現(xiàn)代物理學(xué)遇挑戰(zhàn) “兩大量值”或開啟物理學(xué)新時(shí)代

英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，物理學(xué)界最近出現(xiàn)了一種令人不安且飽受爭(zhēng)議的看法：我們正在逼近人類通過科學(xué)能了解身處世界的絕對(duì)極限。歐洲核子研究中心(CERN)的粒子物理學(xué)家哈利·克里夫在一次演講中表示：“未來幾年，我們可能會(huì)知道是否能對(duì)宇宙了解更多，或許，在漫長(zhǎng)的科學(xué)史上，我們將首次遇到無法回答的問題。而且，更令我們害怕的是，導(dǎo)致我們逼近極限的原因并不是我們的大腦不夠聰明，或技術(shù)無法滿足，而由物理學(xué)本身所決定。”

在這次演講中，克里夫談到了“宇宙中存在最危險(xiǎn)的兩個(gè)量”。這兩者決定了我們?cè)谟钪骈g所看到的一切物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和生命。他表示，倘若這兩個(gè)量出現(xiàn)任何“異常”，整個(gè)世界或許都將成為一個(gè)空虛無生命的地方。

　第一個(gè)危險(xiǎn)量：希格斯場(chǎng)的強(qiáng)度

克里夫所說的第一個(gè)危險(xiǎn)量是所謂“希格斯場(chǎng)”強(qiáng)度的值。希格斯場(chǎng)是一種無形的能量場(chǎng)，當(dāng)粒子暢游在希格斯場(chǎng)中時(shí)，會(huì)獲得質(zhì)量并最終成為質(zhì)子、中子以及電子等組成物質(zhì)的基本單位。如果沒有希格斯場(chǎng)，我們就不可能存在。

確認(rèn)希格斯場(chǎng)的存在源于2012年CERN的突破性發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)中發(fā)現(xiàn)了一種新的基礎(chǔ)粒子——希格斯玻色子。根據(jù)理論，沒有希格斯場(chǎng)，就沒有希格斯玻色子。但希格斯場(chǎng)本身仍有很多令物理學(xué)家們困惑不已的未解之謎。

克里夫表示，依照愛因斯坦的廣義相對(duì)論和量子力學(xué)理論，希格斯場(chǎng)會(huì)表現(xiàn)出兩種狀態(tài)中的一種。要么是關(guān)閉狀態(tài)，這意味著宇宙各處希格斯場(chǎng)的強(qiáng)度值皆為0，如此一來，它就無法賦予其他粒子質(zhì)量；要么是開啟狀態(tài)，意味著其值為“絕對(duì)大”。

但物理學(xué)家們并未曾見過這兩種場(chǎng)景。克里夫說：“實(shí)際上，希格斯場(chǎng)這盞燈只是微弱地點(diǎn)亮著。它的強(qiáng)度值不是0，但比完全值要小1億億倍，這有點(diǎn)像燈的開關(guān)被卡在接近關(guān)閉的位置上。這個(gè)值非常關(guān)鍵，如果它有任何細(xì)微的差異，那么，整個(gè)宇宙的物質(zhì)世界都將不復(fù)存在。”

希格斯場(chǎng)的強(qiáng)度為何有著如此精妙而微弱的量值令人覺得匪夷所思。物理學(xué)家們現(xiàn)在把希望寄托在了“滿血復(fù)活且功能更強(qiáng)大的”LHC上，希望其能提供更靠譜的解釋。不過，迄今為止，科學(xué)家們?nèi)匀辉谶@條漫漫征途上緩緩行進(jìn)，且收獲甚微。

第二個(gè)危險(xiǎn)量：暗能量的強(qiáng)度

克里夫所指的第二個(gè)危險(xiǎn)量被物理學(xué)家們稱為“物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)測(cè)”。這個(gè)危險(xiǎn)的數(shù)值涉及到深空的深度和讓人抓狂的“暗能量”。

1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙的擴(kuò)張速度并非恒定，而是越來越快。顯然，太空中存在著一種看不見的力，導(dǎo)致宇宙加速膨脹，科學(xué)家們將其稱為暗能量，認(rèn)為其占據(jù)宇宙總質(zhì)能的70%左右。自此，暗能量成為廣受科學(xué)家青睞的“香餑餑”，因?yàn)樗P(guān)系到宇宙的命運(yùn)。

“我們并不知道暗能量究竟是何方神圣。”克里夫表示，“最好的解釋是，它是虛空自身的能量，即真空的能量。”

如果這是真的，那么，科學(xué)家們應(yīng)該可以計(jì)算出虛空的總能量，從而得到一個(gè)代表暗能量強(qiáng)度的值。盡管理論物理學(xué)家們也這樣做了，但結(jié)果卻令他們抓狂。克里夫說：“暗能量的值應(yīng)該為我們根據(jù)天文學(xué)方法觀察到的數(shù)值的10120倍，它比宇宙中任何數(shù)據(jù)都要大，為宇宙間原子總數(shù)的千萬億億倍。”

不過我們很幸運(yùn)，暗能量比理論預(yù)測(cè)要小很多。如果按照理論模型，那么暗能量的排斥力將把整個(gè)宇宙撕裂，將原子緊緊綁在一起的基本力在其面前潰不成軍，星球、星系、恒星、行星都無法形成，我們所知道的任何生命都無法存在。

盡管如此，人們?nèi)晕茨苁褂矛F(xiàn)有宇宙理論創(chuàng)建出一套與實(shí)際觀測(cè)匹配的暗能量測(cè)量理論，蒙在暗能量頭上的面紗仍未被掀開。看來，科學(xué)家需要對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行改進(jìn)，從而找到理解暗能量和希格斯場(chǎng)的方法。

也許永無答案

如果能夠證實(shí)，我們的宇宙僅僅只是包含有數(shù)十億個(gè)其他宇宙的多重宇宙中的一個(gè)，那么，“我們或許就能理解這兩個(gè)危險(xiǎn)值。因?yàn)椋诙嘀赜钪娴拇蠖鄶?shù)宇宙中，要么暗能量非常強(qiáng)大，將那些宇宙撕裂；要么希格斯場(chǎng)足夠小，導(dǎo)致任何原子都無法形成。而我們恰好活在一個(gè)兩者都完美調(diào)和的宇宙中，我們是少數(shù)的幸運(yùn)者。”

為了證明這一點(diǎn)，物理學(xué)家們需要找到新粒子，其可能會(huì)支持弦論等理論。弦論預(yù)測(cè)了多重宇宙的存在。

目前，最有可能發(fā)現(xiàn)新粒子的是LHC。但除此之外，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家正計(jì)劃到2028年建造一個(gè)“希格斯粒子工廠”，那將是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)52公里的地下環(huán)路，耗資30億美元，它能使正負(fù)電子發(fā)生對(duì)撞，對(duì)撞能量高達(dá)70TeV。無獨(dú)有偶，美國(guó)科學(xué)家也在計(jì)劃研制超大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(VLHC)，據(jù)悉，VLHC的周長(zhǎng)為100公里，碰撞能量更是高達(dá)100TeV。

克里夫說：“我們或許正在進(jìn)入一個(gè)全新的物理學(xué)時(shí)代。在這個(gè)新時(shí)代，宇宙間很多奇特的事情我們無法解釋；在這個(gè)新時(shí)代，或許我們會(huì)找到一些線索，發(fā)現(xiàn)我們正生活在一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們認(rèn)知的多重宇宙中。”(記者 劉霞)