使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 前沿 > 天文 • 物理

这六个问题,让物理学家寝食难安

时间: 2018年06月15日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
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,但也面临着六个亟需解决的大问


1.暗物质

地球绕着太阳旋转,它的速度取决于距离、太阳的质量和引力强度(自然界中的普适常数)。这里并不需要用到复杂的广义相对论,只要用牛顿引力就可以计算出。以太阳系为例,离太阳越远,行星的运动速度越慢:

WX20180615-101941.png

随着距离的增加, 行星的运动速度会越来越慢。(图片来源:James Schombert)

同样的定律也可以被应用在遥远的星系团中。在星系团中的单独星系会绕着共同的质心运动。在1930年代,天文学家Fritz Zwicky发现在后发星系团中,外层的星系运动速度远远超过了星系团质量所允许的。到了1970年代,Vera Rubin在类似银河系的螺旋星系中发现了同样的现象,并推断在星系中应该存在着大量看不见的物质。

WX20180615-102657.png

理论预测星系的旋转速度会随着距离递减(红色曲线),但实际观测到则完全出乎意料(白色曲线)。如果没有额外的质量提供引力,那么星系早已分崩离析。

虽然我们看不见这些“暗物质”,但是我们可以观测和测量它的引力效应。它占据了宇宙总质量和能量的26.8%。显然,粒子物理学的标准模型中的基本粒子无法为此买单。但是,目前所有尝试探测超越标准模型的暗物质粒子,或者试图利用高能粒子对撞中产生暗物质粒子,都毫无收获。暗物质模型正面临着最严峻的考验。

WX20180615-102825.png

2. 暗能量

WX20180615-103113.png

被拉伸的光线(© E.Siegle)

在1998年,有两个科研小组通过对遥远的超新星爆发的测量得出了一个结论:虽然预计这些超新星发出的光在到达地球的时候被拉伸,但意想不到的是,拉伸的程度比先前预测的要多。换句话说,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀!科学家把造成加速膨胀的幕后黑手称为“暗能量”。暗能量支配着宇宙的命运,占据了宇宙总质量和能量的68.3%。

640.gif

真空涨落(© Derek Leinweber)

但暗能量究竟是什么?一个最简单的答案是真空能量,这其实是对爱因斯坦一个旧思想的复苏。为了使宇宙看起来是静态的,爱因斯坦在方程中加入了一个宇宙学常数。根据量子力学,真空本身会有微小的涨落。在广义相对论中,这些微小的量子涨落会产生能量,可以充当宇宙学常数的角色。但是,基于量子力学计算的真空涨落的值要比实际观测的能量密度高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理史上最糟糕的理论预言”。这便是宇宙学常数问题。但宇宙学常数并不是唯一的选择,也有可能暗能量其实是一种“精质”(quintessence),这是一种自然界中未被发现的第五种力。这两个解决方案都遇到了各自的问题,因此物理学家提出了其它的可能性。

3. 宇宙暴胀

当你放眼整个宇宙的时候,有几个特征曾经困扰了物理学家无数个夜晚。例如,为何宇宙在几何上是“平直”的?以及为何宇宙各处都拥有几乎相同的温度?宇宙暴胀理论的提出一下子把这些问题都解决了。在宇宙诞生之初,空间在极短的时间内经历一场比光速还快的膨胀。暴胀的其中一个重要预言就是原初引力波,它会在宇宙微波背景辐射留下印记。2014年,科学家宣称自己探测到了原初引力波,很可惜后来被证明是错误的。

WX20180615-103752.png

宇宙经历了一次指数式的暴胀(Inflation)

事实上,我们并不知道是什么导致了宇宙发生了暴胀,而且,暴胀一旦开始就不会完全停止,其结果就是多重宇宙的诞生。走出这个困境的一个方法是弱化光速。如果在宇宙早期光速要比现在的快,就可以解释温度一致的问题。或许光速现在依然在减慢,只是这个变化微弱到即使世界上最灵敏的探测器也无法探测到。

