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数十年的实验让物教育学家们思索了二个恐怕性

发布时间:2019-08-22 05:04编辑:科学浏览(68)

    1900年,英国物理学家开尔文勋爵曾说过:“现在物理学中没有什么新发现。”剩下的就是越来越精确的测量。不到30年,量子力学和爱因斯坦的相对论彻底改变了这个领域。今天,没有一个物理学家敢断言我们对宇宙的物理知识已经接近完成。相反,每一个新发现似乎都打开了一个潘多拉的盒子,里面装着更大、更深奥的物理学问题。这些是我们对所有问题中最深刻的开放性问题的选择。

    或许科学家普通人不同的是,他们不仅善于发现问题,而且这类问题本身的难度普通人都无法理解,简单来说,我们连问题都看不懂,比如物理界五大未解之谜!

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    过引力与我们的宇宙相互作用,而且还没有任何实验能在地球上检测到它。那么,如果可以使用已经存在的物理现象--希格斯玻色子和黑洞,来解释暗物质产生的原因呢?

    在这篇文章里你将会学到平行宇宙,为什么时间似乎只朝一个方向移动,为什么我们不理解混沌等等很多物理学的前沿问题,打开脑洞吧。

    标准模型之外还有什么?

    宇宙是自然的还是我们生活在多元宇宙中的非典型泡沫?大型强子对撞机最近的结果迫使许多物理学家面对后者的可能性。

    由三名欧洲物理学家组成的小组发表了一项被视为有争议的声明:“暗物质的存在可能不需要超出标准模型的物理学。”这仍然只是一个假设,因为寻找暗物质的过程还在继续,但这是一个很有趣的想法。

    NO.1 暗能量是什么?

    标准模型是有史以来最成功的物理理论之一。四十年来,它一直经得起实验的检验,新的实验不断证明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为,并解释了为什么,例如,粒子有质量。事实上,2012年希格斯玻色子的发现是一个历史性的里程碑,因为它证实了对其存在的长期预测。

    2012年7月,希格斯玻色子的发现证实了一个已有近50年历史的理论,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结构。事实上,它或多或少地出现在我们期望的地方,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。

    首先,你可能想知道我在说什么。在你的日常生活中,你只经历了规律性的事情,--这就是构成每颗行星、恒星和星系的东西。但是天文观测表明宇宙物质中有更多的引力,我们用眼睛或仪器是无法看到的,叫做暗物质。到目前为止,许多实验都试图找出这种引力的来源,但都失败了。

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    然而,为了使希格斯玻色子的质量有意义,大型强子对撞机还需要找到一群其他粒子。但并没有出现。

    然后是希格斯玻色子,这个长期寻求的粒子和相关的能量场遍布宇宙。希格斯玻色子解决了粒子物理学中一些最基本的问题,比如为什么一些应该没有质量的粒子实际上是有质量的。

    无论天体物理学家如何计算这些数字,宇宙根本就不会加起来。尽管引力对时空——宇宙的“结构”——的作用是向内拉,但它向外扩张的速度却越来越快。为了解释这一点,天体物理学家们提出了一种无形的物质,它通过挤压时空来抵消重力。他们称之为暗能量。在最广泛接受的暗能量模型中,它是一个“宇宙常数”:空间本身的固有属性,它具有“负压力”驱动空间。随着空间的扩大,更多的空间被创造出来,随之而来的是更多的暗能量。根据观测到的膨胀率,科学家们知道所有暗能量的总和必须占宇宙总含量的70%以上。但没有人知道如何去寻找它。近年来,最优秀的研究人员在暗能量可能隐藏的地方所做的研究非常有限,这也是2015年8月发表的一项研究的主题。

    但标准模型并不能解释一切。虽然标准模型已经做出了许多成功的预测——例如,希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子,以及它们之间的夸克——因此很难看出物理学可能会超越它们。但是大多数物理学家都认为标准模型是不完整的。有几个新的、更完整的模型的竞争者——弦理论就是一个这样的模型——但到目前为止,这些模型都没有得到实验的最终验证。

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    当瑞士CERN的科学家在2012年宣布他们发现希格斯玻色子时,许多理论家对粒子本身的质量特别感兴趣。他们的计算,再结合另一种叫做顶夸克的粒子的质量,暗示宇宙的真空不是它的“基态”,可能以某种“亚稳态”存在。

    NO.2 暗物质是什么?

