皮皮小说网

8 宇宙的秘密（第2页）

如果服务了数十亿年的希格斯玻色子，在任何一个给定的日期如“明天早上5点45分或在20亿年后”突然疲倦或摆摆手臂罢工，整个宇宙将消失在一个巨大的能量泡中。

随着希格斯玻色子的发现，我们庆祝科学的又一次成功。今天，我们可以说我们开始了解导致电弱对称性破缺的机制。这是标准模型的又一次胜利，也是一个充满问题的胜利。

事实上，我们已经知道，迟早我们会发现一个更普遍的理论，它将在更大的能量尺度上解释物质，并将标准模型作为一个特例。我们知道，我们的许多确定性将在比迄今为止探索的更高能量下崩溃。标准模型将会被打破，新的相互作用或新的粒子将会被发现，这些将会揭示一些仍然悬而未决的重大问题：暴胀、引力的统一、暗能量。

这一切将在多大的能量范围内发生？

多年来，科学界一直在思考这个问题，希格斯玻色子的发现让这个问题重新焕发了活力。我们正处于一场科学革命之中，这场革命的轮廓也许只有在几十年后才会变得更加清晰。

希格斯玻色子和新物理学

希格斯玻色子与其他粒子不同。由于它给所有的粒子提供质量，它会与已知的粒子和尚未被发现的粒子相互作用。新发现的希格斯粒子因此成为一种新的调查工具。这就好像我们有一个超灵敏的天线可用，它可以为我们提供有关世界上我们完全看不见的地方的线索。它甚至可以接收隐藏在宇宙黑暗面中微弱但可察觉的信号。

一旦发现的喜悦过去，把这些优雅的礼服放回衣橱，我们就会立刻回去工作，试图回答一系列的问题。首先，我们发现的粒子真的像标准模型预测的那样是单独存在的吗？还是像超对称性预测的那样，它身边还有其他四个朋友？

在超对称性的名义下，实际上存在着一系列非常不同的理论，所有这些理论都被一个假设统一起来，即存在一种特殊的关系，将一个自旋分数的费米子与每个自旋整数的玻色子联系起来。突然间，超对称性将所有已知粒子乘以2。每一个都有一个自转相差12的超级伙伴。

在标准模型中，费米子是构成物质的粒子，而那些携带相互作用的粒子是玻色子。在这个世界上与超对称性相反的情况发生了：物质粒子具有整数自旋，而那些携带相互作用的是费米子。

在大爆炸之后，这种对称性必须是完美无缺的，然后它一定在宇宙演化的早期阶段就自发地破裂了，所以我们周围只剩下普通物质。所有超对称粒子显然都消失了，唯一可能的例外是中性微子或其他中性的、稳定的、质量很大的粒子，它们的相互作用很弱，这可以解释暗物质。我们周围没有超物质粒子，可以用超对称粒子比已知粒子重得多的事实来解释。但目前还不清楚它到底重多少。它们可能有数百个GeV，或几个TeV，甚至几十个TeV。

因此，如果超对称性理论被接受，人们马上就会发现至少有一个暗物质的自然候选者，即中性微子。不仅如此：超对称粒子的存在似乎也允许将所有已知的力（除了引力）结合在一个单一的超力中，这种超力在宇宙早期阶段（甚至在希格斯场凝结之前）就主宰了宇宙。不用说，这将是一个全新的宇宙观。

除此之外，Susy项目还预测希格斯玻色子有更多类型，可以形成一个真正的玻色子家族。较轻的质量应该不超过130GeV，与标准模型预测的希格斯粒子相似，也就是我们在大型强子对撞机中观测到的那种。我们的发现排除了许多超对称模型，这些模型更倾向于100~120GeV之间较轻的希格斯粒子。许多人在假设一个质量接近125GeV的粒子幸存了下来。为了证明我们观测到的玻色子实际上是一种超级希格斯玻色子，我们要么发现组成这个玻色子家族的其他同胞之一，要么在它与其他粒子的相互作用中发现一些异常。