4. 力的统一

WX20180615-103915.png

电弱力和强核力能够被统一吗?这样的一个理论被称为大统一理论(GUT)。(图片来源:Sandbox Studio)

标准模型只解释了自然界中的三种基本力,并没有完美地统一电弱力和强核力。同时,引力也是唯一一个无法用量子理论来解释的基本力。为了从量子理论的角度去解释引力的传递,科学家提出一种传递引力的粒子,称为引力子,但至今没有被找到。

WX20180615-104033.png

自然界的四种基本力能否在普朗克尺度下统一起来?(图片来源:Fermilab)

在描述亚原子粒子作用时,由于引力太过于弱,我们可以大胆的忽略掉它的效应。但是在某些情况下,我们就必须同时考虑它们,比如在黑洞中或宇宙大爆炸。如果没有引力的量子理论,我们在通往对自然更深层次的理解的道路上就面临着无法跨越的障碍。而且几乎所有的量子引力都会破坏等效原理中的惯性质量和引力质量之间的联系,但目前等效原理严格的经受住了所有实验的考验。

5. 微调问题

粒子物理学的标准模型非常的有效,但不完备。例如,它并没有完全解释弱核力、强核力和电磁力之间为什么会有不同的强度,也没有解释粒子的质量大小。这些量必须由实验测量,再添加到理论中去。它们之中的任何一个数字的值只要有一点点的不同,整个宇宙看起来就不会是现在这样的。例如,如果我们把质子和中子的质量对调,那么氢气就不会产生,恒星也不会发光,更加不会有人类的存在。

WX20180615-111747.png

Martin Rees在《六个数》一书中用了六个基本常数,探讨了我们从何而来?到何处去?这六个数字组成了一个制造宇宙的“秘方”,如果其中任何一个数字出现“失调”,那宇宙就会截然不同,也就不可能会有星体和生命。这六个数的值或宇宙中的其它常数究竟是一种残酷的现实还是一种巧合?或者是被精心挑选的?这是大自然最深奥的秘密之一。

同样的“微调”问题也充斥在宇宙学。为什么宇宙中的暗能量和暗物质的总量刚刚好,使星系能够产生?为什么宇宙中都是由物质构成的,而不是反物质?等等。

6. 测量问题

波粒二象性和量子纠缠揭示了量子力学核心的一个谜题。当我们去测量量子物体的时候,会改变它们的本质,迫使它们“坍缩”并选择一个确定状态。这是否意味着我们是现实的共同制造者?对量子力学的测量问题,物理学家并没有统一的看法。

或许正如Hugh Everett提出的多世界诠释那样,一旦我们对某个系统进行测量,就会分裂出无数个可能的世界。

WX20180615-112132.png

著名的薛定谔猫同时处于死和活的状态,在打开盒子的一刻会分裂出所有可能的世界。(图片来源:Wikipedia)

但或许又正如爱因斯坦所相信的,其实量子力学是不完备的,那么我们就要重新审视所有它背后的原理。在2016年的帕特鲁斯基讲座中,标准模型的奠定者之一Steven Weinberg同样表达了对量子力学的不满,而他的关注焦点正是“测量”这一行为。

六项解决方案,能否叩响新物理的大门?

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。

WX20180615-113035.png

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。(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:

WX20180615-113252.png

修正引力理论的一些途径。(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。

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。

WX20180615-113450.png

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。

WX20180615-115310.png

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。

3. 第五种力

WX20180615-115449.png

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。

WX20180615-115833.png

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。

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。

640 (1).jpg

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?

WX20180615-120257.png

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。

5. 多重宇宙

WX20180615-134312.png

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。其次是要如何找到具有说服力的证据证明它们的存在。

WX20180615-134418.png

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。

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。

WX20180615-134728.png

 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。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。

来源:“原理”公众号(ID: principle 1687)