王清扬 | 后标准模型时代（四）

历史部分的最后一节主要聊一聊标准模型建立之后粒子物理领域都在做什么。虽然标准模型大致成功地描述了至今人们发现的所有基本粒子，但这并不是说标准模型就没有问题，种种看上去不合理的事情暗示着在标准模型的背后还有新物理没有被找到。同时，随着天文观测的进步，宇宙学的研究也在快速发展，其中的很多事情都需要依靠粒子物理的理论和方法去解释。本节将会分为以下几个部分：①粒子物理标准模型的疑难；②相互作用的大统一；③粒子物理与宇宙起源。

本节是纯科普，但还是需要读者有一些基础知识，比如标准模型的历史、概念以及其中的基本粒子，如果读者对这些东西不熟悉的话，建议在阅读本节之前阅读1.3节。

1.3 强相互作用与弱相互作用zhuanlan.zhihu.com

本节会用到基本概念先列在这里，方便读者查阅：

量子场论：描述基本粒子的性质及相互作用的理论框架，它把粒子的波函数理解为弥漫在时空中的场，认为所有物质都是各种各样的场。也就是说，场比粒子更基本，真空是场的能量最低的基态，而粒子是场的更高能量的激发态。（详见1.2节）
相互作用与耦合常数：量子场论中把三个以上的场相乘在一起表示对应粒子的相互作用。相乘的系数被称为耦合常数，它的大小表示相互作用的强弱。人们目前已发现四种基本相互作用，从强到弱分别为：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力。（详见1.3节）
量子色动力学QCD：描述夸克、胶子间强相互作用的量子场论。
电弱统一理论：描述粒子间弱相互作用及电磁相互作用的量子场论。
粒子物理的标准模型：一个把电弱统一理论和QCD结合在一起的量子场论，它基于SU(3)×SU(2)×U(1)对称性。标准模型几乎可以描述至今人类发现的所有61种基本粒子，包括36种夸克、12种轻子、12种规范玻色子以及一个希格斯粒子。（详见1.3节）
广义相对论：一个描述引力的理论，把引力解释为时空弯曲的几何效应。用物理学家惠勒的话来说就是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。

一、标准模型的疑难

从历史上看，人们对微观世界的探索基本是按照从低能量到高能量的顺序进行的。在上世纪初人们研究原子物理时，涉及到的能量标度（简称能标）大约是在eV至KeV（=

eV）的数量级，比如原子发出的可见光的能量为3-5 eV，X射线的门槛大约在10 KeV。这个能标范围的物理现象基本上可以被量子力学描述。到30年代，劳伦斯发明了回旋加速器（就是高中物理书上的那个），把实验的能标提高到MeV（=

eV）数量级，人们开始进入核物理时代。此时量子力学就不怎么够用了，量子场论初步形成。50年代前后，强聚焦原理的提出和同步加速器的发明使得实验的能标达到了GeV（=

eV）数量级，最轻的强子的质量就在这个能标。因此50年代各种强子陆续在实验中产生，微观物理的研究进入了强子时代。强子物理的实验探究直接导致了弱作用下宇称不守恒的发现和夸克模型的提出及验证，推动了粒子物理标准模型理论的建立。70年代之后，粒子物理实验的方法逐渐由加速打靶实验转向加速对撞实验，对撞机的发明使得人们可以更有效地利用加速器的能量，从而在实验中产生更重的粒子。此后人们利用对撞机陆续发现了

夸克、

轻子、胶子、W Z玻色子以及希格斯粒子，检验并完善了粒子物理的标准模型。

目前世界上能量最高的粒子对撞机是欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC），它耗资80亿美元，加速器周长达27公里，质心系能量高达14 TeV，哪怕是有效的能量也达到了1个TeV以上（=

eV）。LHC上的各种实验表明，在TeV以下的能标基本没有发现违反标准模型的现象，可见这是一个非常成功的理论。那为什么还说标准模型存在疑难呢？主要是因为它的很多东西不自然，包括中微子质量问题、规范等级问题、强CP问题等。同时，QCD的非微扰计算也是个问题。当然，标准模型也有其他明显的疑难，比如不包括引力、暗物质、暗能量，不能解释宇宙的起源等，这些问题我们留在后面两部分讨论，这一部分先专注于前几个问题。

