希格斯玻色子的不能承受之轻困扰着粒子物理学家。理论家提出了几种可能的解释,从额外维度到某些理论中共享粒子的数量,随着我们向越来越高的能量推进,这极大地改变了环境量子流体的特性。他们甚至试图将希格斯玻色子分割成极小的部分——在微观尺度上,不再是与量子场相互作用的希格斯玻色子,而是它们组成粒子,而且能够以截然不同的方式实现相互作用。
10 80:粒子为何如此之多?
第三个数字以任何标准衡量都是个大数字。如果把一个人放大这个倍数,那这个人的大小会是可观测宇宙的百亿倍级。10 80实际上是这个宇宙中存在的普通粒子数量,所以可以想见这个数字会很大。然而,对我这样的物理学家来说,无法解释的是为什么会有这么多粒子。
约5%的宇宙由普通物质构成——组成你我以及我们能看到的所有事物,比如恒星和星系。但宇宙中也有反物质。反物质非常罕见,一般被认为是宇宙中最昂贵的物质,在粒子对撞机中的制造成本相当于每克60多万亿美元。这种奇怪的东西就像镜子里的物质。事实上,如果你想把粒子变成其反粒子,你就必须在空间的各个方向翻转它以及它的电荷。这种假定的转变被称为电荷共轭宇称翻转,将带负电的电子变为带正电的正电子。在粒子物理学的标准模型下,这些“翻转”就是所谓的对称性。
根据这一模型,由于这种对称性,宇宙大爆炸应该会产生同等数量的物质和反物质。但当物质遇到反物质,两者就毁灭了。在这种情况下,它们会相互毁灭,只留下无聊的辐射。但是,正如我们存在的事实所证明的,这种情况并没有发生——而我们不知道原因。
一种解释是,缺少的反物质藏匿在某个地方。但是,如果情况果真如此,我们应该能够发现证据。比如,我们可能会看到反物质遇到物质的地方释放出伽马射线,而我们没有。现实情况是,我们需要一种机制,打破我们的物理学理论中把物质与反物质以完全相同数量联系在一起的对称性。这需要扩大标准模式。
好消息是,可以借助实验探索物质如何支配宇宙的想法,从大型强子对撞机的对撞到引力波观测。一种建议是可以把希格斯玻色子分解成更小的部分。这会让新的粒子打破物质与反物质的对称性,而它们与其他基本粒子的相互作用可以在大型强子对撞机的第三轮运行中探测到。
这些新粒子还可能影响到希格斯玻色子在宇宙早期向其他粒子分发质量的方式。其中的确切细节可能铭刻在古老的引力波背景上,类似于我们看到的宇宙大爆炸留下的微波辐射的宇宙背景。我们希望未来的天基探测器能发现这种引力波背景,比如可能在21世纪30年代发射的激光干涉仪空间天线(LISA)将揭示像我们这样的普通物质是如何以及为何设法避免毁灭的线索。
无穷大:黑洞内部有何玄机?
最大的数字。永无止境的数字。数学中有多个无穷大:计算整数和二次幂的无穷大,也有计算更大集合的更高无穷大,比如0到1之间的实数集。物理学也是如此,无穷大带我们领略知识的极限。
比方说,我们冒险进入黑洞最深处,或者退回到宇宙诞生的时刻,我们就会面对我们所说的“奇点”,这是引力场变得无限强大的区域。在爱因斯坦的广义相对论中,引力被理解为时空的弯曲,行星在扭曲的时空中沿弯曲的路径绕太阳运行,因为这是穿越那里存在的几何结构最有效的方式。在奇点,时空曲率无穷大,爱因斯坦定律再也无法描述正在发生的事情。
要理解这些奇点,我们需要一种解释宇宙方方面面的理论。
在我看来,最令人信服的候选者是弦理论。弦理论认为,自然界的所有粒子都被理解为由被称为弦的微小振动的一维实体构成。与其他竞争理论不同,我们可以借助弦理论进行可靠运算,而且能让无穷大消失。从粒子到弦的转变意味着我们不再需要担心粒子在极微小的距离上相互作用。
这些极小的距离造成的无穷大破坏了我们的方程式,因此现在可以彻底击败它们。我们目前尚不得而知这对黑洞核心或宇宙诞生之时的奇点有何影响。但只要我们搞清楚这个问题,我们就应该能够理解宇宙的诞生。