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破解宇宙奥秘的关键数字

常驻编辑 科普中国 2022-08-25 奥秘   宇宙   关键   数字

8月24日报道 英国《新科学家》周刊网站8月9日刊登题为《可能解释宇宙奥秘的费解数字》的文章,内容如下:Zj0拜客生活常识网

人们常能感到好像是最平凡的数字在掌控我们的生活。这些数字告诉你,你上班要迟到了,你要为按揭贷款支付多少利息,你最终还清贷款的时候是多大岁数。Zj0拜客生活常识网

但数字也可能令人兴奋。对我这样一名宇宙学家来说,最奇妙的数字包含的意义远远超出了我们单调的日常生活。有些数字小到难以形容,有些则大到无法理解。让这些数字结合起来的是它们能揭示宇宙运转的奥秘,而最令人兴奋的是它们能揭示今日仍困扰着物理学家的深刻谜题。Zj0拜客生活常识网

10 -120:真空能量如此之小?Zj0拜客生活常识网

要想感受这个数字有多小,想象一下把一个人缩小到质子大小,再以这个比例继续缩小,然后继续缩小,共操作8次,最后得到的微缩人类将是原始大小的10 -120倍。这比普朗克长度小许多数量级,普朗克长度是距离的基本单位,小于这个距离在经典物理学中不再有意义。Zj0拜客生活常识网

在自然界中,规模之间出现指数级大小差别是罕见现象,当这种现象发生时,物理学家们天然就会寻求解释。当然,不存在正常人类大小的10 -120倍的人类,但当我们将观察结果与最好的、经过最充分验证的宇宙理论——量子场理论——进行比较时,这个极小的数字的确会出现。更确切地说,当我们开始考虑真空能量和宇宙膨胀的动力时,这个数字就会出现。这意味着理解这个极小的比例是基础物理学最伟大的未解问题之一。Zj0拜客生活常识网

我们的宇宙在膨胀,遥远星系之间的空间随着时间推移而增大,而且这个过程正在加速。人们普遍认同,这种加速可能是真空蕴含的能量造成的结果,这种能量来自进出真空的虚粒子。虚粒子不是像电子或质子这样可以在实验中观察到的粒子,而是在宇宙中一种想象推拉每个粒子的环境量子场。我们知道这些场的存在就是因为我们在实验中看到了它们的作用,它们也应该给宇宙带来真空能量。Zj0拜客生活常识网

当我们计算有多少真空能量时,问题就开始了。根据我们目前对量子场理论的理解,真空的能量密度应该是巨大的。咖啡杯大小的真空蕴含的能量,应该足够炸毁可观测宇宙中的每颗行星超过万亿级次。但事实并非如此——因此,我们应该心存感激,因为拥有如此之大真空能量的宇宙会被重力弯折摧毁。根据我们利用望远镜测量的宇宙膨胀的温和加速度,真空能量实际上比我们的模型预测的结果少几百个数量级。换句话说,是量子场理论预测数值的10 -120倍。Zj0拜客生活常识网

那么,发生了什么?一个可能的答案是量子场理论出了问题。这不大可能,因为这是所有物理学中经历了最精确测试的理论。Zj0拜客生活常识网

或者,我们可能会想爱因斯坦的引力理论缺少某些东西——毕竟,只有借助引力我们才能感受到真正的真空能量。问题在于,爱因斯坦的理论也非常有力:改变太多可能会释放所有形式的不稳定性和数学灾难。Zj0拜客生活常识网

有物理学家认为,在所有可能的宇宙中,一个对真空能量价值极小的宇宙对于复杂生命的进化是必需的。这种解释需要物理学构思出一个多元宇宙,一个由具有不同的粒子、特性和规律的不同宇宙组成的可穿越的庞大地貌。多元宇宙中至少应该有一个宇宙看起来像我们自己的宇宙。然而,在我们的任何基础理论中,我们仍然没有对多元宇宙的完整描述。Zj0拜客生活常识网

0.0000000000000001:希格斯玻色子这么轻?Zj0拜客生活常识网

与前一个数字相比,这是个巨大的数字。然而对我们来说仍然小得微不足道。如果按这个比例缩小一个人,那这个人会比原子的宽度小100万倍,比质子小10倍。跟第一个数字一样,这个小数字体现了我们实际观察到的情况与我们最好的理论预测之间的比例。这次与希格斯玻色子有关。Zj0拜客生活常识网

2012年7月4日宣布发现这种粒子时,这被称为粒子物理学标准模型至高无上的荣誉,粒子物理学准确描述了宇宙中所有可见物质的微观舞蹈。希格斯玻色子是这副粒子拼图的最后一块,解释了为什么包括希格斯玻色子在内的基本粒子具有质量。但我们知道其中涉及的有些数字是有问题的。事实上,希格斯玻色子本身的质量就有问题。Zj0拜客生活常识网

和所有粒子一样,希格斯玻色子由我前面提到的渗透全部空间的环境量子场推拉。我认为这些场就像围绕粒子的量子流体,粒子永远无法从中逃脱。这种流体长时间拖动希格斯玻色子,增加其惯性,换句话说,增加其质量。当我们计算希格斯玻色子应该有多少质量时,我们发现它应该重几微克,与缨小蜂科的微小黄蜂差不多。现实情况是,经过一次次测量,希格斯玻色子比这个质量轻1000万亿倍。换句话说,它的质量是我们预期的0.0000000000000001倍。

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