本報(bào)記者 劉霞 綜合外電
第二部分：
接下來(lái)我們?cè)撛趺崔k？
雅各布·大衛(wèi)·貝肯斯坦：以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的理論物理學(xué)家、黑洞熱力學(xué)的奠基人之一，他指出，宇宙間的暗物質(zhì)、暗能量等“黑色幽靈”對(duì)愛(ài)因斯坦的理論是否正確提出了質(zhì)疑。
應(yīng)該拋棄相對(duì)論嗎？
廣義相對(duì)論似乎已經(jīng)成功地嵌進(jìn)現(xiàn)代社會(huì)的血液中。的確如此，盡管大多數(shù)太陽(yáng)系和天文學(xué)現(xiàn)象仍然采用牛頓的重力理論進(jìn)行計(jì)算，但是，如果沒(méi)有GPS（全球定位系統(tǒng)）這個(gè)小玩意，我們什么事情也做不了，而GPS則與相對(duì)論脫不了干系。因?yàn)镚PS的誤差來(lái)源里有一項(xiàng)是相對(duì)論效應(yīng)的影響，通過(guò)修正相對(duì)論效應(yīng)才能得到更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。
在重力場(chǎng)很強(qiáng)的太陽(yáng)系系統(tǒng)和雙脈沖系統(tǒng)內(nèi)，廣義相對(duì)論已經(jīng)被精確地測(cè)試過(guò)，但是，在重力場(chǎng)比較弱的大尺度上，廣義相對(duì)論從來(lái)沒(méi)有被測(cè)試過(guò)。暗物質(zhì)和暗能量這對(duì)“黑暗雙煞”還沒(méi)有被科學(xué)家們了解清楚會(huì)讓廣義相對(duì)論陷入失敗嗎？
有些科學(xué)家認(rèn)為會(huì)，他們也取得了些許成功。例如，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的摩德埃·米爾格魯姆于上世紀(jì)80年代提出了修正的牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）理論。該理論認(rèn)為引力和質(zhì)量之間具有另外一種關(guān)聯(lián)，依照他的理論，當(dāng)物體質(zhì)量非常輕時(shí)，并不遵循牛頓定律。MOND解釋了星系奇怪的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其解釋方法比廣義相對(duì)論使用暗物質(zhì)解釋更好。另外，科學(xué)家們提出的用來(lái)替代相對(duì)論的“f（R）”引力理論構(gòu)建的宇宙模型盡管沒(méi)有包含暗能量，但卻表現(xiàn)得好像已經(jīng)將暗能量囊括其中了。
但是，沒(méi)有一個(gè)理論盡善盡美。首先，MOND并沒(méi)有很好地解決星系簇內(nèi)單個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)。而且，“f（R）”引力理論并沒(méi)有很好地描述引導(dǎo)科學(xué)家們提出暗物質(zhì)這一概念的不規(guī)則的星系旋轉(zhuǎn)。
廣義相對(duì)論或許仍然堅(jiān)挺。如果暗能量是愛(ài)因斯坦硬塞進(jìn)其廣義相對(duì)論方程式中的珍貴的宇宙常數(shù)，那么，其令人信服的來(lái)源是真空能。引力場(chǎng)毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)擾亂真空，讓出現(xiàn)在星系和星系簇內(nèi)以及周圍的能量集中在一起，就像暗物質(zhì)一樣。我們很難想象目前的量子場(chǎng)論可以集中如此充足的能量，但或許某一天，明智地使用量子物理學(xué)可能會(huì)揭開(kāi)籠罩在暗物質(zhì)和暗能量頭上的神秘面紗。
克里斯·克拉克森：南非開(kāi)普敦大學(xué)的宇宙學(xué)家，他認(rèn)為，假設(shè)我們?cè)谟钪嬷猩硖幒翁幓蛟S會(huì)歪曲我們對(duì)宇宙的看法。
應(yīng)該摒棄哥白尼原則嗎？
無(wú)論我們朝哪一個(gè)方向看，我們看到的宇宙好似非常一樣。這說(shuō)明，我們?cè)谟^察一個(gè)事物時(shí)所處的位置并不特殊。
這是哥白尼原則的一個(gè)假設(shè)，聽(tīng)起來(lái)似乎合情合理。但是，很難證實(shí)我們?cè)谶b遠(yuǎn)的星系中的所見(jiàn)所聞與我們身處地球時(shí)的所見(jiàn)所聞會(huì)有何區(qū)別。
哥白尼原則要是不對(duì)怎么辦呢？科學(xué)家們對(duì)超新星在不同距離范圍內(nèi)的觀察使我們相信，宇宙正在加速膨脹，暗能量必須存在。但是，因?yàn)楣馑偈怯邢薜?，我們看進(jìn)太空的距離越遠(yuǎn)，我們需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。令我們驚奇的是，隨著時(shí)間的演進(jìn)，空間中發(fā)生出現(xiàn)的變化可能會(huì)很容易同演化混淆。這樣說(shuō)來(lái)，暗能量或許只是一個(gè)幻覺(jué)。