事实上，从量子力学的角度来看，像我们发现的希格斯这样的轻质标量粒子是一种非常奇怪的物质。由于希格斯粒子最好与较重的粒子相互作用，所以它与顶夸克有一种特殊的关系。因此，我们必须把它想象成被云团覆盖，这在理论上会显著改变它的质量。更准确地说，量子修正会以一种不受控制的方式把它压下去，把它的质量推向荒谬的值，远远高于我们测量的125GeV。如果这种情况没有发生，要么是存在一种未知的机制——一种临时建立的机制——以保护它，要么是每种导致它变重的因素，都有另一种因素导致它变轻，并且比例完全相同。如果超对称性理论成立，后一种可能性就会出现。事实上，从费米子和玻色子的角度来说，量子修正对质量的贡献是相反的，因此对于每个正的贡献，要归功于顶夸克，而每一个负的贡献，都要归因于超顶夸克。也就是说，在任何时候，包围希格斯粒子的粒子团都倾向于增加它的质量，而超粒子团则倾向于减少它的质量，这样两种现象就能完美地互相抵消，玻色子就能保持轻质。

简而言之，超对称粒子的存在可以很自然地解释为什么希格斯玻色子如此“轻”，也正因为这个原因，Susy项目一直为之着迷。然而，要使这种巧妙的机制起作用，超顶夸克的质量不应该比顶夸克的质量大太多，约为173GeV。问题就出现了，因为如果超粒子这么轻，我们就得制造大量超粒子了。然而，迄今为止的研究都没有给出任何结果，而且我们已经知道，如果存在超粒子，其质量一定大于

400~500GeV。

现在我们说到了关键点。超对称性理论自称是一种奇妙的理论，能够一下子解决一些现代物理学中最深奥的问题（暗物质、大统一理论、希格斯玻色子之谜），但它有一个缺点：到目前为止，它没有验证该理论预测的许多粒子中的任何一种。超环面仪器和紧凑渺子线圈进行了数百项独立研究，但没有任何新发现。每一次，我们都只是成功地为超对称粒子的质量设定新的下限。

如果存在超对称性粒子，那么它的粒子一定非常重，而且由于目前还没有它们的踪迹，有些人开始认为是时候放弃这个美丽的猜想了。现在这么做还为时过早，特别是在未来几年，我们将有机会系统地探索一个广阔的能源区域，在那里可能隐藏着许多惊喜。

因此，随着希格斯玻色子的发现，几个研究前沿同时打开了大门。

一方面，对超对称粒子的直接寻找还在继续。大型强子对撞机项目在2015年在13TeV下恢复了运行，希望通过利用增加能量，能够产生那些在7~8TeV的所有研究中都没有出现的大粒子。现在，还有一个进一步的限制，是由这个125GeV的存在给出的。我们已经知道，如果你找不到比2TeV更轻的超粒子，那么这个看似优雅、让Susy保持吸引力的机制就不再合理，至少在最普遍的情况下，Susy会严重陷入危机。

与此同时，我们正在已经探索过希格斯粒子的区域寻找标准模型玻色子。目前所做的还不够，因为我们正在寻找具有非常不同特性的粒子。希格斯玻色子的兄弟超对称玻色子有独特的产生和衰变模式，因此必须争取非常具体的策略。由于粒子的体积越大，它们就越难以产生，也越难以找到，因此对数据的需求量也就越大。

与所有这些无关的是，对125GeV的希格斯玻色子的研究仍在继续。标准模型能够非常准确地预测每一个特征。到目前为止，我们所看到的一切都与预测一致，但我们的准确性受到我们所能重建的少量玻色子的限制。对于许多衰变过程，我们测量的不确定性远远超过10%。仍然有可能出现低于这个值的差异，而Susy预测的异常包括几个百分点的偏差。

近年来，在大型强子对撞机中，有可能选择数以万计的希格斯玻色子，来详细研究它们的所有特征。如果我们对这些异常现象进行哪怕是最小的测量，就会间接地得到新粒子存在的证据。我们将有科学证据证明新物理存在，我们也将知道在哪个能量区域寻找它。

这是我们的秘密希冀：新发现的希格斯玻色子可能是通向新物理的门户，而2012年发生的事情可能是长链中的第一个环节。

宇宙的终结

电弱真空在宇宙的演化中起着决定性的作用。现在我们已经精确地测量了希格斯粒子的质量，在理论中不再有任何自由参数，我们可以使用标准模型和我们对量子力学的所有了解来研究它的演化。自从我们宣布了玻色子的第一个证据以来，一些理论学家就开始问自己这样一个问题：一个125GeV的希格斯粒子能告诉我们关于弱电真空的稳定性吗？

以这种方式表述，似乎是属于专家的一个问题，但它是一个每个人都感兴趣的问题，因为它与我们宇宙的命运有关。事实上，自发的对称性破缺在机制中起着决定性的作用，通过调节相互作用的博弈，赋予了我们周围的宇宙特定的形状。电弱真空有许多特征可以将弱力和电磁力区分开来，我们通过很多参数来研究这些特征，其中最重要的两个参数就是顶夸克和希格斯玻色子的质量：它们是标准模型中质量最大的粒子。了解了这些值之后，现在就可以计算出电弱真空如何表现为能量的函数了。通过这种方式，你可以试着了解它是如何在宇宙诞生的最初时刻自我存在的，或许还可以猜测它未来的进化。

