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标题: 数十年的实验让科学家们考虑一种大概性：宇宙的存在没有意义？ [打印本页]

作者: 我是一条蛆 时间: 2023-7-3 07:13
标题: 数十年的实验让科学家们考虑一种大概性：宇宙的存在没有意义？

宇宙是天然的还是我们生活在多元宇宙中的非典型泡沫？大型强子对撞机近来的结果迫使许多物理学家面对后者的大概性。
2012年7月，希格斯玻色子的发现证实了一个已有近50年汗青的理论，即基本粒子如何获得质量，从而能够形成星系和人类等大型布局。事实上，它或多或少地出如今我们期望的地方，这是实验的胜利，是理论的胜利，也是物理学成功的一个标志。
然而，为了使希格斯玻色子的质量(或等效能量)有意义，大型强子对撞机还需要找到一群其他粒子。但并没有出现。

“宇宙是不大概存在的，”41岁的尼玛·阿卡尼-哈米德在哥伦比亚大学的一次演讲中说。
由于只发现了一种粒子，大型强子对撞机实验加深了一个酝酿了数十年的物理学难题。现代方程似乎以惊人的准确性捕捉到了实际，正确地推测了许多天然常数的值，以及像希格斯玻色子这样的粒子的存在。然而，一些常数—包括希格斯玻色子的质量—与这些可信的定律所表明的应该是成指数级的差别，除非宇宙是由无法表明的微波所塑造的，否则这些常数将清除任何生命存在的大概性。
处于危险中的是“天然性”的概念，这是阿尔伯特·爱因斯坦的空想，他认为天然法则是崇高漂亮的、不可避免的、独立的。假如没有它，物理学家将面对一个严峻的远景:这些定律只是空间和时间布局中随机波动的一种武断、混乱的结果。
大型强子对撞机将在2015年继续粉碎质子，为寻找答案做末了的努力。但是在论文、演讲和采访中，顶尖物理学家已经开始面对宇宙大概是非天然的这种大概性。(然而，对于如何证实这一点，各方存在广泛分歧。)
“10年或20年前，我是天然的刚强信徒，”该研究所的理论物理学家内森塞伯格说。“如今我不那么肯定了。我希望另有一些我们没有想到的东西，一些其他的机制可以表明全部这些。但我不知道会是什么。”
物理学家推断，假如宇宙是非天然的，具有使生命成为大概的极其不大概的基本常数，那么，一定存在大量的宇宙，才华实现我们这个不大概的情况。否则，我们为什么要这么幸运呢?非天然性将极大地推动多元宇宙假说。多元宇宙假说认为，我们的宇宙是无穷的、不可靠近的泡沫中的一个泡泡。根据一个被称为弦理论的流行但两极分化的框架，多元宇宙中大概出现的宇宙范例大约有10^500个。在此中一些情况下，偶然消去会产生我们观察到的希奇常数。
在这样的图景中，并不是这个宇宙的统统都是不可避免的，这使得它变得不可推测。该研究所的弦理论家爱德华维滕在电子邮件中说，“假如多元宇宙的表明不正确，我个人会很高兴，部分原因是它大概限定我们理解物理定律的能力。”但宇宙诞生时，我们谁也没有被咨询过。”
“有些人讨厌它，”加州大学伯克利分校物理学家拉斐尔·布索说。“但我认为我们不能从情绪的角度来分析它。在大型强子对撞机缺乏天然性的情况下，这种大概性越来越受到青睐。”
大型强子对撞机在下一次运行中所做或未发现的事情，大概会为以下两种大概性之一提供支持:要么我们生活在一个过于复杂但独立的宇宙中，要么我们生活在一个多元宇宙中的非典型泡泡中。塞伯格说:“由于大型强子对撞机的出现，我们将在5年或10年后变得聪明得多。”这是触手可及的。”
宇宙巧合
爱因斯坦曾经写过，对于一个科学家来说，“宗教情绪采取了对天然法调和的狂热惊讶的形式”，“这种感觉是他生活和工作的指导原则。”的确，整个20世纪，对“天然”的信仰已被证实是发现真理的可靠指南。
“天然有着良好的记录，”Arkani-Hamed在接受采访时说。在实践中，要求物理常数（粒子质量和宇宙的其他固定属性）直接来自物理定律。一次又一次，每当一个常数出现微调时，似乎它的初始值被神奇地拨打以抵消其他影响一样，物理学家猜疑他们遗漏了一些东西。他们会寻找并不可避免地找到一些实质性地拨打常数的粒子或特征，从而避免了微调的取消。
这一次，宇宙的自我修复能力似乎失败了。希格斯玻色子的质量为126千兆电子伏特，但与其他已知粒子的相互作用应增长其质量约10,000,000,000,000,000,000 千兆电子伏特。这意味着希格斯的“裸质量”或其他粒子影响它之前的起始值恰好是天文数字的负值，导致近乎完善的消除，只留下希格斯的暗示：126千兆电子伏特。
物理学家经历了三代粒子加速器寻找新粒子，这种新粒子被一种称为超对称的理论所假定，它将使希格斯质量下降的水平与已知粒子驱动它一样多。但到如今为止，他们空手而归。
升级后的大型强子对撞机将在下一次运行中探索更高的能量等级，但即使发现了新的粒子，它们也几乎肯定会过于极重，无法以正确的方式影响希格斯质量。希格斯看起来仍然至少要轻10或100倍。物理学家差别意这是否在天然的，独立的宇宙中是可接受的。哈佛大学传授丽莎兰德尔表现，“稍微调整一下也许就是这样。” 但是在Arkani-Hamed看来，“稍微调整一下就像是怀孕了。它根本不存在。“
假如没有新的粒子出现而且希格斯仍然在天文学上举行微调，那么多元宇宙假设将成为众人瞩目标焦点。“这并不意味着它是正确的，”多元宇宙图片的恒久支持者Bousso说，“但这确实意味着它是城里唯一的游戏。”
一些物理学家—特别是伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的乔·莱克肯。意大利比萨大学的亚历山德罗·斯特鲁米亚提出了第三种选择。他们说，物理学家大概错误地估计了其他粒子对希格斯粒子质量的影响，假如计算方法差别，希格斯粒子的质量似乎是天然的。当额外的粒子(如暗物质的未知成分)被计算在内时，这种“修正的天然性”就会削弱—但同样的非正统路径大概会产生其他想法。“我不想提倡，但只是讨论结果，”斯特鲁米亚本月早些时候在布鲁克海文国家实验室的一次演讲中说。
然而，修正后的天然性并不能办理物理学中存在的一个更大的天然性问题:宇宙在大爆炸之后并没有立即被自身的能量湮灭。