    裸奇点真的存在吗?

    ​“宇宙是不可能存在的,”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。

    基本上,你会认为真空中的物体物体可能拥有的最小能量。但是,如果宇宙处于亚稳态,那么可能存在一种更低的能量状态,即真空无法进入。

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    当一个“物体”的某些性质是无限的时,奇点就会发生,因此我们所知道的物理定律就会失效。在黑洞的中心有一个无限小、密度无限大的点,这个点被称为奇点。在数学中,奇点总是不断出现——除0是一个例子,坐标平面上的垂直线斜率是“无穷大”。实际上,垂直线的斜率是没有定义的。但是奇点是什么样的呢?它将如何与宇宙的其他部分相互作用呢?说一个物体没有真实的表面并且无穷小是什么意思?

    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现实,正确地预测了许多自然常数的值,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不同,除非宇宙是由无法解释的微波所塑造的,否则这些常数将排除任何生命存在的可能性。

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    显然,宇宙中大约84%的物质不吸收或不发光。“暗物质”,就像它被叫的那样,它不能直接被观测到,也还没有被间接探测到。相反,暗物质的存在和性质从它对可见物质、辐射和宇宙结构的引力作用推断出来。这种阴暗的物质被认为遍布星系的外围,可能由“弱相互作用的大质量粒子”或弱相互作用粒子组成。在世界范围内,有几个探测器在寻找弱相互作用大质量粒子,但到目前为止,还没有发现一个。最近的一项研究表明,暗物质可能在整个宇宙中形成长而细的溪流,而这些溪流可能像毛发一样从地球上辐射出来。

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    处于危险中的是“自然性”的概念,这是阿尔伯特·爱因斯坦的梦想,他认为自然法则是崇高美丽的、不可避免的、独立的。如果没有它,物理学家将面临一个严峻的前景:这些定律只是空间和时间结构中随机波动的一种武断、混乱的结果。

    但在早期的宇宙中,情况并不稳定。主要的理论表明,宇宙在大爆炸后的瞬间迅速膨胀。所有这一切,发生在物理量子力学领域中的奇怪行为--粒子随机地进入或消失,都可能被放大和封存到宇宙的更大范围的结构中。

    NO.3 为什么会有时间之箭?

    我们知道“裸奇点”是一种可以与宇宙其他部分互动的奇点。黑洞有视界——球形区域,任何东西,甚至光,都不能从中逃逸。乍一看,你可能会认为,裸奇点的问题至少在一定程度上已经为黑洞解决了,因为没有任何东西可以离开视界,奇点也不会影响到宇宙的其他部分。但奇点能否在没有事件视界的情况下形成,仍然是一个悬而未决的问题。如果它们能够存在,那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论将需要修正,因为当系统过于接近奇点时,它就会崩溃。裸奇点也可能是虫洞,也可能是时间机器,尽管在自然界没有证据证明这一点。

    大型强子对撞机将在2015年继续粉碎质子,为寻找答案做最后的努力。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可能是非自然的这种可能性。(然而,对于如何证明这一点,各方存在广泛分歧。)

    这一新理论背后的物理学家们进行了一些数学计算,这些计算是基于量子力学的微小波动如何在这个膨胀期间扰乱希格斯玻色子及其相关领域的。他们的结果是,在颗粒物理特性发生特别大的变化的地方会出现一些残留的黑洞。这些原始黑洞会提供额外的质量来解释暗物质的位置--它就在这些黑洞中。他们甚至可以在宇宙中提供一个可以观察到的特征,并证明希格斯场是稳定的还是不稳定的。

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    违反cp对称

    “10年或20年前,我是自然的坚定信徒,”该研究所的理论物理学家内森塞伯格说。“现在我不那么肯定了。我希望还有一些我们没有想到的东西,一些其他的机制可以解释所有这些。但我不知道会是什么。”

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    时间在前进,因为宇宙的一个属性叫做“熵”,粗略地定义为无序程度,它只会增加,所以在它发生后,没有办法逆转熵的上升。熵增加的事实是一个逻辑问题:粒子的无序排列比有序排列要多,因此随着事物的变化,它们往往会陷入混乱。但这里潜在的问题是,为什么熵在过去这么低?换句话说,为什么宇宙从一开始就如此有序,当大量的能量被挤在一小块空间里?