已运行的计算相当简化了。他们假设标准模型在所有能级都是有效的，而我们知道这个假设可能是无效的。此外，他们没有考虑到引力的作用：这是一个强有力的假设，因为我们还没有理解，在更高的能量下，最神秘的相互作用会发生什么。然而，获得的结果非常有趣，并引发了激烈的争论，这一争论一直持续到今天。

利用顶夸克的质量和希格斯粒子的质量，可以构造出一种弱电真空状态图，即一种类似于用来定义流体（如水）物理状态的图形。事实上，我们知道，根据压强和温度的不同，水可以是液态、固态或气态。如果我们在正常的大气压条件下，在0?C以下，水会结冰；在0~100?C之间，水处于液态；高于100?C，水会汽化蒸发。类似的情况也适用于电弱真空，它的状态可以作为顶夸克和希格斯粒子质量的函数来研究，这两个参数的作用类似于压力和温度对水的作用。

惊喜来了。根据这项研究，我们的宇宙在我们看来确实是一个非常特殊的宇宙。由于顶夸克和希格斯粒子的“非常特殊”的质量值，它将处于亚稳定平衡状态，也就是说，处于永久平衡区域和完全不稳定深渊之间的边界区域。

如果顶夸克和希格斯的质量稍有不同，弱电真空就会非常不稳定，并且不会有后续的演化：大爆炸时，在量子真空中打开的微观裂缝会立即再次闭合，一切甚至会在开始之前就结束了。然而，有了这些“非常特殊”的值，弱电真空能够形成并抵抗了数十亿年的时间，允许一切演化，直到我们人类出现。

然而，稳定并不是绝对的。如果在宇宙的某个地方，由于某种神秘的原因，产生了比大型强子对撞机中产生的能量高出10亿倍的能量，电弱真空就会崩溃。十有八九，局部撕裂不会持续。当在一个给定的区域，系统沉淀到一个新的平衡状态，所有储存在真空中的多余能量将以热量的形式释放出来，整个宇宙将消失在一个巨大的光球中。在宇宙的尽头，我们面临着两种状况。如果电弱真空能抵抗，暗能量就会把一切都清除，直到黑暗和寒冷主宰一切。相反，一场宇宙大灾难—真空结构的改变—可能会打断非常缓慢的、可怕的暗能量之舞，并允许我们逃离更迅猛、更壮观的场景。

然而，令人欣慰的是，就我们今天所知，这两种状况都不会出现。我们每个人仍然可以计划我们的暑假，或为平静的晚年做准备。宇宙很可能还有几十亿年相对平静的生命。

在这次讨论中，我觉得有趣的是弱电真空的亚稳态似乎决定了人类状况的不稳定性与整个宇宙的不稳定性之间的关系。就像我们脆弱的人类一样，脆弱的身体可以被一个愚蠢的异常DNA片段毁掉，或因摔下楼梯而伤亡。这在微观尺度上反映了影响一切的宇宙的不稳定性，甚至我们周围那些巨大建筑也一样脆弱，乍一看它们似乎是不朽的。

这些关于电弱真空稳定性的假说，引发了人们对多元宇宙理论的兴趣。如果我们接受这样一种观点，即我们的宇宙是众多不同宇宙的一部分，以完全随机的初始条件为特征，那么对我们来说，顶夸克和希格斯玻色子的质量值如此特殊也就不足为奇了。如果它们是不同的，宇宙就不会有时间进化，孕育出向自己提出这些问题的智能生命。

画面变得更简单和清晰了。想象一下，一个被蒙住眼睛的孩子，从一个旋转容器中抽取数字，就像曾经用于彩票抽奖的容器一样。每个数字都定义了一个给定宇宙的基本常数值。有无数个不幸的宇宙，它们的进化将非常短暂。还有一些相对更幸运的宇宙，它们可能会进化一段时间。还有一些非常幸运，它们可以像人类一样存活数十亿年。

为了回答这些问题，在大型强子对撞机继续运行的同时，我们有必要继续探索自然并建造新的加速器。质子对撞机被用于希格斯工厂，以精确地测量其所有特性。超高能质子对撞机用来探索电弱对称性破缺的细节，并寻找新的粒子和新的力。

通往未来物理学的竞赛已经开始了。