讓我們將球形的天空想象成一顆洋蔥，其由幾層密度不同的物質(zhì)組成。在密度大的地方，引力的凝聚力會(huì)阻礙宇宙的膨脹。如果我們居于一個(gè)密度比較低且膨脹率比較高的中央空白處，并從各個(gè)方向向外看向那些密度比較高而且膨脹率比較低的地方，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，宇宙似乎在最近一段時(shí)間內(nèi)一直在加速。
在宇宙大爆炸后的一霎那，這樣一個(gè)宇宙的膨脹環(huán)境或許會(huì)發(fā)生變化，以產(chǎn)生這樣龐大的低密度區(qū)域。但是，它將違背神圣的哥白尼原則：其他坐在該洋蔥中的人將看到一個(gè)完全不一樣的不均勻的宇宙。
盡管我們正處于中央空白處的幾率微乎其微，不過(guò)，也有可能發(fā)生。但是，研究遙遠(yuǎn)的星系簇周圍的宇宙微波背景溫度的變化使我們能從遙遠(yuǎn)的地方“看見(jiàn)”宇宙，并且告訴我們宇宙是否均勻，最新的觀察表明宇宙并不均勻。
摒棄了哥白尼原則的模型可能需要進(jìn)行很多微調(diào)，才能同現(xiàn)實(shí)相符。
馬克斯·特格馬克：美國(guó)麻省理工學(xué)院宇宙學(xué)家，他提出了一種新的宇宙終結(jié)理論，該理論認(rèn)為宇宙最終將會(huì)以“大崩塌”的方式結(jié)束，而該終結(jié)模式似乎在邏輯上難以避免。在他的觀點(diǎn)中，與大爆炸有關(guān)的最好的理論在邏輯上是自毀的。
應(yīng)該重新思考宇宙暴脹理論嗎？
暴脹始于一個(gè)偉大的起點(diǎn)。人們認(rèn)為，宇宙以一種新奇的很難稀釋的物質(zhì)的一個(gè)亞原子粒子開(kāi)始，而且該粒子的數(shù)量不斷加倍，最終制造出了宇宙大爆炸和我們現(xiàn)在看到的幾乎整齊劃一的、平滑的宇宙。
不僅如此，宇宙甚至變得更好。暴脹也產(chǎn)生了隨機(jī)量子波動(dòng)，這些波動(dòng)產(chǎn)生了今天我們看到的滿天繁星、星系以及其他更大的天體結(jié)構(gòu)。暴脹理論也作出了很多非常精確的預(yù)測(cè)。例如，用來(lái)測(cè)量空間平滑度的量——?dú)W米茄（Omega）的平滑度應(yīng)該等于1，而實(shí)際上科學(xué)家們測(cè)出其等于1.003±0.004，真的是非常接近，太神奇了。
但是，就像一個(gè)頑強(qiáng)的上了年紀(jì)的教授一樣，暴脹也開(kāi)始退休。暴脹理論預(yù)測(cè)，在我們的宇宙遙遠(yuǎn)的部分，這一過(guò)程會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去，產(chǎn)生一個(gè)不僅非常大而且真正無(wú)限的空間，其中包含有無(wú)數(shù)個(gè)星系、恒星和行星，甚至像我們一樣的人類。這一空間內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)讓物質(zhì)在不同的地方呈現(xiàn)出不同的分布方式，因此，會(huì)有無(wú)數(shù)人觀察到一個(gè)值接近1的歐米茄（Omega）；無(wú)數(shù)人觀察到一個(gè)值接近2的歐米茄（Omega），諸如此類等等。
那么，有很多其他人觀察到的事物和我們看到的一樣，會(huì)出現(xiàn)什么可能的情況呢？無(wú)用的、正式的答案是無(wú)限除以無(wú)限，似乎毫無(wú)用處。我們的宇宙學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有就如何將這一無(wú)用的答案變成有用的事物達(dá)成一致意見(jiàn)。因?yàn)榕蛎?，我們幾乎無(wú)法預(yù)測(cè)出任何可能性。我們將這稱為“測(cè)量問(wèn)題”，并且，將其看成今天的物理學(xué)家們面對(duì)著的最深的危機(jī)。從邏輯上而言，我認(rèn)為，膨脹具有自我破壞性，破壞了促使我們起初對(duì)它嚴(yán)陣以待的預(yù)測(cè)。
老實(shí)說(shuō)，我并不覺(jué)得任何其他富有競(jìng)爭(zhēng)性的理論能夠更好地解釋暴脹。我估計(jì)，一旦我們解決了“測(cè)量問(wèn)題”，某種形式的暴脹仍然會(huì)保持下去——但或許并非最終極的那種。所有的問(wèn)題都源于無(wú)限，尤其是假設(shè)空間能夠被永遠(yuǎn)延伸而不會(huì)分崩離析。我并不愿意質(zhì)疑這個(gè)激進(jìn)的假設(shè)，但是，我們應(yīng)該這樣做。
弗朗克·韋爾切克：因發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用理論中的漸近自由，而榮獲2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。韋爾切克表示，美學(xué)告訴我們，超對(duì)稱或許會(huì)突破標(biāo)準(zhǔn)模型的僵局。
應(yīng)該重視美
