讓物理學家深感挫敗的基礎物理學

文：The Economist

譯：阿金

校：卓思琪 金庄維

本文經授權轉發自微信公眾號「科研圈」

在日本地下深處某一廢棄鋅礦內，一個裝著 5 萬噸高純度水的巨型不鏽鋼圓桶正在悄無聲息地殺死物理學家們長久以來視若珍寶的理論。自 1996 年起，日本超級神岡探測器（SK）里的光電倍增管探測器（如上圖所示）就一直在尋找這種跡象：桶中約 1033個質子和中子中，是否有一個會衰變成更輕的亞原子粒子（一個水分子中分別含有10個質子和8個中子）。

實驗已經進行了 20 多年，但至今仍沒有發現任何衰變跡象，這已經成為物理學的一個老大難問題。隨著時間流逝，情況就變得越緊迫。誕生於 20 世紀 70 年代的大統一理論（GUTs），曾被譽為理解萬物之間基本作用力的最佳途徑。該理論預言，質子和中子會偶爾發生衰變，且其衰變方式將破壞物理學中一條鐵定規律——宇宙中的重子數守恆（重子：包括質子和中子的一類粒子）。

不過，這個預測中至關重要的是「偶爾」。如果大統一理論是正確的，那麼質子衰變的平均時間要遠超過宇宙本身的年齡。但是，超級神岡探測器通過匯聚大量的重子，希望能在幾年的時間內就儘快發現一次衰變。不過希望最終還是破滅了。2017 年 1 月，探測器發表最新的結果認為，質子的壽命超過 1.6 x1034年。這就排除了大統一理論的最簡單版本，也就是由哈沃德·喬吉（Howard Georgi）和謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）在 1974 年提出的最早的SU(5) 理論。這同樣對 SU(5) 的複雜變體，比如 flipped SU(5) 理論，提出挑戰。

身在暗處

大統一理論是數個歷史悠久，但尚未得到驗證的物理理論之一，儘管一直在接受昂貴的大型實驗檢驗，但尚未被實驗證據所支持。和它同時代提出的還有超對稱理論。該理論假定，所有已知的基本粒子都分別有一個質量更大的超對稱伴子——超粒子（sparticle）。該理論目前也處境尷尬。再往後，上世紀90年代出現的ADD 額外維模型認為，在我們熟悉的四維時空外，還存在其他維度。如果這些維度確實存在，那它們至今還在與我們「捉迷藏」。

最後，還有探討暗物質組成的各類理論（超對稱理論是其中之一，但並非唯一），它們在過去幾年也受到了不小的打擊。神秘的暗物質被認為佔到了宇宙中總物質的 85%，星系運動產生的引力效應暗示了它們的存在。物理學家們提出了許多暗物質假想粒子，但是沒有一個得到直接的實驗證據支持。

儘管這些理論缺乏數據的支持，但它們卻能非常優雅地回答物理學中一些煩人的問題。因此，它們在研究生教材中仍佔一席之地。據哥倫比亞大學的皮特·懷特（Peter Woit）觀察：「隨著時間的推移，這些想法已經教條化了，人們不再將它們視為假想。」 這也情有可原，因為它們有著很強的說服力。以大統一理論為例，它試圖統一起四種已知基本力中的三個：強力、弱力和電磁力（第四種是萬有引力）。在這個過程中，它解釋了為什麼宇宙中物質要遠多於反物質。這一令人費解的現象被稱為「物質-反物質不對稱性」。

當今粒子物理學最佳理論——標準模型（Standard Model），就解釋不了這一不對稱現象。而大統一理論提出了多種作用機制，使得物質和反物質的亞原子粒子能夠以某種方式衰變，導致物質數量占絕對優勢。不幸的是，以目前的技術，這些預言都還無法被檢驗。想要再現當時的超高能量（類似於大爆炸早期的情況），我們需要一個比太陽系還大的粒子對撞機。在大統一理論的諸多預言中，只有超級神岡探測器尋找的質子衰變有可能被探測到。但是目前為止，這個搜尋也仍然一無所獲。

同樣的情況也發生在超對稱理論身上。這個理論能夠解釋希格斯玻色子的質量（這個粒子在 2012 年被發現，它將質量賦予其他基本粒子）。同樣地，標準模型在這個問題上無能為力。標準模型無法給出希格斯粒子的準確質量——基於量子理論的第一性原理計算得出，該粒子的質量大約要比測量值高出十億億倍。物理學家因此在他們的方程式中引入一個因數，來繞過這個問題（這個過程叫做「精細調節」）。而超對稱理論能更加簡潔地解決這個問題。

