撰文 | Daniel Cossins

翻譯 | 張克文

審校 | 吳非

物理學(xué)家保羅·狄拉克希望被美指引，他并不畏于承認(rèn)這件事。在1963年的一篇論文中，他回憶起自己在發(fā)現(xiàn)那個奇怪卻真實的量子理論定律（狄拉克方程）時，扮演了什么樣的角色。他寫道，“相比于與實驗相吻合，更重要的是公式本身的美?！边@聽起來或許有些奇怪，畢竟實驗才是公式能否解釋自然現(xiàn)象的最終仲裁者。但是對于像狄拉克這樣的理論物理學(xué)家來說，實驗有時候具有誤導(dǎo)性，只有美才是不可侵蝕的。

對于優(yōu)美的追求，是做基礎(chǔ)物理的理論研究者們普遍的信仰，即使美的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)隨著時間發(fā)生改變。理論物理學(xué)家格外追求的一種優(yōu)美，是自然性（naturalness）的原理。簡單地說，就是認(rèn)為自然法則應(yīng)該是驚艷、自洽的，而不是臨時、隨機的。

但是，如果自然法則不是理論物理學(xué)家所想的那樣呢？在2012年捕獲到希格斯波色子之后，越來越多的物理學(xué)家開始考慮這種令人不安的可能性。這種在歐洲核子中心的大型強子對撞機中發(fā)現(xiàn)的新粒子，證實了長久以來關(guān)于粒子如何獲得質(zhì)量的理論。但與此同時，關(guān)于希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)可能會對我們看待現(xiàn)實的方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，來自加州大學(xué)圣克魯茲分校的理論物理學(xué)家Michael Dine說：“我們可能會發(fā)現(xiàn)，自然并不是我們所想的那樣?！?/span>

即使在尋找新粒子的物理學(xué)家中，“自然”這個詞也有不同的含義。從廣義上來說，宇宙應(yīng)該是合理的，而不是奇異的宇宙輪盤賭的結(jié)果?！白匀恍韵嘈潘械拇嬖诙疾皇桥既坏?，萬物背后都有原因，”劍橋大學(xué)的理論物理學(xué)家 Ben Allanach說，“這是一種認(rèn)為事物發(fā)展不能靠運氣的理念?！?/span>

這聽起來或許有些模糊，但是理論物理學(xué)家有更加準(zhǔn)確的專業(yè)定義：“技術(shù)自然性”（technical naturalness）。上世紀(jì)八十年代，荷蘭烏得勒支大學(xué)的Gerard ‘t Hooft提出了這個定義，它的提出是為了標(biāo)記，宇宙的存在依賴于某些隱藏的巧合。簡單來說，就是理論和模型所包含的常數(shù)不應(yīng)該有太大的差異。除非有更宏大、更全面的理論可以解釋這樣懸殊的差異，所有決定宇宙演化的數(shù)字不應(yīng)該有超過10倍的差異。

因此不難理解，物理學(xué)家為什么會懷疑那些不符合的數(shù)字。設(shè)想一下：如果你在輪盤賭上連續(xù)第一百次旋轉(zhuǎn)得到的結(jié)果都是相同的數(shù)字，你會懷疑游戲是否公平。這個結(jié)果太過荒謬，需要尋求合理的解釋：或許是球上有一塊磁鐵，或者是有一根未被發(fā)現(xiàn)的細(xì)線？相同的邏輯適用于那些出乎意料地強或弱的作用力，或是質(zhì)量不可思議地低或高的粒子：一定是還有一些沒有被發(fā)現(xiàn)的原因。

從某種程度上說，現(xiàn)代物理學(xué)一直沿著這樣的路線發(fā)展，對最為復(fù)雜的宇宙尋找更為精簡的解釋。但近些年來，粒子物理學(xué)鮮有進(jìn)展。確實，粒子物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)模型很成功，通過簡單的公式組，就能夠描述所有已知的粒子和四大基本作用力中的三個。但是它不能對引力和暗物質(zhì)作出任何描述，這暗示著更強大的理論會取代它。

更重要的是，我們可能會因為盲目樂觀地審視標(biāo)準(zhǔn)模型而感到愧疚。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)模型的公式幾近自然時，出現(xiàn)了一些奇怪的特例。真空中的能量密度，也就是宇宙常數(shù)，比我們預(yù)期的小120個數(shù)量級。還有就是希格斯粒子，它的質(zhì)量十分小。“看起來，自然至少不是按照我們建議的方式發(fā)展的?！薄畉 Hooft說到。

為了實現(xiàn)宇宙質(zhì)量賦予者這一功能，希格斯粒子被認(rèn)為是通過希格斯場來和其他已知的粒子相互作用。這是一個十分復(fù)雜的過程，它應(yīng)當(dāng)賦予希格斯粒子大約10^-8千克的質(zhì)量，用粒子物理單位來說大概是10¹⁹GeV。然而，我們測量的結(jié)果是，希格斯粒子只有125GeV。其中一個怪異的解釋是，它的內(nèi)在質(zhì)量是一個巨大的負(fù)數(shù)，大到足以抵消相互作用提供的額外的質(zhì)量，相消的結(jié)果是只剩下125GeV。但是這引出了一個不自然的問題：為什么兩個如此大的、明顯沒有聯(lián)系的數(shù)字抵消得這么干凈？

