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探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在  

2016-01-20 11:05:07|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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物理学界最近出现了一种令人不安且饱受争议的看法:我们正 在逼近人类通过科学所能了解这个世界的绝对极限。近日,欧洲核子研究中心 (CERN) 的粒子物理学家 Harry Cliff 参加了一场TED演讲,期间谈到了两个对于我们宇宙存在来说极为关键的两个量。倘若有任何的微变,这个世界或许都将不复存在。

探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在

“在 未来的几年里,我们可能会知道自己是否能够继续扩展我们对这个世界的了解,也许我们将在科学史上首次遇到无法回答的问题。”来自欧洲核子研究中心 (CERN) 的粒子物理学家 Harry Cliff 最近在瑞士日内瓦的一次TED演讲上讲到,“这并不是说我们的大脑不够聪明或者技术无法满足,而是由物理学定律本身决定的。”

在 Cliff 的观点里,有两个被视为宇宙中最危险的量。它们决定着我们在世间所见一切物质、结构和生命的存在。倘若这两个量有细微的变化,那么宇宙万物都将不复存在,这里将一片死寂。

第一个量:希格斯场的强度

探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在

Cliff 所言的第一个危险数值代表着物理学家称之为希格斯场的强度。这是一种无形的能量场,与其他磁场稍有不同,它充斥着整个宇宙。我们既看不见,也摸不着,但是如果没有它,我们也无法存在。

当粒子畅游在希格斯场中,它们会获得质量并最终成为质子、中子以及电子这些组成你我的基本单位。如果没有希格斯场,那么一切都将灰飞烟灭。

确认希格斯场的存在源于2012年CERN的突破性发现。当时物理学家在大型强子对撞机 (LHC) 中发现一种新的基本粒子,即希格斯玻色子。根据理论,在没有希格斯场的环境下无法产生希格斯玻色子。但围绕希格斯场仍有一些令Cliff这样的物理学家所困惑的问题。

依照爱因斯坦的广义相对论和量子力学理论——在宏观和微观尺度上主导着我们对宇宙理解的两大物理学理论——希格斯场应该存在两种自然状态。这就像灯的开关一样,要么是关闭状态,意味着宇宙中各处的值皆为0;要么是开启状态,意味着其具有绝对大的值。

无 论在哪种情况下,原子都无法存在,也就是说我们所存在的这个世界都不会存在。但实际情况是,“希格斯场这盏灯只是微弱地点亮着。”Cliff 说,“它不是0,但它的值比完全值要小一亿亿倍。就好像灯的开关被卡在了接近关闭的位置上。这个值太关键了,如果它有任何细微的变化,那么整个宇宙的物质 世界都将不复存在。”

希格斯场的强度为何有着如此精妙而微弱的量值令人无法理解。理论学家花了数十年对其进行研究,到现在已经想出了不少花 哨的解释,比如“超对称性 (supersymmetry)”和“大型额外维度 (large extra dimensions)”。但无论怎样,如果希格斯场强度真能够得到解释,那么我们应该会在LHC中见到新的粒子与希格斯玻色子一起出现。不过至今为止, 还没有任何发现。

第二个量:暗能量的强度

探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在

Cliff 所称的第二个危险量同时被物理学家们称为“物理学史上最糟糕的理论预测”。

这 一数值涉及到外太空的深度以及所谓的暗能量。1998年,天文学家发现宇宙的扩张速度并不是恒定的,而是越来越快。其中的驱动因素来自神秘的排斥力——暗 能量。“我们并不知道暗能量到底是什么,”Cliff 表示,“最好的解释是它是空虚空间自身的能量,即真空的能量。”

物理学家按照量子力学来计算暗能量的大小,得到的结果令人吃惊:“暗能量应该比我们天文学所观察到的数字高出10120倍,这绝对是一个让人脑袋晕菜的数字。它比宇宙中任何数据都要大,它比全宇宙中的原子个数还要多出千万亿亿亿亿倍。这实在是个很烂的预测。”

不过我们很幸运,暗能量比理论预测要小很多。如果按照理论模型,那么暗能量的排斥力将把整个宇宙撕裂,星球与星系都无法形成,也就没有我们了。

从另一方面讲,人们仍未建立起一套可与实际观测所匹配的理论,对于暗能量至今仍无法解释。与希格斯场相比,这需要更为精妙的认知。

也许永无答案

爱因斯坦在晚年一直在寻找大一统理论,后来的科学家也始终没有停下这一脚步。最有前途的大概就是弦理论,然而弦理论看起来似乎并不是一个理论,而是诸多理论的集合。据估计,目前可能共有10500种版本的弦理论,每一种都可用来描述一个特别的宇宙,拥有其独特的物理学定律。

有 人说这弦理论并不科学,但也有人说,如果世间某处真的存在那些形形色色的宇宙呢?倘若如此,那么我们将恍然大悟:在那些多重宇宙中,有很多地方暗能量太 强,宇宙被撕裂;也有很多地方希格斯场太弱,没有原子能够产生;而我们恰好活在一个两者都完美调和的宇宙中,我们是少数的幸运者。

探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在

但 是 Cliff 表示,如果我们按照这种想法思考下去,那么将永远无法回答那个问题:为什么这个世界是存在的?可能多数世界中什么也没有,而我们所在世界的物理学定律允许 我们存在而已。“更糟的是,我们甚至无法检验多重宇宙这个概念。我们无法进入其他宇宙,也无从确定它们是否真的存在。”

一直以来,LHC中的发现都是不毛之地,除了希格斯玻色子外一无所有。然而现在,我们正怀抱着有史以来的最高期望。今年夏天,LHC将开展第二阶段运行,其能量将达到前一次的两倍。粒子物理学家们对此都非常兴奋,指望着发现新粒子,微型黑洞,或者完全意料之外的东西。

如 果这次能有所发现,那么物理学家们将继续在百年前爱因斯坦开启的这条道路上前行,更深入地追寻自然界的规律。但是,如果在两三年内仍没有任何发现,到时 LHC将进入第二次长期休眠,而我们可能也要进入一个新的物理学时代:一个宇宙面貌无法被解释的时代,一个我们可能活在多重宇宙却永远无法触及它们的时 代,一个我们永远无法回答那个问题的时代——为什么这个世界是存在的。

也许答案在中国

当然, 提到中国将建造世界最大的粒子对撞机时 (LHC的两倍大),Cliff 表示这肯定是物理界的好消息。建造一个像LHC那么大的对撞机需要全世界国家集中资源,没有一个国家能够负担起那么大的消耗,可能也就除了中国。中国可以 调动巨大的人力物力财力建造这个机器,它将进一步研究希格斯玻色子,可能会给我们带来惊喜。

探秘宇宙中最危险的两个量:有任何微变,世界或将不复存在

据 了解,中国的大型对撞机设计工作将于2016年完成,2020年开始建造,预计在2028年投入使用,耗资30亿美元。LHC的周长有27公里,能够产生 14 TeV的对撞能量,这已经让科学家发现希格斯玻色子 (上帝粒子) 的存在。根据报道,中国将要修建的对撞机周长达到了52公里,对撞能量高达70 TeV。另外,美国和欧洲也已经开始筹备周长100公里,碰撞能量100 TeV的超级粒子对撞机。

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