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    物理学家推断,如果宇宙是非自然的,具有使生命成为可能的极其不可能的基本常数,那么,一定存在大量的宇宙,才能实现我们这个不可能的情况。否则,我们为什么要这么幸运呢?非自然性将极大地推动多元宇宙假说。多元宇宙假说认为,我们的宇宙是无限的、不可接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,多元宇宙中可能出现的宇宙类型大约有10^500个。在其中一些情况下,偶然消去会产生我们观察到的奇怪常数。

    一些物理理论家讨论了希格斯真空不稳定的另一种潜在影响,即也许有一天,宇宙会变成更稳定的状态,改变所有的物理定律,并有可能摧毁一切。这种情况并不会发生,因为即使是亚稳状态也会比现在的宇宙年龄长得多。但或许这种不稳定性很重要。

    NO.4 有平行宇宙?

    如果你把一个粒子和它的反物质同胞粒子交换,物理定律应该保持不变。例如,带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子一样。这就是电荷对称性的原理。如果你交换左右,物理定律应该是一样的。这是奇偶对称。两者合起来称为CP对称。大多数情况下,这个物理定律没有被违反。然而,某些外来粒子违反了这种对称性。科学家称这就是为什么它很奇怪。因为在量子力学中不应该有任何违反CP的行为,我们不知道为什么会这样。

    在这样的图景中,并不是这个宇宙的一切都是不可避免的,这使得它变得不可预测。该研究所的弦理论家爱德华维滕在电子邮件中说,“如果多元宇宙的解释不正确,我个人会很高兴,部分原因是它可能限制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。”

    CERN粒子物理学家Clara Nellist认为:“如果事实证明希格斯真空不稳定性是暗物质的产生方法,那么这意味着这种不稳定性将是我们首先需要的东西的重要组成部分。”

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    重力到底是什么?

    “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感的角度来分析它。在大型强子对撞机缺乏自然性的情况下,这种可能性越来越受到青睐。”

    关于利用宇宙第一时间产生的原始黑洞来解释暗物质的存在,已经有很多人谈论过了,尽管这两种现象都没有被观察到。但是这个理论可以解释暗物质,而不需要发现新的粒子。事实上,包括大型强子对撞机在内的许多物理实验,都在寻找标准模型之外的暗物质粒子,但还没有任何发现。

    天体物理数据表明,时空可能是“平坦的”,而不是弯曲的,因此它会一直持续下去。如果是这样的话,那么我们所能看到的区域(我们认为是“宇宙”)只是一个无限大的“多重宇宙”中的一个板块。同时,量子力学的定律规定,只有有限数量的粒子可能配置在每个宇宙板块(10 ^ 10^ 122不同的可能性)。所以,有无数的宇宙板块,其中的粒子排列被迫重复无限次。这意味着有无限多个平行的宇宙:宇宙和我们的宇宙板块完全相同(包含了和你完全一样的人),以及板块与一个粒子的位置不同,板块与两个粒子的位置不同,等等,直到与我们的完全不同。

    重力到底是什么?我们知道其他力是由粒子介导的。例如,电磁学就是光子的交换。弱核力由W玻色子和Z玻色子携带,而胶子携带将原子核结合在一起的强核力。科学家麦克尼斯说,所有其他的力都可以量化,这意味着它们可以表示为单个粒子,并具有不连续的值。

    大型强子对撞机在下一次运行中所做或未发现的事情,可能会为以下两种可能性之一提供支持: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

    这个理论有很多地方可能会站不住脚。的确,标准模型仍然坚持测试,但要证明没有新的物理学是非常困难的。此外,黑洞被广泛排除为暗物质的潜在来源;要证明这一理论,就需要在暗物质预计所在的地方找到合适的黑洞。进一步完善对顶夸克和希格斯玻色子质量的测量,可能会证明我们实际上生活在一个稳定的宇宙中。打破这些标准中的任何一个都会使这个理论落空。

    这种逻辑有什么问题吗,或者它的怪异结果是真的吗?如果这是真的,我们怎么可能探测到平行宇宙的存在呢?