意大利国家核物理研究所物理学家亚历山德罗·斯特鲁米亚，讨论了斯特鲁米亚的“改良天然性”理念，该理念质疑了如何计算天然的恒久假设希格斯玻色子质量的值。
暗中逆境
构建在空间真空中的能量(被称为真空能量、暗能量或宇宙常数)是一个令人狐疑的万亿、万亿、万亿、万亿、万亿倍，比它的天然代价(只管是自毁的)还要小。没有任何理论能够天然地办理这个巨大的差距。但很显着，宇宙常数必须经过极大的微调，才华防止宇宙敏捷爆炸或坍缩到一定水平。为了让生命有时机，它必须举行微调。
为了表明这一点谬妄的运气，多元宇宙的想法在已往几十年里已经成为宇宙学范畴的主流。1987年，诺贝尔奖得主史蒂文说我们的宇宙是最不协调的。“假如宇宙常数比观测值大得多，好比说10倍，那么我们就没有星系了，”塔夫茨大学宇宙学家、多元宇宙理论家亚历山大·维伦金表明说。“很难想象在这样一个宇宙中生命是如何存在的。”
大多数粒子物理学家希望能找到一个对宇宙常数问题更经得起检验的表明。没有。如今，物理学家说，希格斯玻色子的不天然使宇宙常数的不天然变得更加紧张。Arkani-Hamed认为这些问题甚至大概是相干的。他说:“我们对宇宙中一个基本的、差别平常的事实没有一个了解。”“它很大，里面有很大的东西。”
2000年，理论物理学传授乔·波钦斯基发现了一种机制，可以产平生行宇宙的全景图时，多元宇宙就不但仅是一场挥挥手的争论了。弦理论是一种假设的“万物理论”，认为粒子是无形的小振动线，假设时空是10维的。在人类的尺度上，我们只经历了三维空间和一维时间，但弦理论学家认为，在我们的4-D实际布局的每一点上，都有6个额外的维度精密相连。鲍索和波钦斯基计算出，这六个维度有大约10500种差别的打结方式(全部的打结方式都消耗了差别数量的能量)，这使得一个难以想象的广阔而多样的宇宙阵列成为大概。换句话说，不需要天然。没有一个单一的、不可避免的、完善的宇宙。
布索说:“对我来说，这绝对是一个了不得的时刻。但这篇文章引发了众怒。
“粒子物理学家，尤其是弦理论学家，空想着独一无二地推测全部的天然常数，”鲍索表明说。“全部的东西都会从数学和圆周率和2中得出。我们走进来说，‘看，这不会发生，这是有原因的。我们用完全错误的方式思考这个问题。’”
生活在多元宇宙中
在多元宇宙的场景中，是一个波动。一个精密的、六维的结，在实际的布局中构成一针突然变形，开释能量，形成空间和时间的泡沫。这个新宇宙的性子是由偶然决定的：在涨落过程中开释的能量。绝大多数以这种方式爆发的宇宙都充满了真空能量，它们要么膨胀得太快，要么瓦解得太快，以至于生命无法在此中出现。但是一些非典型宇宙，此中一个不大概的抵消产生一个极小的宇宙学常数的值，很像我们的宇宙。

在多元宇宙的场景中，大量多样的气泡宇宙在更大的真空中波动而存在。宇宙中有一小部分具有有利于生命存在的物理特性。
布索认为，希格斯粒子的质量在多元宇宙中也有意义。他们发现，气泡宇宙中含有足够多的可见物质(与暗物质相比)，足以支持生命存在，而这些物质每每具有超对称粒子，超出了大型强子对撞机的能量范围，以及一个经过微调的希格斯玻色子。类似地，其他物理学家在1997年指出，假如希格斯玻色子的重量是它的五倍，这将抑制氢以外原子的形成，从而通过另一种方式，在一个没有生命的宇宙中产生。
只管有这些看似成功的表明，但许多物理学家担心，采取多元宇宙的天下观会收效甚微。平行宇宙是无法测试的;更糟的是，一个非天然的宇宙抗拒理解。“没有天然，我们将失去寻找新物理学的动力，”美国高等研究院物理学家科菲尔·布鲁姆说。“我们知道它就在那边，但没有强有力的理由阐明我们为什么应该找到它。兰德尔说:“我宁愿宇宙是天然的。”
但是理论可以在物理学家身上发展。在花了十多年的时间使本身顺应多元宇宙之后，Arkani-Hamed如今发现这是可行的——也是一条理解我们天下的方式的可行途径。他说:“在我看来，最妙的一点是，大型强子对撞机的任何结果基本上都将以差别水平的力量引导我们沿着这些差别的门路进步。”“这种选择非常非常紧张。”
天然是可以降服的。大概这大概是多元宇宙中一个希奇但惬意的口袋里的一个虚假的希望。

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