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基础物理让物理学家深感挫败

时间: 2018年03月09日 | 作者: admin | 来源: 经济学人
目前,一些被物理学家寄予厚望的理论一直得不到实验的验证。

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在日本地下深处某一废弃锌矿内,一个装着 5 万吨高纯度水的巨型不锈钢圆桶正在悄无声息地杀死物理学家们长久以来视若珍宝的理论。自 1996 年起,日本超级神冈探测器(SK)里的光电倍增管探测器(如上图所示)就一直在寻找这种迹象:桶中约 1033 个质子和中子中,是否有一个会衰变成更轻的亚原子粒子(一个水分子中分别含有10个质子和8个中子)。

 

实验已经进行了 20 多年,但至今仍没有发现任何衰变迹象,这已经成为物理学的一个老大难问题。随着时间流逝,情况就变得越紧迫。诞生于 20 世纪 70 年代的大统一理论(GUTs),曾被誉为理解万物之间基本作用力的最佳途径。该理论预言,质子和中子会偶尔发生衰变,且其衰变方式将破坏物理学中一条铁定规律——宇宙中的重子数守恒(重子:包括质子和中子的一类粒子)。

 

不过,这个预测中至关重要的是“偶尔”。如果大统一理论是正确的,那么质子衰变的平均时间要远超过宇宙本身的年龄。但是,超级神冈探测器通过汇聚大量的重子,希望能在几年的时间内就尽快发现一次衰变。不过希望最终还是破灭了。2017 年 1 月,探测器发表最新的结果认为,质子的寿命超过 1.6 x 1034 年。这就排除了大统一理论的最简单版本,也就是由哈沃德·乔吉(Howard Georgi)和谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)在 1974 年提出的最早的 SU(5) 理论。这同样对 SU(5) 的复杂变体,比如 flipped SU(5) 理论,提出挑战。

 

身在暗处

 

大统一理论是数个历史悠久,但尚未得到验证的物理理论之一,尽管一直在接受昂贵的大型实验检验,但尚未被实验证据所支持。和它同时代提出的还有超对称理论。该理论假定,所有已知的基本粒子都分别有一个质量更大的超对称伴子——超粒子(sparticle)。该理论目前也处境尴尬。再往后,上世纪  90年代出现的 ADD 额外维模型认为,在我们熟悉的四维时空外,还存在其他维度。如果这些维度确实存在,那它们至今还在与我们“捉迷藏”。

 

最后,还有探讨暗物质组成的各类理论(超对称理论是其中之一,但并非唯一),它们在过去几年也受到了不小的打击。神秘的暗物质被认为占到了宇宙中总物质的 85%,星系运动产生的引力效应暗示了它们的存在。物理学家们提出了许多暗物质假想粒子,但是没有一个得到直接的实验证据支持。

 

尽管这些理论缺乏数据的支持,但它们却能非常优雅地回答物理学中一些烦人的问题。因此,它们在研究生教材中仍占一席之地。据哥伦比亚代理开户的皮特·怀特(Peter Woit)观察:“随着时间的推移,这些想法已经教条化了,人们不再将它们视为假想。”这也情有可原,因为它们有着很强的说服力。以大统一理论为例,它试图统一起四种已知基本力中的三个:强力、弱力和电磁力(第四种是万有引力)。在这个过程中,它解释了为什么宇宙中物质要远多于反物质。这一令人费解的现象被称为“物质-反物质不对称性”。

 

当今粒子物理学最佳理论——标准模型(Standard Model),就解释不了这一不对称现象。而大统一理论提出了多种作用机制,使得物质和反物质的亚原子粒子能够以某种方式衰变,导致物质数量占绝对优势。不幸的是,以目前的技术,这些预言都还无法被检验。想要再现当时的超高能量(类似于大爆炸早期的情况),我们需要一个比太阳系还大的粒子对撞机。在大统一理论的诸多预言中,只有超级神冈探测器寻找的质子衰变有可能被探测到。但是目前为止,这个搜寻也仍然一无所获。

 

同样的情况也发生在超对称理论身上。这个理论能够解释希格斯玻色子的质量(这个粒子在 2012 年被发现,它将质量赋予其他基本粒子)。同样地,标准模型在这个问题上无能为力。标准模型无法给出希格斯粒子的准确质量——基于量子理论的第一性原理计算得出,该粒子的质量大约要比测量值高出十亿亿倍。物理学家因此在他们的方程式中引入一个因数,来绕过这个问题(这个过程叫做“精细调节”)。而超对称理论能更加简洁地解决这个问题。

