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现代物理学遇挑战 “两大量值”或开启物理学新时代

2016年01月28日 09:31 来源:科技日报 参与互动 

  英国《独立报》网站在近日的报道中指出,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能了解身处世界的绝对极限。欧洲核子研究中心(CERN)的粒子物理学家哈利·克里夫在一次演讲中表示:“未来几年,我们可能会知道是否能对宇宙了解更多,或许,在漫长的科学史上,我们将首次遇到无法回答的问题。而且,更令我们害怕的是,导致我们逼近极限的原因并不是我们的大脑不够聪明,或技术无法满足,而由物理学本身所决定。”

  在这次演讲中,克里夫谈到了“宇宙中存在最危险的两个量”。这两者决定了我们在宇宙间所看到的一切物质、结构和生命。他表示,倘若这两个量出现任何“异常”,整个世界或许都将成为一个空虚无生命的地方。

  第一个危险量:希格斯场的强度

  克里夫所说的第一个危险量是所谓“希格斯场”强度的值。希格斯场是一种无形的能量场,当粒子畅游在希格斯场中时,会获得质量并最终成为质子、中子以及电子等组成物质的基本单位。如果没有希格斯场,我们就不可能存在。

  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)中发现了一种新的基础粒子——希格斯玻色子。根据理论,没有希格斯场,就没有希格斯玻色子。但希格斯场本身仍有很多令物理学家们困惑不已的未解之谜。

  克里夫表示,依照爱因斯坦的广义相对论和量子力学理论,希格斯场会表现出两种状态中的一种。要么是关闭状态,这意味着宇宙各处希格斯场的强度值皆为0,如此一来,它就无法赋予其他粒子质量;要么是开启状态,意味着其值为“绝对大”。

  但物理学家们并未曾见过这两种场景。克里夫说:“实际上,希格斯场这盏灯只是微弱地点亮着。它的强度值不是0,但比完全值要小1亿亿倍,这有点像灯的开关被卡在接近关闭的位置上。这个值非常关键,如果它有任何细微的差异,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觉得匪夷所思。物理学家们现在把希望寄托在了“满血复活且功能更强大的”LHC上,希望其能提供更靠谱的解释。不过,迄今为止,科学家们仍然在这条漫漫征途上缓缓行进,且收获甚微。

  第二个危险量:暗能量的强度

  克里夫所指的第二个危险量被物理学家们称为“物理学史上最糟糕的理论预测”。这个危险的数值涉及到深空的深度和让人抓狂的“暗能量”。

  1998年,天文学家发现宇宙的扩张速度并非恒定,而是越来越快。显然,太空中存在着一种看不见的力,导致宇宙加速膨胀,科学家们将其称为暗能量,认为其占据宇宙总质能的70%左右。自此,暗能量成为广受科学家青睐的“香饽饽”,因为它关系到宇宙的命运。

  “我们并不知道暗能量究竟是何方神圣。”克里夫表示,“最好的解释是,它是虚空自身的能量,即真空的能量。”

  如果这是真的,那么,科学家们应该可以计算出虚空的总能量,从而得到一个代表暗能量强度的值。尽管理论物理学家们也这样做了,但结果却令他们抓狂。克里夫说:“暗能量的值应该为我们根据天文学方法观察到的数值的10120倍,它比宇宙中任何数据都要大,为宇宙间原子总数的千万亿亿倍。”

  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,将原子紧紧绑在一起的基本力在其面前溃不成军,星球、星系、恒星、行星都无法形成,我们所知道的任何生命都无法存在。

  尽管如此,人们仍未能使用现有宇宙理论创建出一套与实际观测匹配的暗能量测量理论,蒙在暗能量头上的面纱仍未被掀开。看来,科学家需要对现有理论进行改进,从而找到理解暗能量和希格斯场的方法。

  也许永无答案

  如果能够证实,我们的宇宙仅仅只是包含有数十亿个其他宇宙的多重宇宙中的一个,那么,“我们或许就能理解这两个危险值。因为,在多重宇宙的大多数宇宙中,要么暗能量非常强大,将那些宇宙撕裂;要么希格斯场足够小,导致任何原子都无法形成。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。”

  为了证明这一点,物理学家们需要找到新粒子,其可能会支持弦论等理论。弦论预测了多重宇宙的存在。

  目前,最有可能发现新粒子的是LHC。但除此之外,中国科学院高能物理研究所的科学家正计划到2028年建造一个“希格斯粒子工厂”,那将是一个长达52公里的地下环路,耗资30亿美元,它能使正负电子发生对撞,对撞能量高达70TeV。无独有偶,美国科学家也在计划研制超大型强子对撞机(VLHC),据悉,VLHC的周长为100公里,碰撞能量更是高达100TeV。

  克里夫说:“我们或许正在进入一个全新的物理学时代。在这个新时代,宇宙间很多奇特的事情我们无法解释;在这个新时代,或许我们会找到一些线索,发现我们正生活在一个远远超出我们认知的多重宇宙中。”(记者 刘霞)

【编辑:葛雨帆】
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