王丟兜 @ 2015.08.26 , 11:00 am
當(dāng)我們?cè)诨A(chǔ)層面思考我們的宇宙時(shí),我們思考其中所有的粒子和所有的力，以及它們之間發(fā)生的相互作用。如果你能描述這些力、相互作用和粒子的性質(zhì)，你就擁有了復(fù)制我們的宇宙所需的一切，或至少是一個(gè)整體上和我們的宇宙在本質(zhì)上不可區(qū)分的宇宙。
Image credit: NASA / CXC / M.Weiss.
因?yàn)槿绻懔私馕锢矶伞?、量子力學(xué)、電磁學(xué)、核力，等等——你所需要的就是告訴你“是多少”的相互關(guān)系，只要你使用相同的初始條件，你就會(huì)得到一個(gè)宇宙，具有從原子到星系團(tuán)的相同結(jié)構(gòu)，從電子躍遷到恒星爆發(fā)的相同過程，同樣的元素周期表，以及從氫氣到蛋白質(zhì)和烴鏈的相同化學(xué)組合，加上大量的其它相似之處。
Image credit: NASA / Jenny Mottar.
當(dāng)你遇到這個(gè)“多少”的問題時(shí)，你可能想到引力由
萬有引力常數(shù)G確定，以及“粒子的能量”由其靜止質(zhì)量確定，如
電子的質(zhì)量me。你想到光速c，以及對(duì)于量子力學(xué)有普朗克常數(shù)?。但物理學(xué)家們?cè)诿枋鲇钪鏁r(shí)并不喜歡使用這些常量，因?yàn)檫@些常量有著任意的維度和單位。
但是像米、千克和秒這樣的單位并沒有固有的重要性；事實(shí)上當(dāng)涉及到宇宙時(shí)，根本沒有理由強(qiáng)迫我們自己去定義像“質(zhì)量”或“時(shí)間”或“距離”這樣的東西。如果我們給出正確的描述宇宙的無量綱常數(shù)(其中不帶米、千克、秒或任何其它“維度”)，我們就應(yīng)該能自然地得出我們的宇宙本身。這包括諸如粒子質(zhì)量、它們相互作用的強(qiáng)度、宇宙的速度極限，甚至?xí)r空本身的基本性質(zhì)！
Image credit: Particle Data Group / LBL / DOE / NSF, of the Fundamental Constants as of 1986.
事實(shí)證明，需要26個(gè)無量綱常數(shù)來盡可能簡(jiǎn)潔和完整地描述宇宙，這是一個(gè)相當(dāng)小的數(shù)量，但還不像我們喜歡的那么小。下面就是它們是什么：
1.)
精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，或者說電磁相互作用的強(qiáng)度。用某些我們更加熟悉的物理常數(shù)來說，這是基本電荷(比如說一個(gè)電子的)的平方與普朗克常數(shù)和光速的比值。但如果你把這些常數(shù)放在一起，你就得到一個(gè)無量綱的數(shù)字！在當(dāng)前存在于我們宇宙中的能量上，這個(gè)數(shù)字算出來≈ 1/137.036，盡管該相互作用的強(qiáng)度隨著相互作用的粒子的能量增加而增加。
2.)
強(qiáng)偶合常數(shù)，它定義把質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力的強(qiáng)度。雖然強(qiáng)力的工作方式與電磁力或引力非常不同，這種相互作的強(qiáng)度還是能用
單一耦合常數(shù)來參數(shù)化。我們宇宙的這個(gè)常數(shù)像電磁的那個(gè)一樣，也
隨能量強(qiáng)度而變化。
Image credit: E. Siegel.
