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没有长度和质量的宇宙

2017/4/27 22:48:02 | 未解之谜网 | 热度:213 °

  尽管地球上的大象比蚂蚁重很多,一个星系看上去比一个原子大很多,但是一些物理学家开始怀疑,物质的长度和质量的差异不过是一场幻觉。他们认为,描述宇宙最为基本的理论是不含“长度”和“质量”这些概念的。大自然的本质里没有什么长度和质量。

  标准模型的麻烦

  今天的物理学家一般都认为,基本粒子的质量都来源于希格斯粒子。希格斯粒子是50多年前由英国物理学家彼得·希格斯和他的同事提出的,认为其他基本粒子,例如电子、传递弱相互作用的粒子、夸克等,可以通过与希格斯粒子的相互作用赋予质量。而希格斯粒子是由希格斯场的振荡产生的。最终在2012年,位于日内瓦的大型强子对撞机发现了这个粒子。

  不过,物理学家发现,根据标准模型来计算,希格斯粒子与其他粒子相互作用时,自身的质量很容易变得越来越大,同时还反过来使得其他粒子的质量变大。通俗地说,这种量子效应试图使得所有的粒子都变得平等起来,而最终它们将具有同样的质量。

  麻烦的事情还不止这些。物理学家还推测,宇宙中存在一个所谓的“普朗克质量”,约为质子质量的1千亿亿倍一一10的负5克,大约相当于一粒灰尘的质量,这是粒子质量的最大上限(如果再大,引力就会使得粒子变成一个黑洞)。而希格斯粒子与其他粒子的相互作用,就会使得所有粒子逐渐接近普朗克质量。

  但事实上,这种事情根本没有发生。相反,大自然中好像有一种未知的原因,阻止了轻量级的标准模型粒子变成具有普朗克质量的粒子。

  标准模型面对这个问题无能为力,于是有些科学家就想到,对于那些描述已知粒子及其相互作用的方程,如果把长度和质量想办法去掉的话,会发生什么?

  尺度对称的破坏

  这种有点疯狂的想法,是基于尺度对称这种原理。尺度对称指的是,一个物体的一些物理量,例如长度、能量等增大或减小后,它的性质仍保持不变。在我们日常生活中大多数事物是不遵守尺度对称的,不过有个很著名的例子是遵守的,它就是分形图像。例如海岸线就是分形的,怎么放大和缩小都具有同样的性质。

  一些物理学家认为,大自然的最底层,是不区分尺度的。根据尺度对称,物理学家建立了描述一群无质量的粒子的基本方程,每一个粒子只有少量的特性,即它是粒子还是反粒子,具有正电荷还是负电荷等等。这些粒子由于相互吸引和排斥,会自发地产生类似多米诺骨牌的连锁效应,尺度对称就会被破坏,尺度就会变得有意义起来,而质量就会“长出来”。

  事实上,宇宙中99%的质量都是通过这种效应产生的。我们知道,质子和中子是由三个夸克构成的,而把它们束缚在一起的能量形成了很大的束缚质量,这种质量相当于每个单独夸克质量之和的100倍左右。不过,根据前面所说的,有一些质量是通过与希格斯粒子的作用而产生的。而物理学家认为,这不是根本原因。它应该可以由更为基本的原因来解释,那就是尺度对称的破坏。也就是说,物理学家认为所有粒子的质量一一包括希格斯粒子一一都应该可以由尺度对称的自发性破缺而引起。

  这样的理论靠谱吗?

  最近,来自意大利比萨大学的物理学家创造了一个“无尺度引力”的理论,这个理论把所有尺度下的物理定律都编织在一幅图景中,这个理论可能是目前有关尺度对称最为完善的理论。在这里,希格斯粒子的质量和普朗克质量是由不同的机制产生的,所以希格斯粒子的质量并不能增长。另外,有意思的是,无尺度引力还可以解释宇宙为什么最初会发生暴胀。根据这一理论,宇宙大爆炸之后,尺度对称的破坏将会造成空间指数级的膨胀,进而引发暴胀。

  然而,这个理论却有着一个致命的缺陷:它需要一些幽灵一样的粒子性实体的存在。这种幽灵要么具有负能量,要么具有负概率,这都与量子力学冲突。这些物理学家认为,如果这些幽灵与其他的粒子不发生任何作用的话,那么这个理论才可行。尽管还没完美地修补这个缺陷,不过他们认为这并不是什么难事。

  与此同时,其他的研究小组也提出了其他不同的有关尺度对称的理论。那么究竟这样的理论靠谱吗?好在这样的理论都预言了一些标准模型之外的新粒子,也许过不了多久大型强子对撞机就可以检测它们是否存在。

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