先来说中微子质量问题。中微子有3种（当然，考虑到它们的反粒子就是6种）：电子中微子

、

子中微子

、

子中微子

，人们分别在1956年、1962年、2000年探测到它们。

和

发现得比较早，人们在上个世纪对它们的质量进行了许多实验测量，但一直没有测到它们的质量，因此标准模型就自然而然地认为中微子质量为0。直到2001年超级神冈实验组发现来自太阳的中微子存在中微子振荡现象，也就是说三种中微子之间会互相转化。然而，只有质量不为0的粒子才会主动转化为其他粒子。因此这一实验结果直接表明中微子实际上存在微小的质量，这推翻了人们之前的猜想，获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

对标准模型而言，中微子存在质量其实并不是什么太大的问题，只要在标准模型拉氏量中写入它们的质量项并引入混合矩阵就行了。真正的问题在于为什么中微子质量这么小，只有eV数量级，它比电子轻大约100万倍，比最重的标准模型粒子

夸克轻上千亿倍。这看上去很不自然，因为大家都是基本粒子，凭什么我们都是胖子而你是瘦子？为了解释中微子质量为什么这么小，人们提出了许多理论模型，其中最有名的是所谓的跷跷板机制。这一模型认为在更高能的理论中存在质量极大的重粒子，它通过一个质量矩阵与中微子相联系，使得中微子的质量与这个重粒子的质量成反比。这样一来当这个重粒子的质量取到

GeV的数量级时，就可以计算得到中微子的质量只有eV数量级，由此解决中微子的质量疑难。不过这只是一种猜想，目前没有任何实验证据。更多关于中微子质量的内容可以参考格里菲斯《粒子物理导论》第11章，杜东生、杨茂志《粒子物理导论》第10章，以及一篇科普文^[1]。

再来说规范等级问题，它和希格斯粒子有关。在标准模型的框架内，希格斯粒子理论上的质量和标准模型中的大多数粒子相关，它们会对希格斯粒子的质量提供修正，而这个修正项正比于标准模型截断能标的平方（一个理论能够适用的上限能标称为截断能标）。因此，如果我们认为标准模型能够一直适用到普朗克能标（

GeV），那么标准模型中的粒子就会对希格斯粒子的质量提供极大的修正。尤其是

夸克和W Z玻色子，它们会对希格斯粒子的质量提供高达

GeV的修正！然而实验中测量到的希格斯粒子的质量只有125 GeV。也就是说，如果认为标准模型在普朗克能标依然成立，那么计算希格斯粒子的质量将会发现它是许多个

量级的数相加减，最终这些大数几乎完全抵消得到一个125 GeV的数值。这是一件很不自然的事，就好比你在领工资的时候看到工资条上写着你10000元的工资是由1000000000000元的奖金和999999990000元的罚金相抵消得到的，这时你肯定会觉得老板的脑袋有问题……在粒子物理中，标准模型就是这个老板，希格斯粒子的质量就是你的工资，这就是我们认为标准模型有问题的原因。规范等级问题目前有许多尚未被实验验证的解决方案，比如复合希格斯模型和接下来会提到的超对称模型等，有一篇科普文对它们进行了概括^[2]。

现在讨论强CP问题。首先要说明这里的CP不是指炒CP那个CP，物理中的CP是一种对称性，或者说是两种对称性的复合。其中P就是上一节中提到的宇称，它表示物理系统的空间反演变换不变性，C被称为电荷共轭对称性，表示正反粒子的变换不变性，CP就是它们的复合对称性。上一节中说过，弱作用下宇称P是不守恒的，实际上弱作用的CP也在一定程度上不守恒，也就是说弱作用的拉氏量中有破坏这两种对称性的项。相比之下，强相互作用不论是P还是CP都是守恒的。这就很奇怪，因为强相互作用的拉氏量中是允许存在CP破坏项的。允许存在却没有存在，这就显得很不自然，因此这也被当作标准模型的疑难之一。强CP问题有一个很好的解决方案——Peccei-Quinn模型，然而这一模型需要引入了一个被称为轴子的新粒子，目前它还没有被实验找到。有趣的是，轴子的一些特性使得它可以被当作暗物质的候选者，因此天体物理的一些观测也可以对轴子的性质做出限制。更多关于强CP问题和轴子的内容可以参考杜东生、杨茂志《粒子物理导论》第9.12节，以及一篇科普文^[3]。