 

希格斯玻色子可以和标准模型中粒子(如光子与电子等)的虚粒子相互作用,这些虚粒子可以不断地产生和湮灭。根据标准模型,这些相互作用会让希格斯玻色子的质量非常大;而在超对称理论中,希格斯玻色子与它们超对称伴子的相互作用将它们抵消掉(从而不会让希格斯玻色子获得非常大的质量)。

 

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超对称理论预测,应该至少有一个超粒子会出现在大型强子对撞机(LHC,如上图所示)中。但是目前还是没有探测到任何超粒子的迹象。

 

希格斯粒子质量问题是一个物理学中的等级问题(Hierarchy problem)。另一个有名的等级问题是:为什么引力比其他三种基本作用力要弱得多。举个实例来说:一个冰箱贴能够吸起回形针,轻而易举地克服整个地球的引力。这两个问题之间的联系在于:如果希格斯粒子的质量果真如理论预测的那样大,那将使得其他粒子(质子、中子等)也拥有更大的质量,它们的引力场也会因此变得更强。超对称理论能够通过超粒子来解决这个问题。而额外维理论 (比如 ADD),可以通过仅让引力散逸到额外的维度中,分散引力作用来解释等级问题。

 

引力作用的分散理论上是通过引力子(携带引力的假想粒子)潜入额外维实现的。如果 LHC 能够撞出引力子(一些理论认为这是可能的),那么它们进入额外维的迹象就有希望被探测到。然而,LHC 并没有发现引力子的踪迹。

 

暗物质的图景还要更复杂。虽然有足够的证据表明它的存在,而且许多理论提出暗物质是这样或那样的粒子。但暗物质名副其实,“暗”得难以探测到。它参与引力作用,但不参与电磁作用。这就意味着它既不发射光线,也不吸收光线。它也不参与将核子捆绑在一起的强相互作用。有一类假想的暗物质粒子可能会参与弱相互作用(控制一些放射性衰变),这类粒子被称为“弱相互作用大质量粒子”(WIMPS)。但我们至今仍不明确它们到底是什么。一些超粒子符合 WIMPS 的基本性质要求,但是也有其他的候选粒子。理论上,几个可能的候选者应该能被超级神冈探测器这样的大型实验探测到。

 

圆桶大战

 

那些实验优选的流体不是水,而是液态氙;而且所寻找的目标现象不是暗物质粒子的自发衰变,而是 WIMP 与原子核间的相互作用。这种相互作用产生的闪光能够被装在圆桶上下两端的光电倍增管阵列探测到。氙是优秀的暗物质“猎手”:它是重元素,而且原子核很大,比较容易被撞击到;此外,它的价格便宜,性质不活泼,容易提纯。然而,到目前为止,那些装满液态氙的大桶仍然跟它们所寻找的物质一样——暗。全世界三个最灵敏的液态氙实验中,有两个在 2017 年 10 月发布了最新报告。这两个实验分别是意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso)的 XENON1T 和中国锦屏地下实验室的“熊猫X-II”(PandaX-II):结果都是一无所获。另一个实验,LUX,已于 2016 年 5 月关闭。在关闭之前,它也没能找到 WIMPs。

过去二十年里,寻找 WIMP 的实验规模越来越大。但即便如此,我们既没有看到 WIMP,也无法完全排除这一假设。相关的理论模型可以几乎永无休止地进行修正,将无法探测到暗物质的问题归咎于永远跟不上的实验技术。

 

寻找质子衰变的历史更为悠久。最早的实验 KamiokaNDE 开始于 1983 年,而最新的升级版 Hyper-Kamiokande 将于 2026 年准备就绪。如果它仍找不到质子衰变的信号,那么质子平均寿命的下限将延长到 1035 年。

 

当然,逆境面前坚持到底是优秀品质。不过从目前的形势来看,物理学家们也只能选择坚持。物理学家对更大规模、更高精度实验的不断追求,不仅来源于实验证据驱动,也不可缺少信念和决心的支持,而且两者同等重要。

 

他们的信念核心是“自然法则应该在数学上简洁优美”。目前的情况确实如此,所以这种信念是有基础的。但是这样的想法很容易走向极端:凡是数学上简洁优美的都是正确的。正因为如此,物理学家才不甘心放弃大统一理论和超对称理论。他们还会将多种旧理论结合起来,得到新理论。比如,Flipped SU(5) 理论就结合了大统一理论和超对称性理论来解释希格斯粒子的质量问题、等级问题和正反物质不对称问题,并且能够产生暗物质候选粒子。但是每绕过一个问题,理论的优美性就会打一点折扣。因此,一些研究人员开始对“真即是美”持开放的态度,也许,宇宙本质上就是乱糟糟的。