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    爱因斯坦曾经写过,对于一个科学家来说,“宗教情感采取了对自然法和谐的狂热惊奇的形式”,“这种感觉是他生活和工作的指导原则。”的确,整个20世纪, 对“自然”的信仰已被证明是发现真理的可靠指南。

    但我们的宇宙很奇怪,有很多问题需要回答。当然,如果这些答案不需要以前从未发现过的物理学来解释暗物质,那就太好了。

    NO.5 为什么物质比反物质多?

    但重力不是这样的。大多数物理理论认为它应该由一种假设的无质量粒子携带,这种粒子被称为引力子。问题是,目前还没有人发现引力子,而且目前还不清楚是否有任何可以建造的粒子探测器可以看到它们,因为如果引力子与物质相互作用,它们会非常非常少,以至于它们在背景噪音下是看不见的。我们甚至不清楚引力子是否没有质量,尽管如果它们有质量的话,它是非常非常小的——比中微子还要小,中微子是已知的最轻的粒子之一。弦理论假定引力子是能量的闭环,但到目前为止,数学工作还没有产生太多的洞见。

    “自然有着良好的记录,”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,好像它的初始值被神奇地拨打以抵消其他影响一样,物理学家怀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。

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    因为引力子还没有被观测到,所以引力一直在抗拒用我们理解其他力的方式来理解它。一些物理学家,尤其是西奥多·卡鲁扎和奥斯卡·克莱因,假设引力可能作为一种粒子,在我们熟悉的空间和时间之外的额外维度中运行,但这是否正确仍不清楚。

    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加 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,导致近乎完美的消除,只留下希格斯的暗示:126千兆电子伏特。

    为什么物质比其双生体,电荷相反和旋转方向相反的反物质要多得多,这实际上是一个关于为什么所有物质都存在的问题。人们假设宇宙会对称地对待物质和反物质,因此,在大爆炸的那一刻,应该产生等量的物质和反物质。但如果发生这种情况,这两种物质就会完全湮灭:质子会被反质子抵消,电子会被反电子抵消,中子会被反中子抵消,等等,在无物质的广阔空间中,留下一片光子的海洋。由于某些原因,有多余的物质没有被湮灭,所以才导致我们诞生在这里。对此,没有公认的合理解释。2015年8月公布的迄今为止最详细的反物质和反物质差异测试,证实了它们是彼此的镜像,为理解为什么物质要普遍得多这一谜题提供了新途径。

    声致发光

    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程度与已知粒子驱动它一样多。但到目前为止,他们空手而归。

    NO.6 宇宙的命运是什么?

    虽然粒子物理学问题解释了许多尚未解决的问题,但在实验台上可以观察到一些神秘现象。声致发光就是其中之一。如果你拿一些水,用声波打它,泡沫就会形成。这些气泡是被高压包围的低压区;外部压力将低压空气推入,气泡迅速破裂。当这些气泡破裂时,它们会发出持续万亿分之一秒的闪光。

    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沉重,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。物理学家不同意这是否在自然的,独立的宇宙中是可接受的。哈佛大学教授丽莎兰德尔表示,“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。“

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    如果没有新的粒子出现并且希格斯仍然在天文学上进行微调,那么多元宇宙假设将成为众人瞩目的焦点。“这并不意味着它是正确的,”多元宇宙图片的长期支持者Bousso说,“但这确实意味着它是城里唯一的游戏。”

    宇宙的命运很大程度上取决于一个因素的未知值:Ω,衡量整个宇宙的物质和能量密度。如果Ω大于1,那么时空将像一个巨大的球体的表面一样“封闭”。如果没有暗能量,这样的宇宙最终将停止膨胀,而是开始收缩,最终坍缩成一个被称为“大紧缩”的事件。如果宇宙是封闭的,但有暗能量,球形宇宙将永远膨胀。

    问题是,目前还不清楚光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某种类型的放电,甚至压缩加热气泡内的气体。物理学家们测量了这些气泡内部的高温,温度达到了数万华氏度,并拍下了许多它们发出的光的照片。但是没有很好的解释声波是如何在气泡中产生这些光的。

    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,物理学家可能错误地估计了其他粒子对希格斯粒子质量的影响,如果计算方法不同,希格斯粒子的质量似乎是自然的。当额外的粒子(如暗物质的未知成分)被计算在内时,这种“修正的自然性”就会减弱—但同样的非正统路径可能会产生其他想法。“我不想提倡,但只是讨论后果,”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。

    或者,如果Ω小于1,那么空间将像马鞍那样的几何表面一样的“开放”。在这种情况下,它的最终命运是“大冻结”,然后是“大撕裂”:首先,宇宙的向外加速会撕裂星系和恒星,使所有的物质变得寒冷和孤独。接下来,加速度会变得如此之大,以至于它会压倒将原子结合在一起的力的影响,一切都会被扭曲。

    小编表示,这些问题,或许大部分人都看不懂,看懂的的朋友欢迎在下方留下你的见解!