最后聊一聊QCD非微扰计算的问题。这个问题其实不是说标准模型的理论有问题，而是说某些情况下我们无法使用微扰方法（量子场论中最成熟的一种计算方法）去计算强相互作用中的某些过程。为什么不能这样计算呢？读过上一节的读者应该还记得我们说过强相互作用具有一种叫做渐近自由的性质，也就是说强相互作用的耦合常数与能量成反比（耦合常数表示相互作用的强度）。在高能量时，强相互作用比较弱，耦合常数远小于1，可以用微扰方法来把计算的内容按耦合常数展开成一个级数，级数的第n阶基本上正比于耦合常数的n次方。由于耦合常数远小于1，它的高次方就可以忽略不计，也就是说我们只需要计算级数的前两三阶就可以得到一个很精确的计算结果（1.2节提到的QED的那个小数点后十位都与实验符合的计算结果就是用这种微扰方法计算的）。然而在低能量时，强相互作用的耦合常数会大于1，这样一来级数越靠后的项就会越大，我们即使算一百阶也不可能得到正确的计算结果。因此在低能量时微扰方法失效，我们需要用非微扰的方法去研究低能的QCD。一种比较有效的非微扰方法是格点规范理论，在这一理论中时空被离散为格点，把QCD中的粒子放在格点及格点间的连线上，就可以使用超级计算机来对低能强相互作用进行计算。相关的内容可以参考一篇科普文^[4]。

以上的种种疑难表明标准模型大概率不是微观世界的终极理论，它的适用范围不可能一直向上延伸到普朗克能标，也就是说标准模型很有可能是某个更高能的理论在低能时的近似。接下来我们就要谈一谈人们对更高能的理论的探索，这些理论会非常深刻也相当魔幻……

二、相互作用的大统一

物理学的发展过程其实就是一个追求统一的过程。17世纪的牛顿力学把天上和地下的规律统一起来，19世纪的电磁学统一了电现象、磁现象和光现象，统计力学又将宏观与微观的规律统一。到了20世纪，相对论统一了时间、空间和引力，量子场论统一了物质波和粒子，电弱理论又将电磁相互作用和弱作用统一。于是人们自然会想，一个更高能的理论是否应当将强、电、弱三种相互作用统一？甚至再大胆一些，是否可以通过统一强、电、弱、引四种相互作用来找到我们这个宇宙的终极理论？这个想法听起来就很令人兴奋，小小的人类发展近代科学不过几百年，就已经可以探讨宇宙的终极奥秘，不由得让我们感叹人类的伟大。废话不多说，一起来听故事吧。

标准模型基于SU(3)×SU(2)×U(1)对称性，涉及到三个对称群，因此在它的框架内强、电、弱三种相互作用分别要用三个耦合常数去描述它们的强弱。而所谓的大统一理论，其实就是说这个理论模型的对称性比标准模型的SU(3)×SU(2)×U(1)对称性更高，这种更高的对称性可以把所有相互作用以同一个耦合常数去描述，因此它有望实现标准模型所没有实现的强、电、弱三种相互作用的大统一。一般来说，大统一理论的高对称性只会在极高能标时体现出来（从前面的图1可以看到大统一能标比LHC要高一万亿倍）。如果能标没有达到它的要求，大统一理论的高对称性就会自发破缺到标准模型的低对称性，也就是说大统一理论在低能标时可以退化到标准模型。目前有许多大统一模型，它们基于不同的对称性，各种大统一模型都会在高能标的情况下预言许多标准模型中不存在的粒子和现象。虽然这些粒子和现象目前并没有被人们的实验探测到，但这并不是说这些大统一模型都是错的，也有可能是它们预言的现象都在极高能标才会发生，超过了目前实验所能达到的能标。

1973年8月，帕蒂和萨拉姆的论文第一次总结了SU(3)×SU(2)×U(1)的标准模型。仅仅过了半年，格奥尔基和格拉肖就在 Phys.Rev.Lett 发表论文，宣布构建了第一个用于统一强、电、弱三种相互作用的大统一模型——SU(5)模型。顾名思义，这个模型基于SU(5)对称性，比标准模型的对称性更高。SU(5)模型中引入了许多大质量的新粒子，然而它们都远超出了目前实验能够检验的范围。但SU(5)模型也预言了一个人们目前能够检验的现象——质子衰变。在标准模型中质子是不允许衰变的，但SU(5)模型允许质子衰变，不过它预言质子的平均寿命在

年，比宇宙的年龄都要长得多。如此之长的时间只能通过大量质子的统计实验来进行检验。目前这项实验由位于日本的超级神冈探测器进行，然而它运行几十年来未发现任何质子衰变的事例，由此可以推算出质子的寿命至少在