希格斯玻色子可以和標準模型中粒子（如光子與電子等）的虛粒子相互作用，這些虛粒子可以不斷地產生和湮滅。根據標準模型，這些相互作用會讓希格斯玻色子的質量非常大；而在超對稱理論中，希格斯玻色子與它們超對稱伴子的相互作用將它們抵消掉（從而不會讓希格斯玻色子獲得非常大的質量）。

超對稱理論預測，應該至少有一個超粒子會出現在大型強子對撞機（LHC，如上圖所示）中。但是目前還是沒有探測到任何超粒子的跡象。

希格斯粒子質量問題是一個物理學中的等級問題（Hierarchy problem）。另一個有名的等級問題是：為什麼引力比其他三種基本作用力要弱得多。舉個實例來說：一個冰箱貼能夠吸起回形針，輕而易舉地克服整個地球的引力。這兩個問題之間的聯繫在於：如果希格斯粒子的質量果真如理論預測的那樣大，那將使得其他粒子（質子、中子等）也擁有更大的質量，它們的引力場也會因此變得更強。超對稱理論能夠通過超粒子來解決這個問題。而額外維理論（比如 ADD），可以通過僅讓引力散逸到額外的維度中，分散引力作用來解釋等級問題。

引力作用的分散理論上是通過引力子（攜帶引力的假想粒子）潛入額外維實現的。如果 LHC 能夠撞出引力子（一些理論認為這是可能的），那麼它們進入額外維的跡象就有希望被探測到。然而，LHC 並沒有發現引力子的蹤跡。

暗物質的圖景還要更複雜。雖然有足夠的證據表明它的存在，而且許多理論提出暗物質是這樣或那樣的粒子。但暗物質名副其實，「暗」得難以探測到。它參與引力作用，但不參與電磁作用。這就意味著它既不發射光線，也不吸收光線。它也不參與將核子捆綁在一起的強相互作用。有一類假想的暗物質粒子可能會參與弱相互作用（控制一些放射性衰變），這類粒子被稱為「弱相互作用大質量粒子」（WIMPS）。但我們至今仍不明確它們到底是什麼。一些超粒子符合 WIMPS 的基本性質要求，但是也有其他的候選粒子。理論上，幾個可能的候選者應該能被超級神岡探測器這樣的大型實驗探測到。

圓桶大戰

那些實驗優選的流體不是水，而是液態氙；而且所尋找的目標現象不是暗物質粒子的自發衰變，而是 WIMP 與原子核間的相互作用。這種相互作用產生的閃光能夠被裝在圓桶上下兩端的光電倍增管陣列探測到。氙是優秀的暗物質「獵手」：它是重元素，而且原子核很大，比較容易被撞擊到；此外，它的價格便宜，性質不活潑，容易提純。然而，到目前為止，那些裝滿液態氙的大桶仍然跟它們所尋找的物質一樣——暗。全世界三個最靈敏的液態氙實驗中，有兩個在 2017 年 10 月發布了最新報告。這兩個實驗分別是義大利格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso）的 XENON1T 和中國錦屏地下實驗室的「熊貓X-II」（PandaX-II）：結果都是一無所獲。另一個實驗，LUX，已於 2016 年 5 月關閉。在關閉之前，它也沒能找到 WIMPs。

過去二十年里，尋找 WIMP 的實驗規模越來越大。但即便如此，我們既沒有看到 WIMP，也無法完全排除這一假設。相關的理論模型可以幾乎永無休止地進行修正，將無法探測到暗物質的問題歸咎於永遠跟不上的實驗技術。

尋找質子衰變的歷史更為悠久。最早的實驗 KamiokaNDE 開始於 1983 年，而最新的升級版 Hyper-Kamiokande 將於 2026 年準備就緒。如果它仍找不到質子衰變的信號，那麼質子平均壽命的下限將延長到 1035 年。

當然，逆境面前堅持到底是優秀品質。不過從目前的形勢來看，物理學家們也只能選擇堅持。物理學家對更大規模、更高精度實驗的不斷追求，不僅來源於實驗證據驅動，也不可缺少信念和決心的支持，而且兩者同等重要。