答案是，將這些數(shù)字關(guān)聯(lián)起來。優(yōu)先考慮的候選是超對稱理論（SUSY），該理論為每一個已知粒子引入了一個超重同伴。引入的超粒子能夠?qū)⑾８袼沽Ｗ咏抵连F(xiàn)有質(zhì)量，完善現(xiàn)有方程，并且使得希格斯粒子的質(zhì)量合乎技術(shù)自然性。SUSY在數(shù)學(xué)上也很優(yōu)美，它在統(tǒng)一三種相互作用力同時還可以解釋暗物質(zhì)。

面對著如此美麗的身兼數(shù)職者，大多數(shù)物理學(xué)家都相信SUSY可以獲得成功。他們希望超粒子在高于希格斯粒子的能量標(biāo)度上立馬現(xiàn)身，這樣物理學(xué)家就可以宣告勝利。但是，事情的進(jìn)展卻不順利。在包括強大的LHC在內(nèi)的三代加速器上，研究者們都沒有發(fā)現(xiàn)任何超粒子的蹤跡。

當(dāng)然，這些粒子可能還在潛伏在某處。LHC最后的搜尋將在今年年底結(jié)束，但是科學(xué)家沒能從對撞機最近的運行結(jié)果中，找到它們的任何蹤跡。這意味著我們遇到了瓶頸，除非我們從頭重新理順尋找超對稱物質(zhì)的邏輯?！俺瑢ΨQ理論預(yù)言的粒子本應(yīng)在LHC中看到，這使我懷疑我們在關(guān)于自然性的探索道路上走錯了，” Allanach說道，“我現(xiàn)在還不確信，但我對超對稱理論持懷疑態(tài)度?！?/span>

自然的宇宙從簡單法則構(gòu)建出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

確實，越來越多的物理學(xué)家開始動搖，哪怕是那些幾乎整個職業(yè)生涯都信奉這個原則的物理學(xué)家。理論物理學(xué)自身正處在一個轉(zhuǎn)折點上。

在德國法蘭克福高等研究院的Sabine Hossenfelder看來，要解決該矛盾只有一條出路：拋棄自然性。在即將出版的書Lost in Math: How beauty leads physics astray中，Hossenfelder不僅僅質(zhì)疑了其中的無用性，更質(zhì)疑了其邏輯的一致性。自然性要求，就像被非法操縱的輪盤賭一樣，測得的希格斯粒子的質(zhì)量十分不合理。但是對于這個輪盤賭，我們一生的經(jīng)驗告訴我們，相同結(jié)果的反復(fù)出現(xiàn)是多么不可能，也就是物理學(xué)家所說的概率分布。Hossenfelder說，我們只有一個宇宙，它沒有能用來比較的對象。

那么，為什么自然性被廣泛推崇？“就個人來說，我認(rèn)為這是一種認(rèn)知偏見。” Hossenfelder說，這也是物理學(xué)很善于消除的。

但是，并非所有人都樂于去接受新的原理。首先，放棄以優(yōu)美性作為指導(dǎo)原則，是在危險地接近人擇原理的循環(huán)邏輯。人擇原理認(rèn)為宇宙擁有這樣的特性，就是因為它是我們生存、思考的宇宙。對于很多人來說，這是在逃避責(zé)任。“人擇原理的問題在于它對科學(xué)研究的回避，” Allanach說，“它認(rèn)為我們根本無法找到最終的答案?！?/span>

Hossenfelder則認(rèn)為，拋棄技術(shù)自然性不一定會將我們帶到人擇原理這條路上，從而使科學(xué)喪失活力。她說：“承認(rèn)你的常數(shù)在不同的階段有不同的數(shù)值，這并沒有任何不對的地方?！?/span>

即便如此，多數(shù)理論物理學(xué)家還是沒有做好放棄自然性的準(zhǔn)備。比如，當(dāng)Allanach和同事對于缺乏支持超對稱理論的證據(jù)感到失望時，他并不認(rèn)為這個領(lǐng)域與將自然性視作基本原則相違背。事實上，一些科學(xué)家，比如Dine，仍然相信SUSY粒子可能存在于比預(yù)測更高的能標(biāo)下，超過所有對撞機所能達(dá)到的能標(biāo)。

但是對于那些疲于相信自然性、已經(jīng)對SUSY不再感興趣的人來說，另一個理論的出現(xiàn)轉(zhuǎn)移了他們的注意力。不同于為了尋求希格斯粒子質(zhì)量的解釋而引入新的粒子，它的解決方案更為精巧：引入數(shù)十億個宇宙。