標(biāo)準(zhǔn)模型確實(shí)非常強(qiáng)大而且形式簡(jiǎn)潔優(yōu)美?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子更是錦上添花。2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家們宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的亞原子粒子，這個(gè)粒子是希格斯玻色子（即傳說(shuō)中的“上帝粒子”）的可信度高達(dá)99.99994%。1964年，科學(xué)家首次提出希格斯玻色子是物理學(xué)粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中最后缺失的一部分，標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)作用力、弱作用力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。根據(jù)該理論模型，希格斯玻色子必須存在從而賦予其他基本粒子質(zhì)量。希格斯玻色子的“現(xiàn)身”證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的完整性。
而且，更為重要的是，這是科學(xué)家們幾十年科研探索的集大成者。就像在大海中撈針一樣，我們首先必須完全理解大海和針，為了發(fā)現(xiàn)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）制造的“迷你宇宙大爆炸”中的希格斯玻色子的罕見(jiàn)蹤跡，我們必須了解基礎(chǔ)物理學(xué)。標(biāo)準(zhǔn)模型幾乎是大自然給予人類的最美妙的果實(shí)。
然而，標(biāo)準(zhǔn)模型是作用力和粒子的大雜燴，沒(méi)有獲得完整的統(tǒng)一性和一致性。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，標(biāo)準(zhǔn)模型最早部分——麥克斯韋方程組統(tǒng)治了電磁學(xué)，公正地來(lái)說(shuō)，麥克斯韋方程組以平衡和優(yōu)美著稱。標(biāo)準(zhǔn)模型最新部分的方程式描述了強(qiáng)核力，這部分也具有令人愉悅的對(duì)稱性，但是，強(qiáng)核力并不需要電荷和載力子（光量子），它們需要3個(gè)“色”電荷和8個(gè)膠子。而弱核力則引入了另外3個(gè)載力子。上述所有這些使標(biāo)準(zhǔn)模型看起來(lái)有點(diǎn)別別扭扭的。
鑒于此，我們希望能夠獲得更大更好的方程組，其具有更好的對(duì)稱性和平衡性。從邏輯上而言，超對(duì)稱就是這些想法的集大成者。它假定存在著一種基本的對(duì)稱性，使力能夠變成物質(zhì)，物質(zhì)也能變成力，同時(shí)，這些方程式作為整體具有同樣的內(nèi)容。通過(guò)讓自然界的粒子博物館里粒子的數(shù)量加倍——為每個(gè)組成物質(zhì)的費(fèi)米子制造出一種攜帶力的玻色子以及相反，可以做到這一點(diǎn)。
朝著這條道路一直追尋下去，我們會(huì)獲得比較大的成功。經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后的新理論可以精確地預(yù)測(cè)強(qiáng)核力、弱核力、電磁力的強(qiáng)度之間的比率，標(biāo)準(zhǔn)模型聽(tīng)任這些參數(shù)擺布。
我相信這個(gè)成功絕非偶然。但是，在科學(xué)上，相信只是一種手段，而不是最終目的。超對(duì)稱性預(yù)測(cè)了具有獨(dú)特屬性的新粒子，隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以更高的能量和密度強(qiáng)度操作，這些粒子會(huì)逐一進(jìn)入我們的視野中。這一理論很快將經(jīng)受嚴(yán)格的考驗(yàn)，它或者會(huì)給我們提供我們所需要的，甚至給我們驚喜，或者一切只是竹籃打水一場(chǎng)空。
麗莎·藍(lán)道爾：哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家，粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威。她有點(diǎn)擔(dān)憂地表示：“我們或許無(wú)法獲得超越標(biāo)準(zhǔn)模型的答案?！?div style="height:15px;">
到我們提升對(duì)撞能量的時(shí)刻了嗎？
如果超對(duì)稱能解決標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)核心問(wèn)題——同其他基本作用力相比，引力為何如此微弱，那么，超對(duì)稱預(yù)測(cè)的其他粒子的質(zhì)量應(yīng)該比較低。當(dāng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)啟時(shí)，很多人滿懷樂(lè)觀地認(rèn)為，超對(duì)稱就在不遠(yuǎn)處。
而實(shí)際上，以前的加速器實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很好地排除了最簡(jiǎn)單的這個(gè)超對(duì)稱版本。沒(méi)有在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)發(fā)現(xiàn)低能粒子也說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，如果超對(duì)稱要發(fā)揮自己應(yīng)有的作用的話，它一定擁有一個(gè)更靈敏更復(fù)雜的形式，而且，其涉及到的粒子的質(zhì)量也應(yīng)該更高。