    然而,修正后的自然性并不能解决物理学中存在的一个更大的自然性问题:宇宙在大爆炸之后并没有立即被自身的能量湮灭。

    如果Ω= 1,宇宙是平坦的,就像一个在所有的方向都无限平坦的平面。如果没有暗能量,这样一个平面宇宙将会永远膨胀,但会以不断减速的速度,接近静止。如果存在暗能量,平坦的宇宙最终将经历失控的膨胀,导致大撕裂。不管结果如何,宇宙正在消亡,天体物理学家保罗萨特(Paul Sutter)在2015年12月发表的一篇文章中详细讨论了这一事实。

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    NO.7 测量如何破坏量子波函数?

    ​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“改良自然性”理念,该理念质疑了如何计算自然的长期假设希格斯玻色子质量的值。黑暗困境

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    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)是一个令人困惑的万亿、万亿、万亿、万亿、万亿倍,比它的自然价值还要小。没有任何理论能够自然地解决这个巨大的差距。但很明显,宇宙常数必须经过极大的微调,才能防止宇宙迅速爆炸或坍缩到一定程度。为了让生命有机会,它必须进行微调。

    在电子、光子和其他基本粒子的奇异领域,量子力学是定律。粒子不像小球那样运动,而是像在一个大区域上传播的波。每个粒子都由一个“波函数”或概率分布来描述,它告诉我们它的位置、速度和其他属性更可能是什么,而不是这些属性是什么。粒子实际上对所有性质都有一个取值范围,直到你实验测量其中的一个——比如它的位置——在这个点上粒子的波函数“坍缩”,它只确定一个位置。

    为了解释这一点荒谬的运气,多元宇宙的想法在过去几十年里已经成为宇宙学领域的主流。1987年,诺贝尔奖得主史蒂文说我们的宇宙是最不协调的。“如果宇宙常数比观测值大得多,比如说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·维伦金解释说。“很难想象在这样一个宇宙中生命是如何存在的。”

    但是,测量一个粒子的波函数为什么会导致坍缩的,又是如何导致坍缩的?坍缩是怎么产生我们认为存在的具体现实世界呢?这个问题,也就是所谓的测量问题,可能看起来很深奥,但是我们对现实是什么或者它是否存在的理解,取决于这个问题的答案。

    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解释。没有。现在,物理学家说,希格斯玻色子的不自然使宇宙常数的不自然变得更加重要。Arkani-Hamed认为这些问题甚至可能是相关的。他说:“我们对宇宙中一个基本的、不同寻常的事实没有一个了解。”“它很大,里面有很大的东西。”

    NO.8 弦理论是正确的吗?

    2000年,理论物理学教授乔·波钦斯基发现了一种机制,可以产生平行宇宙的全景图时,多元宇宙就不仅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现实结构的每一点上,都有6个额外的维度紧密相连。鲍索和波钦斯基计算出,这六个维度有大约10500种不同的打结方式(所有的打结方式都消耗了不同数量的能量),这使得一个难以想象的广阔而多样的宇宙阵列成为可能。换句话说,不需要自然。没有一个单一的、不可避免的、完美的宇宙。

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    布索说:“对我来说,这绝对是一个了不起的时刻。但这篇文章引发了众怒。

    当物理学家假设所有基本粒子实际上都是一维的循环,或者“弦”,每一个都以不同的频率振动,物理学就变得容易多了。弦理论使物理学家能够调和支配粒子的定律和支配时空的定律,并将自然界的四种基本力量统一为一个单一的框架。但问题是,弦理论只能在一个有10或11个维度的宇宙中工作:3个大的空间维度,6或7个压缩的空间维度,以及一个时间维度。

    “粒子物理学家,尤其是弦理论学家,梦想着独一无二地预测所有的自然常数,”鲍索解释说。“所有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

