颠覆已知:基础物理学的下一次大革命将如何开启?

颠覆已知:基础物理学的下一次大革命将如何开启?
2020年08月07日 12:30 人工智能读芯术

物理学最大的问题之一,正是除了少数无法充分解释的谜团外,人类所掌握的事物都在无比顺利地运行,这甚至顺利到让我们无所适从。我们试图修改两个描述宇宙的最佳(但从根本上却相互矛盾的)理论——标准模型和广义相对论,却无一例外受到已有数据的重重限制。

然而,宇宙待探索之处无穷无尽,像暗物质、暗能量和物质——反物质不对称之类的谜团至今尚未解开。那么,我们应该从何开启基础物理学的下一次伟大革命呢?这就是约翰·乔达诺想知道的,他向我问道:

“您一直大力支持物理学中的共识。别的物理学家有时会滔滔不绝地发表一些天马行空的理论,但您却言简意赅,用清晰的数据和外行人都理解的方式清楚地解释当下的共识观点。我的问题是:您认为在未来20到30年内,我们实际可行的实验可能会撼动当前物理学科学共识的哪些领域?”

这个问题好极了。跳出现在,看看我们将走向何方。

要知道要去往何方,首先要知道身处何地。我们知道,我们所在的宇宙之中,基本粒子物理学的标准模型已经成功解释了迄今为止观察到的所有已知、已探粒子之间的相互作用。宇宙由夸克、轻子和规范玻色子组成。规范玻色子调节四种基本力中的三种及希格斯粒子,希格斯粒子为所有标准模型的大质量粒子提供静止质量。

还有广义相对论—— (非量子)引力理论,提出了时空与宇宙中物质和能量之间的关系。简而言之,物质和能量告诉我们时空如何弯曲,而弯曲的时空告诉我们物质和能量如何运动。

爱因斯坦的广义相对论经过无数次科学测试,通过了人类有史以来最严格的测试。

超越广义相对论(解释了引力、黑洞、膨胀宇宙和热大爆炸)和标准模型(解释了其他三种力、已知粒子和反粒子,以及所有粒子物理实验的结果)的困难在于,如果试图以简单、直接的方式来修改,最终得到的结果将与现有的测量和观察结果相冲突。

用目前的物理学共识理论来玩“双面”游戏很容易。“嗯,伊桑可能是个天体物理学博士,他说标准模型和广义相对论是正确的,但有一些科学家说另一种理论是正确的,我觉得这种情况更令人信服。”

不幸的是,科学实际上并不是这样运作的。

标准模型粒子及其超对称对应粒子。超对称性略低于50%的粒子已经被发现,略高于50%的粒子从未显示出它们存在的痕迹。超对称性旨在改进标准模型,它试图取代主流理论,却还没有对宇宙做出成功预测。如果所有能量都没有超对称性,弦理论必定是错误的。

超越目前的科学认知需要承担巨大的举证责任,尤其要克服以下三个障碍:

· 必须成功再现所有相关且有效的主流理论;

· 必须解释已经观察到或测量到的现象,这些现象是主流理论不能或无法解释的;

· 必须进行新颖、可检验且不同于主流理论的预测,然后进行重要的相关测试。

然而大多数尝试性扩展甚至在第一步就失败了。我们对引力和基本粒子进行了如此多的精确测试,以至于你能设计出的任何替代方案——从修正的引力理论到额外的维度,再到额外的基本对称或统一——对它们的存在都已经有了非常严格的限制。

统一的观点认为,所有三种标准模型力,甚至更高能量的引力,都统一在单一框架中。这个想法很有说服力,已经引发大量研究,但尚未得到半点证实。在更高的能量下,量子引力理论有可能统一所有的力。但这种情况通常会影响受到严格限制且可观察到的低能现象。

然而,一些强有力的证据表明,我们当下所知尽管无误但并不全面。

我们知道,遥远的星系似乎以一种与宇宙不相匹配的速度远离我们,宇宙只充斥着标准模型粒子,受广义相对论支配;单个的引力源——星系、星系团,甚至是巨大的宇宙网——都不符合预测,除非加入新的成分,比如暗物质;尽管标准模型下的物理定律会产生或毁灭等量的物质和反物质,但我们居住的宇宙绝大多数是由物质组成的,其中只有微量的反物质。

换言之,“已知物理学”并不能解释我们在宇宙中观察到的一切。

宇宙的所有维度中,从我们的邻居到星际介质,到单个星系,到星系团到细丝和巨大的宇宙网,我们观察到的一切似乎都是由正常物质而不是反物质组成的。这是一个未解之谜。

我们已经看到了超越目前已知科学极限的迹象。粒子物理学方面,许多实验产生了意想不到的结果,如果这些实验能经受住更大的考验,可能会带来革命性的变革。

Atomki anomaly(新的光矢量玻色子)是一组衰变的粒子展现出奇怪的、意想不到的行为模式,这可能是实验错误,亦或是标志着一个不属于标准模型的新粒子的出现。有争议的DAMA实验,以及最近的氙实验(XENON)结果也能代表新物理学,或者,在更平凡的情况下,能就现有物理学发表新见解。