 

优美的神话

 

德国法兰克福学院高级研究所的 Sabine Hossenfelder 就是开放派的一员。她认为大统一理论、超对称性理论还有其他类似理论之所以让大家迷恋,是因为它们能解释那些“数字上的巧合”。但这些巧合也许根本就不需要解释。举个例子,也许在宇宙开始之初,其中的物质就多于反物质,而不是随后一系列演化的结果——就这么简单。她指出,没有任何理论能排除这种可能性,只是这样不够“优美”。同样地,她表示:“超对称理论广受赞誉是因为它的‘优美’,而非解决问题的能力。但优美并不等同于注册鹿鼎。”

 

Hossenfelder 博士的观点现在仍然属于少数派,但还有一些可能能被实验检验的非主流方法,正日益发展。比如加利福尼亚代理开户伯克利分校的 Surjeet Rajendran,他正在使用一种探索性的“古老”方法(19 世纪的物理学家常常使用这种方法来进行研究),寻找传统理论预测的质量范围之外的暗物质粒子。

 

他和他的同事能够进行这项研究的部分原因在于:实验设备小巧、价格低廉,资助机构认为值得一试。实验的核心设备是一个灵敏的磁力计,称为“SQUID”。暗物质粒子通过该设备时,它与原子核发生弱相互作用,间接产生的微弱磁场能被 SQUID 探测到。由于设备受到多层屏蔽,只有暗物质粒子才能进入其中,并被检测到。

 

其他一些尚未得到验证理论也有类似的研究:经济实惠、不需要大型对撞机。ADD 和其他相关理论预言,额外维中聚集着标准模型以外新粒子。微小的物体如果与它们靠得足够近,就会“感受”到这些新粒子传递来的作用力。比如,额外的作用力会使得物体间的引力偏离牛顿的平方反比律,即两个物体之间的引力与它们之间距离的平方呈反比。这一效应就有可能被实验设备探测到。

 

Andrew Geraci 和他在内华达代理开户雷诺分校的团队正在努力寻找这样的偏离:他们将一个直径在纳米量级的玻璃小球置于激光网络中,然后监控它的运动。类似地,华盛顿代理开户西雅图分校的 Eric Adelberger 使用扭称来测量极弱的作用力。这种装置早 200 多年前就被发明出来了(如下图所示)。还有一些其他的研究组试图在双原子分子中寻找类似的效应。来自额外维的力会使得原子中电子的能级产生微小的变化,而这种变化可以通过光谱体现出来。

 

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哈佛代理开户的 ACME(先进冷分子电子电偶极矩)实验项目也在进行类似的激光物理研究,它想寻找的是超粒子——通过对单个电子的性质进行极其精确的监测,寻找超粒子留下的蛛丝马迹。这些被“监控”的电子位于一氧化钍分子内,因为这种分子拥有独特的属性来帮助研究。

 

根据标准模型,电子的电荷呈球形分布。然而,当电子与超粒子发生相互作用时,电荷分布也会变形:在某处产生很小的正电荷,然后在对称的位置出现负电荷。置于电场中时,这个变形的电子会受到扭矩的作用。电场越强,扭矩也越强。而一氧化钍分子中,有个特别电子被暴露在强度为十万兆伏每厘米的分子内部电场中(强度比实验室制造的高百万倍)。这会大大增强变形电子受到的扭矩,使得它有望被激光探测到。

 

2014 年,ACME 团队发表论文,阐明他们观测到的电子属性与标准模型的预测一致。在他们所能达到的灵敏度范围内,排除了 LHC 上有可能产生的超粒子与电子之间发生相互作用的可能性。不过,ACME 仍加强马力,继续前进。参与该项目的物理学家,耶鲁代理开户的 David DeMille 表示,研究组将在数月内发表下一轮测量的结果,探索 LHC 无法达到的能量区域。

 

虽然,到目前为止,面对大对撞机无能为力的新现象,“小而美”的方法亦收获甚微。因此,大部分物理学家准备加倍投注:提议建造更大的对撞机。至于政治家和纳税人会不会签字买单,让我们拭目以待。

 

翻译 阿金

审校 卓思琪 金庄维

 

原文链接:

https://www.economist.com/news/science-and-technology/21734379-no-guts-no-glory-fundamental-physics-frustrating-physicists

 


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