    压缩的空间维度——以及振动弦本身——大约是原子核大小的万亿分之一。没有任何方法可以检测到这么小的东西,所以也没有已知的方法来实验验证或证明弦理论无效。

    在多元宇宙的场景中,是一个波动。一个紧密的、六维的结,在现实的结构中构成一针突然变形,释放能量,形成空间和时间的泡沫。这个新宇宙的性质是由偶然决定的:在涨落过程中释放的能量。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,要么崩溃得太快,以至于生命无法在其中出现。但是一些非典型宇宙,其中一个不可能的抵消产生一个极小的宇宙学常数的值,很像我们的宇宙。

    NO.9 混乱中有秩序吗?

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    物理学家不能精确地解决描述流体行为的方程组,从水到空气再到所有其他液体和气体。事实上,我们不知道所谓的Navier-Stokes方程的通解是否存在,或者,如果存在一个解,它是否描述了各处的流体,或者包含内在不可知的称为奇异点。结果,混乱的本质并没有被很好地理解。物理学家和数学家都想知道,天气仅仅是难以预测,还是不可预测?湍流是否超越数学描述,或者当你用正确的数学处理它时,它是否都有意义?

    ​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。

    NO.10 宇宙的所有力统一了吗?

    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,足以支持生命存在,而这些物质往往具有超对称粒子,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,如果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。

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    尽管有这些看似成功的解释,但许多物理学家担心,采用多元宇宙的世界观会收效甚微。平行宇宙是无法测试的;更糟的是,一个非自然的宇宙抗拒理解。“没有自然,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。“我们知道它就在那里,但没有强有力的理由说明我们为什么应该找到它。兰德尔说:“我宁愿宇宙是自然的。”

    宇宙经历四种基本力:电磁力、强核力、弱相互作用和重力。到目前为止,物理学家们知道,如果你把能量调大到足够的程度——例如,在粒子加速器中——三种力就会“统一”并成为一个单一的力。物理学家已经运行粒子加速器,统一了电磁力和弱相互作用,在更高的能量下,同样的事情应该发生在强大的核力和最终的重力上。

    但是理论可以在物理学家身上成长。在花了十多年的时间使自己适应多元宇宙之后,Arkani-Hamed现在发现这是可行的——也是一条理解我们世界的方式的可行途径。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不同程度的力量引导我们沿着这些不同的道路前进。”“这种选择非常非常重要。”

    但是,尽管理论认为这是必然发生的,但大自然并不总是施惠于人。到目前为止,还没有一种粒子加速器达到足够高的能量,可以用电磁学和弱相互作用来统一强大的力。包括重力意味着更多的能量。目前还不清楚科学家是否能造出如此强大的机器人;位于日内瓦附近的大型强子对撞机,能以万亿电子伏特的能量相互碰撞。要达到大统一能,粒子需要至少一万亿倍的能量,因此物理学家只能寻找这些理论的间接证据。

    自然是可以克服的。或者这可能是多元宇宙中一个奇怪但舒适的口袋里的一个虚假的希望。

    除了能量问题,很多大统一理论仍然存在一些问题,因为它们预测了迄今为止还没有得到充分利用的其他观测结果。有几个大统一理论说质子在巨大的跨度的时间后应该变成其他粒子。这是从未被观察到的,所以质子的持续时间或者比任何人想象的要长得多,就是它们永远是稳定的。某些大统一理论的另一种预测是磁单极的存在——独立的“北极”和“南极”磁极——目前没有人见过其中的一个。有可能我们只是没有足够强大的粒子加速器。或者,物理学家对宇宙如何运行的看法可能是错误的。

    NO.11 黑洞内部发生了什么?