不過(guò)，超對(duì)稱并非唯一可能的答案。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也正在搜索其他可能的證據(jù)，包括我和同事拉曼·桑壯首先于1999年提出的一個(gè)模型。我們的這個(gè)模型認(rèn)為，我們身處的四維宇宙坐落在一個(gè)“膜”上，膜內(nèi)的宇宙擁有第五維度。科學(xué)家們假設(shè)能傳送引力的基本粒子引力子集中在該膜內(nèi)，只有一小部分“泄露”到我們生存的四維中，這就解釋了為何引力相對(duì)電磁力、強(qiáng)核力和弱核力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較孱弱。
這些模型預(yù)測(cè)，粒子會(huì)從額外的維度獲得動(dòng)量，因此，在我們看來(lái)，雖然是同樣的粒子，但其質(zhì)量其實(shí)更大。它們的質(zhì)量應(yīng)該最少有幾個(gè)電子伏特，或許更高。其對(duì)應(yīng)的低質(zhì)量的粒子可以被觀察到，但是，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造出的這樣的粒子也可能急劇下降到幾個(gè)電子伏特。
這就將我們置于一種非常不安的境況。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)提供新的發(fā)現(xiàn)之前，我們并不知道哪個(gè)理論是正確的。如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)再也不能提供新的發(fā)現(xiàn)，我們就很難有理由制造某些更大的機(jī)器。不過(guò)，我并不擔(dān)心物理學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有新東西供我們發(fā)現(xiàn)，我擔(dān)心我們可能沒(méi)有錢來(lái)做這些事情。
珍妮特·康拉德：麻省理工學(xué)院中微子物理學(xué)家，她認(rèn)為，中微子這種令人捉摸不透的粒子已經(jīng)為我們提供了打開(kāi)新的物理學(xué)大門(mén)的鑰匙。
中微子會(huì)打敗標(biāo)準(zhǔn)模型嗎？
標(biāo)準(zhǔn)模型是所有理論中的巨人，其主要特點(diǎn)是龐大、強(qiáng)大，而且直到最近似乎都不可戰(zhàn)勝。但其實(shí)，早在10年前，它可能就已經(jīng)遇到過(guò)幾乎將其完全打敗的對(duì)手：中微子。
標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，中微子這種微小而神秘的粒子分為3個(gè)不同的類型或者氣味。它們沒(méi)有質(zhì)量，僅僅通過(guò)弱核力相互作用，這使它們很難被探測(cè)到。
這種情況一直持續(xù)到1998年。當(dāng)年，科學(xué)家們證實(shí)，中微子會(huì)“振蕩”。意大利理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫首先提出此猜想，他認(rèn)為特定味的某一中微子可以轉(zhuǎn)化為不同的味。這是一個(gè)量子力學(xué)效應(yīng)，只有在中微子有質(zhì)量的情況下才能出現(xiàn)。這個(gè)粒子因此成為第一個(gè)而且也是迄今為止唯一一個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子。
如果中微子擁有質(zhì)量可以讓一切問(wèn)題迎刃而解的話，我們或許只需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)就行。但是，我們現(xiàn)在看到了其他振蕩的證據(jù)，如果只有3種中微子的話，這種額外的振蕩就很難解釋清楚了。這或許表明，還存在著其他“惰性”中微子，這種中微子并不通過(guò)目前已有的四種作用力來(lái)相互作用，但是，其能變成活躍的中微子，也可以由活躍的中微子變化而來(lái)。
如果這一全新的現(xiàn)象獲得證實(shí)，那將會(huì)給我們迎頭一棒。重新思考已知粒子的質(zhì)量是一件事情，但是，要在標(biāo)準(zhǔn)模型中添加一種全新的粒子則是另外一回事。我們或許可能需要一個(gè)新的理論來(lái)解釋惰性粒子以及它們來(lái)自于何處。如果惰性中微子并不通過(guò)現(xiàn)有的已知的作用力發(fā)生作用，那么，它們通過(guò)什么力相互作用呢？這或許會(huì)成為解開(kāi)暗物質(zhì)之謎的關(guān)鍵。
對(duì)于上述問(wèn)題，我們并沒(méi)有清晰的答案，但是，關(guān)于惰性中微子的理論論文正以一周兩篇的速度出現(xiàn)。
為什么我們要研究最細(xì)微的粒子呢？因?yàn)檠芯看罅Ｗ硬⒉还苡谩?div style="height:15px;">