3~17.) 這個(gè)有一丟丟令人失望。我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型里有十五種粒子：六種夸克、六中輕子、W、Z和西格斯波色子，都有靜止質(zhì)量。雖然它們的反粒子真的都有相同的靜止質(zhì)量，我們本來希望能有某些關(guān)系、模式，或更基礎(chǔ)的理論能用更少的參數(shù)賦予這些質(zhì)量。嗟乎，需要十五個(gè)常數(shù)來描述這些質(zhì)量，孤苦伶仃的好消息是我們可以把這些參數(shù)縮放到和引力常數(shù)G成比例，結(jié)果得到十五個(gè)無量綱參數(shù)，而不需要單獨(dú)的引力強(qiáng)度描述符。
18~21.) 夸克混合參數(shù)。我們有六種不同類型的夸克，因?yàn)橛袃蓚€(gè)子集，每個(gè)子集各有三種夸克彼此具有相同的量子數(shù)，他們可以互相混合。如果你曾聽說過
弱核力，
放射性衰變，或者
CP-不守恒，這四個(gè)參數(shù)——全都需要(并且已經(jīng))測(cè)量——就是描述它們所需的。
22~25.) 中微子混合參數(shù)。與夸克部門類似，這四個(gè)參數(shù)詳細(xì)描述中微子如何相互混合，因?yàn)槿齻€(gè)類型的中微子都有相同的量子數(shù)。太陽中微子問題——太陽發(fā)出的中微子沒有到達(dá)地球——是二十世紀(jì)最大的難題之一，當(dāng)我們意識(shí)到中微子具有非常小但是不為零的質(zhì)量、互相混合、
從一種類型振蕩到另一種類型，才最終得以解決?？淇嘶旌嫌扇齻€(gè)角度和一個(gè)CP-不守恒復(fù)相位描述，而中微子混合也以相同方式描述。盡管夸克的四個(gè)參數(shù)都已被確定，中微子的CP-破壞相還有待測(cè)量。
Image credit: E. Siegel.
26.) 宇宙常數(shù)。你也許聽說過因?yàn)榘的芰坑钪媾蛎浾诩铀伲@需要再多一個(gè)參數(shù)——宇宙常數(shù)——來描述該加速的數(shù)量。暗能量結(jié)果可能會(huì)比一個(gè)常量更為復(fù)雜，在這種情況下它可能也還需要更多參數(shù)，因此個(gè)數(shù)可能會(huì)超過26個(gè)。
如果你給我物理定律和這26個(gè)常量，我就能把它們丟進(jìn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)并叫它去模擬我的宇宙。而非同尋常的是，我所得到的看起來和我們今天的宇宙幾乎無法區(qū)分，從最小的亞原子尺度一路直到最巨大的宇宙尺度。
但即使這樣，仍然還有四個(gè)難題，可能要求額外的常量來解決。這些是：
1. 物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱問題。我們的整個(gè)可觀測(cè)宇宙占統(tǒng)治性地由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成，但我們不完全理解為什么會(huì)這樣，或者為什么我們的宇宙有這些數(shù)量的物質(zhì)。這個(gè)問題——重子產(chǎn)生過程問題——是理論物理學(xué)最大的未解難題之一，而且可能需要一個(gè)(或多個(gè))新的基本常數(shù)來描述其解。
2. 宇宙暴漲問題。這是宇宙在大爆炸前和設(shè)定了大爆炸的階段，它已經(jīng)作出了很多已被觀測(cè)驗(yàn)證的新預(yù)測(cè)，但并未包括在此描述里。很可能的是，當(dāng)我們更全面地理解它是什么，額外的參數(shù)將必須被添加到這組常量之中。
3. 暗物質(zhì)問題。鑒于它幾乎可能好像大概肯定包含至少一個(gè)(且可能更多)新的有質(zhì)量粒子類型，有理由認(rèn)為更多個(gè)新參數(shù)——甚至可能超過一個(gè)，每個(gè)新粒子類型各一個(gè)——會(huì)需要被加入。
4. 強(qiáng)CP-不守恒問題。我們?cè)谌鹾肆ο嗷プ饔弥锌吹紺P-不守恒，并在中微子部門中期待它，但我們尚未在強(qiáng)相互作用中找到它，即使它并未被禁止。如果它存在，就應(yīng)該有更多參數(shù)；如果它不存在，那就很可能有一個(gè)和禁止它的過程相關(guān)的額外參數(shù)。
Image credit: NASA, ESA, D. Harvey (Swiss Federal Institute of Technology), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF, of galaxy cluster Abell 370, with dark matter shown in blue.
我們的宇宙是一個(gè)復(fù)雜、神奇的地方，然而，我們對(duì)統(tǒng)一理論——萬物理論——的最大指望理應(yīng)減少我們所需的基本常數(shù)個(gè)數(shù)。但我們對(duì)宇宙了解越多，我們就知道更多要充分描述它所需要的參數(shù)。盡管認(rèn)識(shí)到我們?cè)谀睦?，以及在今天要描述已知的全部所需要的參?shù)，非常重要，同樣重要的是繼續(xù)尋找一種更完整的范式，不但給我們宇宙所有的一切，而且使之盡可能簡(jiǎn)潔。
現(xiàn)在，不幸的是，任何比我們這里提出的更簡(jiǎn)單的東西，都太簡(jiǎn)單以致不能工作。畢竟，我們的宇宙也許并沒有我們希望的那樣優(yōu)美。
[
王丟兜 via
Forbes]
