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宇宙基本的理论是不含“长度”和“质量”这些概念的吗?

尽管地球上的大象比蚂蚁重很多,一个星系看上去比一个原子大很多,但是一些物理学家开始怀疑,物质的长度和质量的差异不过是一场幻觉。他们认为,描述宇宙最为基本的理论是不含“长度”和“质量”这些概念的。大自然的本质里没有什么长度和质量。

标准模型的麻烦

今天的物理学家一般都认为,基本粒子的质量都来源于希格斯粒子。希格斯粒子是50多年前由英国物理学家彼得·希格斯和他的同事提出的,认为其他基本粒子,例如电子、传递弱相互作用的粒子、夸克等,可以通过与希格斯粒子的相互作用赋予质量。而希格斯粒子是由希格斯场的振荡产生的。最终在2012年,位于日内瓦的大型强子对撞机发现了这个粒子。

不过,物理学家发现,根据标准模型来计算,希格斯粒子与其他粒子相互作用时,自身的质量很容易变得越来越大,同时还反过来使得其他粒子的质量变大。通俗地说,这种量子效应试图使得所有的粒子都变得平等起来,而最终它们将具有同样的质量。

麻烦的事情还不止这些。物理学家还推测,宇宙中存在一个所谓的“普朗克质量”,约为质子质量的1千亿亿倍——10-5克,大约相当于一粒灰尘的质量,这是粒子质量的最大上限(如果再大,引力就会使得粒子变成一个黑洞)。而希格斯粒子与其他粒子的相互作用,就会使得所有粒子逐渐接近普朗克质量。

但事实上,这种事情根本没有发生。相反,大自然中好像有一种未知的原因,阻止了轻量级的标准模型粒子变成具有普朗克质量的粒子。

标准模型面对这个问题无能为力,于是有些科学家就想到,对于那些描述已知粒子及其相互作用的方程,如果把长度和质量想办法去掉的话,会发生什么?

尺度对称的破坏

这种有点疯狂的想法,是基于尺度对称这种原理。尺度对称指的是,一个物体的一些物理量,例如长度、能量等增大或减小后,它的性质仍保持不变。在我们日常生活中大多数事物是不遵守尺度对称的,不过有个很著名的例子是遵守的,它就是分形图像。例如海岸线就是分形的,怎么放大和缩小都具有同样的性质。

一些物理学家认为,大自然的最底层,是不区分尺度的。根据尺度对称,物理学家建立了描述一群无质量的粒子的基本方程,每一个粒子只有少量的特性,即它是粒子还是反粒子,具有正电荷还是负电荷等等。这些粒子由于相互吸引和排斥,会自发地产生类似多米诺骨牌的连锁效应,尺度对称就会被破坏,尺度就会变得有意义起来,而质量就会“长出来”。

事实上,宇宙中99%的质量都是通过这种效应产生的。我们知道,质子和中子是由三个夸克构成的,而把它们束缚在一起的能量形成了很大的束缚质量,这种质量相当于每个单独夸克质量之和的100倍左右。不过,根据前面所说的,有一些质量是通过与希格斯粒子的作用而产生的。而物理学家认为,这不是根本原因。它应该可以由更为基本的原因来解释,那就是尺度对称的破坏。也就是说,物理学家认为所有粒子的质量——包括希格斯粒子——都应该可以由尺度对称的自发性破缺而引起。

这样的理论靠谱吗?

最近,来自意大利比萨大学的物理学家创造了一个“无尺度引力”的理论,这个理论把所有尺度下的物理定律都编织在一幅图景中,这个理论可能是目前有关尺度对称最为完善的理论。在这里,希格斯粒子的质量和普朗克质量是由不同的机制产生的,所以希格斯粒子的质量并不能增长。另外,有意思的是,无尺度引力还可以解释宇宙为什么最初会发生暴胀。根据这一理论,宇宙大爆炸之后,尺度对称的破坏将会造成空间指数级的膨胀,进而引发暴胀。

然而,这个理论却有着一个致命的缺陷:它需要一些幽灵一样的粒子性实体的存在。这种幽灵要么具有负能量,要么具有负概率,这都与量子力学冲突。这些物理学家认为,如果这些幽灵与其他的粒子不发生任何作用的话,那么这个理论才可行。尽管还没完美地修补这个缺陷,不过他们认为这并不是什么难事。

与此同时,其他的研究小组也提出了其他不同的有关尺度对称的理论。那么究竟这样的理论靠谱吗?好在这样的理论都预言了一些标准模型之外的新粒子,也许过不了多久大型强子对撞机就可以检测它们是否存在。

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