物理学家都相信SUSY可以获得成功。他们希望超粒子在高于希格斯粒子的能量标度上立马现身，这样物理学家就可以宣告胜利。但是，事情的进展却不顺利。在包括强大的LHC在内的三代加速器上，研究者们都没有发现任何超粒子的踪迹。
当然，这些粒子可能还在潜伏在某处。LHC最后的搜寻将在今年年底结束，但是科学家没能从对撞机最近的运行结果中，找到它们的任何踪迹。这意味着我们遇到了瓶颈，除非我们从头重新理顺寻找超对称物质的逻辑。“超对称理论预言的粒子本应在LHC中看到，这使我怀疑我们在关于自然性的探索道路上走错了，” Allanach说道，“我现在还不确信，但我对超对称理论持怀疑态度。”
自然的宇宙从简单法则构建出复杂的结构
确实，越来越多的物理学家开始动摇，哪怕是那些几乎整个职业生涯都信奉这个原则的物理学家。理论物理学自身正处在一个转折点上。
在德国法兰克福高等研究院的Sabine Hossenfelder看来，要解决该矛盾只有一条出路：抛弃自然性。在即将出版的书Lost in Math: How beauty leads physics astray中，Hossenfelder不仅仅质疑了其中的无用性，更质疑了其逻辑的一致性。自然性要求，就像被非法操纵的轮盘赌一样，测得的希格斯粒子的质量十分不合理。但是对于这个轮盘赌，我们一生的经验告诉我们，相同结果的反复出现是多么不可能，也就是物理学家所说的概率分布。Hossenfelder说，我们只有一个宇宙，它没有能用来比较的对象。
那么，为什么自然性被广泛推崇？“就个人来说，我认为这是一种认知偏见。” Hossenfelder说，这也是物理学很善于消除的。
但是，并非所有人都乐于去接受新的原理。首先，放弃以优美性作为指导原则，是在危险地接近人择原理的循环逻辑。人择原理认为宇宙拥有这样的特性，就是因为它是我们生存、思考的宇宙。对于很多人来说，这是在逃避责任。“人择原理的问题在于它对科学研究的回避，” Allanach说，“它认为我们根本无法找到最终的答案。”
Hossenfelder则认为，抛弃技术自然性不一定会将我们带到人择原理这条路上，从而使科学丧失活力。她说：“承认你的常数在不同的阶段有不同的数值，这并没有任何不对的地方。”
即便如此，多数理论物理学家还是没有做好放弃自然性的准备。比如，当Allanach和同事对于缺乏支持超对称理论的证据感到失望时，他并不认为这个领域与将自然性视作基本原则相违背。事实上，一些科学家，比如Dine，仍然相信SUSY粒子可能存在于比预测更高的能标下，超过所有对撞机所能达到的能标。
但是对于那些疲于相信自然性、已经对SUSY不再感兴趣的人来说，另一个理论的出现转移了他们的注意力。不同于为了寻求希格斯粒子质量的解释而引入新的粒子，它的解决方案更为精巧：引入数十亿个宇宙。
存在多个宇宙的想法并不新鲜。宇宙学家早就提出在大爆炸之后不久，宇宙的指数级膨胀分割出不同的区域，使之成为一个个独立的宇宙。它们究竟有多少还不清楚，据估计最多有10500左右，每一个宇宙都有自己独特的物理性质。
我们的宇宙，可能只是数十亿个宇宙中的一个？
当然，现在还没有证据证明这样的景象存在，更不要说有多少个宇宙以及它们都有什么样的性质。即使如此，存在这样大量的可能结构可以代表一种概率分布，Hossenfelder这样的批评家可以指责自然性的必要性。当绝大多数宇宙中的希格斯粒子拥有更合理的质量时，我们就可以只分析那些偏离的数据。Dine：“能够解释希格斯粒子的质量和宇宙学常数为何如此奇怪的唯一真实的模型，只能是景观模型（landscape model）。”
这看起来是把我们带向人择原理的死胡同：也许，在所有不同的宇宙中，我们的宇宙是唯一一个拥有如此轻质量的希格斯波色子的，它能够支持形成所有最终产生生命的结构，并让人们有机会去思考这个问题。但是多数理论物理学家仍希望拥有更强的理论。他们希望有一个机制能够确保，希格斯波色子在隔壁的宇宙中以他们设想的方式存在。即使景观模型可能不是最终的答案，它也指引了正确的方向。Dine说：“它给我了我们找到合理解释的希望。”
事实上，有些理论学家认为我们已经找到了。也许，这数十亿种希格斯玻色子不需要分布在数十亿个宇宙中，而是都曾在我们所处的宇宙中出现过，一些未知的机制选择出了我们如今所看到的一切？这是普林斯顿高等研究院的 Nima Arkani-Hamed带领的团队所研究的，他们提出了新理论：N自然性（Nnaturalness）。这个理论引入了N个标准模型的复制品，N是一个很大的数字，代表着在同一个宇宙中同时存在的拷贝数。这些复制品的性质几乎完全一致，除了希格斯粒子质量不同。因此，每一个复制品中其他粒子的质量也会受到影响。
给我们存在的正当理由
所以，在如今我们所见到的轻希格斯粒子宇宙复制品中，一定发生过某种选择过程。据Arkani-Hamed和其同事的观点，这将会引出一个假设的粒子：reheaton，它包含了早期宇宙的所有能量。Reheaton的能量太高，因此寿命很短，它最终会衰变成更轻的粒子，包括重新赋予宇宙能量的低质量希格斯粒子。当我们观测到的希格斯粒子的质量是它可能达到的最小值，我们宇宙的粒子家族是被优先选择的。
“早期宇宙的再加热过程在所有复制品中选择了标准模型。” 来自普林斯顿大学的 David Pinnerat说，他也是Arkani-Hamed的合作者。他认为，这一选择过程的证据可以通过通过未来建造的望远镜，在大爆炸的余晖（微博背景辐射）中被探测到。
如果你认为这和不大可能发生的精确调节惊人地类似，而自然性的抵消正是我们想避免的，你的想法很普遍。“有一些解释复杂到离谱，相较于只是加入常数并且接受常数的存在来说麻烦得多，” Hossenfelder说，“它们近乎于一个宗教的解释，这样你可以引入一个你无法观察到的天使。”
现如今，自然性就像美一样，存在于观察者的眼中：一个人眼中简洁的结论或许是另一个人眼中洛可可式的怪物。但是就像狄拉克一样，大多数理论物理学家仍然希望被美引诱。如果这意味着他们必须更新他们对美的看法，来与正在改变的时代相适应，或者完全抛弃它，那么就让这样的事情发生吧。“物理学上最深刻的突破，都是源自矛盾的出现迫使研究人员来重新审视他们的假设，” Nathan Seiberg说，“自然性的有关问题应该被看成是一次机遇，而不是退缩的理由。”
原文链接：
https://www.newscientist.com/article/mg23731670-600-truth-before-beauty-our-universe-is-uglier-than-we-thought/
本文由微信公众号“环球科学”（ID：huanqiukexue）授权转载
转载请先联系www.huanqiukexue.com
编辑：Cloudiiink
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
2. 原来，这些我们都默认科学家早已解决了的问题，至今仍然无解
4. 鸡蛋从高空坠落能砸死人，为什么猫却摔不死？科学告诉你答案
5. 光学3分钟：从入门到放弃
6. 光速为什么如此重要？