他們的信念核心是「自然法則應該在數學上簡潔優美」。目前的情況確實如此，所以這種信念是有基礎的。但是這樣的想法很容易走向極端：凡是數學上簡潔優美的都是正確的。正因為如此，物理學家才不甘心放棄大統一理論和超對稱理論。他們還會將多種舊理論結合起來，得到新理論。比如，Flipped SU(5) 理論就結合了大統一理論和超對稱性理論來解釋希格斯粒子的質量問題、等級問題和正反物質不對稱問題，並且能夠產生暗物質候選粒子。但是每繞過一個問題，理論的優美性就會打一點折扣。因此，一些研究人員開始對「真即是美」持開放的態度，也許，宇宙本質上就是亂糟糟的。

優美的神話

德國法蘭克福學院高級研究所的 Sabine Hossenfelder 就是開放派的一員。她認為大統一理論、超對稱性理論還有其他類似理論之所以讓大家迷戀，是因為它們能解釋那些「數字上的巧合」。但這些巧合也許根本就不需要解釋。舉個例子，也許在宇宙開始之初，其中的物質就多於反物質，而不是隨後一系列演化的結果——就這麼簡單。她指出，沒有任何理論能排除這種可能性，只是這樣不夠「優美」。同樣地，她表示：「超對稱理論廣受讚譽是因為它的『優美』，而非解決問題的能力。但優美並不等同於科學。」

Hossenfelder 博士的觀點現在仍然屬於少數派，但還有一些可能能被實驗檢驗的非主流方法，正日益發展。比如加利福尼亞大學伯克利分校的 Surjeet Rajendran，他正在使用一種探索性的「古老」方法（19 世紀的物理學家常常使用這種方法來進行研究），尋找傳統理論預測的質量範圍之外的暗物質粒子。

他和他的同事能夠進行這項研究的部分原因在於：實驗設備小巧、價格低廉，資助機構認為值得一試。實驗的核心設備是一個靈敏的磁力計，稱為「SQUID」。暗物質粒子通過該設備時，它與原子核發生弱相互作用，間接產生的微弱磁場能被 SQUID 探測到。由於設備受到多層屏蔽，只有暗物質粒子才能進入其中，並被檢測到。

其他一些尚未得到驗證理論也有類似的研究：經濟實惠、不需要大型對撞機。ADD 和其他相關理論預言，額外維中聚集著標準模型以外新粒子。微小的物體如果與它們靠得足夠近，就會「感受」到這些新粒子傳遞來的作用力。比如，額外的作用力會使得物體間的引力偏離牛頓的平方反比律，即兩個物體之間的引力與它們之間距離的平方呈反比。這一效應就有可能被實驗設備探測到。

Andrew Geraci 和他在內華達大學雷諾分校的團隊正在努力尋找這樣的偏離：他們將一個直徑在納米量級的玻璃小球置於激光網路中，然後監控它的運動。類似地，華盛頓大學西雅圖分校的 Eric Adelberger 使用扭稱來測量極弱的作用力。這種裝置早 200 多年前就被發明出來了（如下圖所示）。還有一些其他的研究組試圖在雙原子分子中尋找類似的效應。來自額外維的力會使得原子中電子的能級產生微小的變化，而這種變化可以通過光譜體現出來。

哈佛大學的 ACME（先進冷分子電子電偶極矩）實驗項目也在進行類似的激光物理研究，它想尋找的是超粒子——通過對單個電子的性質進行極其精確的監測，尋找超粒子留下的蛛絲馬跡。這些被「監控」的電子位於一氧化釷分子內，因為這種分子擁有獨特的屬性來幫助研究。

根據標準模型，電子的電荷呈球形分布。然而，當電子與超粒子發生相互作用時，電荷分布也會變形：在某處產生很小的正電荷，然後在對稱的位置出現負電荷。置於電場中時，這個變形的電子會受到扭矩的作用。電場越強，扭矩也越強。而一氧化釷分子中，有個特別電子被暴露在強度為十萬兆伏每厘米的分子內部電場中（強度比實驗室製造的高百萬倍）。這會大大增強變形電子受到的扭矩，使得它有望被激光探測到。

2014 年，ACME 團隊發表論文，闡明他們觀測到的電子屬性與標準模型的預測一致。在他們所能達到的靈敏度範圍內，排除了 LHC 上有可能產生的超粒子與電子之間發生相互作用的可能性。不過，ACME 仍加強馬力，繼續前進。參與該項目的物理學家，耶魯大學的 David DeMille 表示，研究組將在數月內發表下一輪測量的結果，探索 LHC 無法達到的能量區域。

雖然，到目前為止，面對大對撞機無能為力的新現象，「小而美」的方法亦收穫甚微。因此，大部分物理學家準備加倍投註：提議建造更大的對撞機。至於政治家和納稅人會不會簽字買單，讓我們拭目以待。

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