存在多個宇宙的想法并不新鮮。宇宙學(xué)家早就提出在大爆炸之后不久，宇宙的指數(shù)級膨脹分割出不同的區(qū)域，使之成為一個個獨立的宇宙。它們究竟有多少還不清楚，據(jù)估計最多有10⁵⁰⁰左右，每一個宇宙都有自己獨特的物理性質(zhì)。

我們的宇宙，可能只是數(shù)十億個宇宙中的一個？

當(dāng)然，現(xiàn)在還沒有證據(jù)證明這樣的景象存在，更不要說有多少個宇宙以及它們都有什么樣的性質(zhì)。即使如此，存在這樣大量的可能結(jié)構(gòu)可以代表一種概率分布，Hossenfelder這樣的批評家可以指責(zé)自然性的必要性。當(dāng)絕大多數(shù)宇宙中的希格斯粒子擁有更合理的質(zhì)量時，我們就可以只分析那些偏離的數(shù)據(jù)。Dine：“能夠解釋希格斯粒子的質(zhì)量和宇宙學(xué)常數(shù)為何如此奇怪的唯一真實的模型，只能是景觀模型（landscape model）?！?/span>

這看起來是把我們帶向人擇原理的死胡同：也許，在所有不同的宇宙中，我們的宇宙是唯一一個擁有如此輕質(zhì)量的希格斯波色子的，它能夠支持形成所有最終產(chǎn)生生命的結(jié)構(gòu)，并讓人們有機會去思考這個問題。但是多數(shù)理論物理學(xué)家仍希望擁有更強的理論。他們希望有一個機制能夠確保，希格斯波色子在隔壁的宇宙中以他們設(shè)想的方式存在。即使景觀模型可能不是最終的答案，它也指引了正確的方向。Dine說：“它給我了我們找到合理解釋的希望?！?/span>

事實上，有些理論學(xué)家認(rèn)為我們已經(jīng)找到了。也許，這數(shù)十億種希格斯玻色子不需要分布在數(shù)十億個宇宙中，而是都曾在我們所處的宇宙中出現(xiàn)過，一些未知的機制選擇出了我們?nèi)缃袼吹降囊磺?？這是普林斯頓高等研究院的 Nima Arkani-Hamed帶領(lǐng)的團(tuán)隊所研究的，他們提出了新理論：N自然性（Nnaturalness）。這個理論引入了N個標(biāo)準(zhǔn)模型的復(fù)制品，N是一個很大的數(shù)字，代表著在同一個宇宙中同時存在的拷貝數(shù)。這些復(fù)制品的性質(zhì)幾乎完全一致，除了希格斯粒子質(zhì)量不同。因此，每一個復(fù)制品中其他粒子的質(zhì)量也會受到影響。

所以，在如今我們所見到的輕希格斯粒子宇宙復(fù)制品中，一定發(fā)生過某種選擇過程。據(jù)Arkani-Hamed和其同事的觀點，這將會引出一個假設(shè)的粒子：reheaton，它包含了早期宇宙的所有能量。Reheaton的能量太高，因此壽命很短，它最終會衰變成更輕的粒子，包括重新賦予宇宙能量的低質(zhì)量希格斯粒子。當(dāng)我們觀測到的希格斯粒子的質(zhì)量是它可能達(dá)到的最小值，我們宇宙的粒子家族是被優(yōu)先選擇的。

“早期宇宙的再加熱過程在所有復(fù)制品中選擇了標(biāo)準(zhǔn)模型?！?nbsp;來自普林斯頓大學(xué)的  David Pinnerat說，他也是Arkani-Hamed的合作者。他認(rèn)為，這一選擇過程的證據(jù)可以通過通過未來建造的望遠(yuǎn)鏡，在大爆炸的余暉（微博背景輻射）中被探測到。

如果你認(rèn)為這和不大可能發(fā)生的精確調(diào)節(jié)驚人地類似，而自然性的抵消正是我們想避免的，你的想法很普遍?！坝幸恍┙忉審?fù)雜到離譜，相較于只是加入常數(shù)并且接受常數(shù)的存在來說麻煩得多，” Hossenfelder說，“它們近乎于一個宗教的解釋，這樣你可以引入一個你無法觀察到的天使。”

現(xiàn)如今，自然性就像美一樣，存在于觀察者的眼中：一個人眼中簡潔的結(jié)論或許是另一個人眼中洛可可式的怪物。但是就像狄拉克一樣，大多數(shù)理論物理學(xué)家仍然希望被美引誘。如果這意味著他們必須更新他們對美的看法，來與正在改變的時代相適應(yīng)，或者完全拋棄它，那么就讓這樣的事情發(fā)生吧。“物理學(xué)上最深刻的突破，都是源自矛盾的出現(xiàn)迫使研究人員來重新審視他們的假設(shè)，” Nathan Seiberg說，“自然性的有關(guān)問題應(yīng)該被看成是一次機遇，而不是退縮的理由?！?/span>

原文鏈接：

https://www./article/mg23731670-600-truth-before-beauty-our-universe-is-uglier-than-we-thought/

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