与此同时,在太空中,阿尔法磁谱仪观测到了无法解释的过量的反物质,NASA的费米卫星观察来自银河中心过剩的伽玛射线,测量宇宙的不同技术产生了不同的膨胀速率等等。

一系列不同类型的小组试图测量宇宙的膨胀率以及对应的彩色编码结果。请注意,早期(前两项)和晚期(其他项)结果之间有很大的差异,每个晚期选项的误差线要大得多。唯一一个受到攻击的值是CCHP,经过重新分析,发现该值比69.8更接近72公里/秒/英里。

然而,这些结果仍不够强劲,因而不足以成为新物理学的标志;它们中的任何一个,或全部,也许仅是因为是统计波动或仪器校准不当造成的。其中的许多结果可以指向新物理学,但也可以为广义相对论和标准模型中已知的粒子和现象所轻易解释。

这些实验将和其他一些实验继续进行,探索已知异常并寻找其他异常,同时继续完善宇宙图景。但是在接下来的几十年里,新的实验和观测站也会上线,为我们敞开大门,获取新知,并以新的方式探索宇宙,释放所谓的“新发现的潜力”。以下是本人最感兴趣的部分:

哈勃望远镜(左上)和宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)/南希·格蕾丝·罗曼(NancyGrace Roman)望远镜在相同深度、相同时间内观察区域的比较。罗曼的广视野能捕捉到比以往更多的遥远超新星,并在宇宙范围上对星系的深度和广度进行前所未有的探测。不管有何发现,罗曼望远镜都将带来一场科学革命,并为探测暗能量在宇宙时间内进化的方式提供最佳检测手段。如果暗能量的变化超过预期值的1%,就会被罗曼发现。

暗能量真的是常数吗?现在它似乎是不变的,但这仍有探索的余地。基于即将进行的大规模星系调查(由薇拉·鲁宾天文台主导)和遥远的超新星数据(由即将推出的南希·格蕾斯·罗曼望远镜提供,前身为WFIRST),我们几乎能确定暗能量是否能随时间而控制在1%以内。如果是这样,我们需修改“标准”宇宙模型。

能直接探测到暗物质吗?氙实验的最新结果为我们所见过的粒子暗物质提供了最有力的候选证据,但下一代实验将对此进行测试。升级后的XENONnT实验以及LUX-ZEPLIN实验,要么会发现粒子暗物质,要么会消灭我们现有的最佳(也可以说是唯一的)候选粒子。

对粒子暗物质的探索开启能与原子核一起反冲的弱能粒子的寻找之旅。LZ合作(氙合作的当代竞争对手)将提供所有弱能粒子核子截面的最佳限制,但可能不如氙那样善于揭示低能候选粒子。

在最高能量下会发生什么?寻找中微子、切伦科夫辐射或其他高能信号的宇宙射线实验发现,粒子的能量是大型强子对撞机(LHC)的数百万倍。如果有新高能物理学,这将是我们最好的探测器。

第一批恒星是什么时候真正形成的?哈勃从根本上受到其聚光能力(即大小)、视野和波长范围的限制。NASA即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜,以及即将推出的新一代地面30米级望远镜,可以前所未有地探测到最早、最遥远的恒星和星系,以更好理解早期结构形成。

有没有违反标准模型的粒子物理迹象?也许吧。我们正努力更好地测量电子和μ子的磁矩;如果电子和μ子相斥,就有新的物理学诞生。我们正努力揭示中微子振荡的方式;其中也可能出现新的物理学。如果我们建造一个精确的正负电子对撞机,无论是环形还是线形,都可能会发现超出标准模型的LHC无法找到的线索。

几十年来,在粒子物理学界,直线轻子对撞机一直被认为是探索后LHC物理学的理想机器,但这是基于LHC能发现希格斯粒子以外的新粒子的假设。如果想对标准模型粒子进行精度测试,以间接寻找新的物理现象,直线对撞机也许不如环形轻子对撞机。

新物理的可发掘之处不在少数,可揭示新物理学的实验或观察也比比皆是。激光干涉空间天线(Laser InterferometerSpace Antenna, LISA)也许能带来惊喜;暗物质湮灭或无菌中微子或许会自显其道;更智能的桌面实验有可能为我们提供量子引力的初步线索。观察之前,我们无法预知会有怎样的结果。

但最令笔者激动的是“以上都不是”。当我们观察时,发现的也许根本不是什么新东西,但是发现一些从未驻足思考过的东西也极有可能。科学研究的美妙之处就在于发现事物的过程,要解开超越当前前沿的秘密需要付出巨大的努力。随着成千上万的科学家投身于这份伟大的事业,我们必将发现前所未有且惠及大众的知识。

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