    如果一个物体被吸入黑洞,它的信息会发生什么变化?根据目前的理论,如果你把一个铁立方体扔进黑洞,就没有办法获得任何信息。这是因为黑洞的引力非常强大,它的逃逸速度比光速还快——光是宇宙中速度最快的东西。然而,一个量子力学研究的科学分支说量子信息是不能被破坏的。芝加哥洛约拉大学的物理学副教授罗伯特·麦克尼(Robert McNees)说:“如果你不知怎么地把这些信息消灭了,就会有麻烦。”

    量子信息与我们在计算机上存储的1和0或我们大脑中的东西有点不同。这是因为量子理论没有提供确切的信息,例如,物体的位置,就像在力学中计算棒球的轨迹一样。相反,这些理论揭示了最可能发生的位置或某些行为最有可能产生的结果。因此,各种事件的所有概率加起来应该是1,或100%。例如,当你掷一个六面骰子时,一个给定的面出现的概率是六分之一,所以所有的面的概率加起来等于1,你不能超过百分之百确定某件事会发生。如果您知道一个系统是如何结束的,您可以计算它是如何开始的。

    要描述一个黑洞,你需要的是质量、角动量和电荷。黑洞里除了一种叫做霍金辐射的缓慢的热辐射之外,什么也没有。据大家所知,没有办法通过逆向计算来计算出黑洞到底吞噬了什么。信息被摧毁。然而,量子理论认为,信息不可能是完全摧毁,这就是“信息悖论”。

    麦克尼斯说,在这个问题上已经有了很多研究,特别是史蒂芬·霍金和斯蒂芬·佩里的研究。许多人试图解决这个悖论。到目前为止,物理学家们还不能对这个解释达成一致,而且他们很可能会在一段时间内产生分歧。

    NO.12 裸奇点存在吗?

    当“事物”的某些性质是无限的时,就会出现奇异点,因此我们所知道的物理定律就会失效。在黑洞的中心有一个无穷小和稠密的点,一个被称为奇点的点。在数学中,奇点总是会出现,除以0是一个例子,坐标平面上的一条垂直线有一个“无限”的斜率。实际上,一条垂直线的斜率是没有定义的。但是奇点是什么样子的呢?它如何与宇宙的其他部分相互作用?说一个物体没有真正的表面并且无限小是什么意思?

    “裸”奇点是一种可以与宇宙其他部分相互作用的奇点。黑洞有视界——球形区域,没有任何东西可以逃脱,甚至光也不能。乍一看,你可能会认为裸奇点的问题至少在一定程度上解决了黑洞的问题,因为没有任何东西能脱离视界,奇点也不会影响到宇宙的其他部分。(可以说,它是“穿上衣服”的,而裸奇点则是一个没有视界的黑洞。)

    但是,如果没有视界,奇点能否形成仍然是一个悬而未决的问题。如果它们存在,那么阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论就需要修正,因为当系统太接近奇点时,它就会崩溃。裸奇点也可以作为虫洞,也就是时间机器——尽管在自然界中没有证据证明这一点。

    NO.13 违反cp对称

    如果你把一个粒子和它的反物质兄弟交换,物理定律应该保持不变。举个例子,带正电荷的质子应该和带负电荷的反质子看起来是一样的。这就是电荷对称的原理。如果你左右交换,物理定律应该是一样的。这是奇偶对称。两者在一起被称为CP对称。大多数时候,这个物理规则都没有被违反。然而,某些外来粒子违反了这种对称性。McNees说这就是为什么它很奇怪。“量子力学不应该有任何违反CP的行为,”他说。“我们不知道为什么会这样。”

    NO.14 当声波发光时

    尽管粒子物理问题解释了许多未解决的问题,但在一个台式实验室的设置上可以观察到一些谜团。声波发光就是其中之一。如果你取一些水,用声波撞击它,泡沫就会形成。这些气泡是被高压包围的低压区;外部压力推入低压空气,气泡迅速崩塌。当这些气泡坍缩时,它们发出光,闪烁的光持续了万亿分之一秒。

    问题是,还远不清楚光源是什么。理论范围从微小的核聚变反应到某些类型的放电,甚至是气泡内部气体的压缩加热。物理学家们已经测量了这些气泡内部的高温,温度大约为数万华氏度,并拍摄了大量它们产生的光的照片。但是,对于声波是如何在气泡中产生这些光,并没有很好的解释。

    NO.15 超越标准模型的是什么?

    标准模型是最成功的物理理论之一。40年来,它一直经受着实验的考验,新的实验不断证明它是正确的。标准模型描述了构成我们周围一切的粒子的行为,并解释了为什么,例如,粒子有质量。事实上,2012年发现的希格斯玻色子(一种赋予物质质量的粒子)是一个具有历史意义的里程碑,因为它证实了对希格斯玻色子存在的长期预测。

    但标准模型并不能解释一切。标准模型已经做出了许多成功的预测——例如希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子(介导了控制放射性的弱相互作用),以及它们之间的夸克。也就是说,大多数物理学家都认为标准模型并不完整。有几个新的,更完整的模型的竞争者——弦理论就是一个这样的模型——但是到目前为止,没有一个被实验最终证实。

    NO.16 基本常数

    无量纲常数是没有单位的数。例如,光速是一个基本常数,单位是米每秒(或186,282英里每秒)。与光速不同,无量纲常数没有单位,它们可以测量,但不能从理论推导出来,而像光速这样的常数可以。

    天文学家马丁·里斯(Martin Rees)就是一个专注于一些他认为是物理学基础的“无量纲常数”,他的着作《只有六个数字:塑造宇宙的深层力量》(Basic Books, 2001)。事实上,这些数字远远超过6个;标准模型中大约有25个。

    例如,精细的结构常数,通常写成alpha,决定了磁相互作用的强度。这是约0.007297。使这个数为奇数的原因是,如果它有任何不同,稳定物质就不存在。另一个是许多基本粒子的质量之比,如电子和夸克,普朗克质量(1.22×10^19 GeV / c^2)。物理学家很想弄明白为什么这些特定的数字有它们的价值,因为如果它们非常不同,宇宙的物理定律就不会允许人类存在。然而,对于为什么他们有这些价值,仍然没有令人信服的理论解释。

    NO.17 重力到底是什么?

    重力,到底是什么呢?其他力是由粒子介导的。例如,电磁就是光子的交换。弱核力由W和Z玻色子携带,而胶子携带着将原子核结合在一起的强大核力。麦克尼斯说,所有其他的力都可以被量化,这意味着它们可以用单个粒子来表示,并且具有非连续的值。

    重力似乎不是这样的。大多数物理学理论认为,它应该由一个假想的无质量粒子——重力子携带。问题是,还没有人发现过重子,也不清楚是否有任何粒子探测器可以观测到它们,因为如果重子与物质相互作用,它们就会非常非常非常非常罕见——非常罕见,以至于在背景噪声的作用下它们是不可见的。我们甚至不清楚重子是否没有质量,尽管如果它们有质量的话,它非常非常非常小——比中微子还要小,中微子是已知的最轻的粒子之一。弦理论假设重子是能量的闭合环路,但是数学工作到目前为止还没有产生太多的见解。

    因为重子还没有被观测到,重力一直抵制着试图以我们理解其他力的方式来理解它——作为粒子交换。一些物理学家,特别是Theodor Kaluza和Oskar Klein,认为重力可能是一种额外维度的粒子,超出了我们所熟悉的空间和时间的3个维度,但这是否正确还不得而知。

    NO.18 我们是否生活在虚假真空中?

    宇宙似乎相对稳定。毕竟,它已经存在了约138亿年。但如果整件事是一场大事故呢?

    一切都始于希格斯粒子和宇宙的真空。真空,或者说空的空间,应该是最低的能态,因为里面什么都没有。与此同时,希格斯玻色子——通过所谓的希格斯场——赋予万物质量。加州大学洛杉矶分校的物理学和天文学教授亚历山大·库申科(Alexander Kusenko)在《物理学》杂志上撰文称,真空的能量状态可以从希格斯场的势能、希格斯粒子的质量和顶级夸克的质量来计算。

    到目前为止,这些计算似乎表明,宇宙的真空可能不是处于最低的能量状态。这意味着这是一个虚假的真空。如果这是真的,我们的宇宙可能不稳定,因为一个虚假的真空可以被一个足够猛烈和高能的事件撞击成一个低能量的状态。如果发生这种情况,就会出现一种叫做泡核的现象。一个低能真空球体将以光速开始生长。没有任何东西,甚至连物质本身都无法生存。简单地说,就是我们将用另一个宇宙取代宇宙,它可能有非常不同的物理定律。

    这听起来很可怕,但考虑到宇宙还在,显然还没有发生过这样的事件,天文学家已经看到了伽马射线暴,超新星和类星体,所有这些都是非常高能的。所以我们不需要担心这个问题。也就是说,假真空的概念意味着,当先前宇宙的假真空被撞入较低的能量状态时,我们的宇宙可能以这种方式突然存在。也许我们是粒子加速器事故的结果。

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