年，比SU(5)模型的预言至少长一万倍。因此，SU(5)大统一模型已经被实验证伪。不过，SU(5)模型仅仅是众多大统一模型中的一员，其他的比如SO(10)模型、SO(18)模型也预言了质子衰变，但它们之中质子的寿命比SU(5)模型长得多，因此它们尚未被实验杀死。更多关于大统一理论内容可以参考杜东生、杨茂志《粒子物理导论》第11.1节，以及一篇科普文^[5]。

在大统一理论刚刚兴起之时，另一个重要的思想也在逐渐形成，它被称作超对称。超对称是一种关于费米子与玻色子之间的对称性的猜想，它认为一个理论中每存在一个费米子都要对应存在一个玻色子，反之亦然。超对称的引入可以解决许多理论上的疑难问题。首先，它可以解决前面提到的规范等级问题。在超对称理论中费米子与玻色子的数量严格相等，它们对希格斯粒子质量的修正可以完全抵消，使得希格斯粒子拥有一个自然的质量。第二，超对称可以实现强电弱三种相互作用的完全统一。前述的SU(5)之类的大统一模型实际上只能做到将这三种相互作用用一个单群来描述，做不到在高能标时将三种相互作用的耦合常数汇聚到一点。但引入超对称后，这件事情就可以实现，见图4。第三，超对称的引入可以延长大统一理论预言的质子寿命，为我们没有探测到质子衰变提供了一种解释。第四，将超对称理论定域化后可以得到一套描述引力的超引力理论，为引力的量子化提供思路。超对称这个猜想虽然很诱人，但目前最高能的LHC实验并没有探测到超对称粒子，这说明最轻的超对称粒子的质量也要高于TeV数量级，需要下一代对撞机去检验。更多关于超对称的内容可以参考杜东生、杨茂志《粒子物理导论》第11.2节，以及一篇科普文^[6]。

以上介绍的都是关于强电弱三种相互作用的大统一理论，已经足够复杂。然而理论物理学家们的野心远不止于此，他们要把引力也与其他三种相互作用统一起来，构建一个能够描述宇宙中所有物质所有相互作用的终极理论。目前，引力被爱因斯坦的广义相对论所描述，这是一套非常简洁、漂亮且成熟的理论，经历了无数次的实验检验。不过，为了把引力与其他三种相互作用统一起来，人们必须要将这一理论量子化，也就是说建立引力的量子场论。然而，这件事是非常困难的，如果我们直接将量子化其他三种相互作用的方法应用于引力场，得到的量子引力理论将会有不可消除的发散，无法用它来计算任何东西。同时在实验方面，由于广义相对论的引力场方程是个张量场方程，所以人们知道它的激发态——引力子应该是个自旋2的粒子，但是目前的对撞机实验并没有探测到这样的粒子。因此，可以看到量子引力的探索步履维艰。

就在大家对量子引力一筹莫展之际，一个标新立异的想法开始流行起来——有没有可能引力无法被量子化是因为用于描述微观物质的“点粒子量子场”模型不适用于引力？更进一步，有没有可能“点粒子”只是微观物质的一种近似的模型，而在极小的普朗克尺度上（

米）物质不再能被视为点粒子？也许你会感到迷惑，物质不是粒子还能是什么呢？理论物理学家给出了这样一种猜想——在普朗克尺度上的物质可能是……弦。这个古怪的猜想起源于1968年，意大利的韦内齐亚诺偶然发现了一个可以描述强子间散射振幅对偶性的函数，很快南部阳一郎等人证明这个函数实际上描述的是相对论性的弦。这是一个很新奇的东西，以前从未有人讨论过弦的量子理论，于是抱着试试看的想法，人们开始对弦进行研究。70年代初，一套较为完整的弦理论被建立起来。人们惊奇地发现，将弦量子化之后，理论中会出现自旋2的引力子！且这种量子引力理论不会遇到发散问题！由此弦理论开始受到人们的重视。

不过早期的弦理论有很多问题：（1）它存在超光速的快子；（2）相对论协变性要求这个理论在26维时空中才能成立；（3）最重要的，这个理论只包含玻色子，没有费米子。这些疑难使得弦理论看上去只是一个丑陋的数学模型，似乎与我们的世界无关。然而，事情很快峰回路转，70年代末80年代初施瓦茨、格林等人将前文中提到的超对称引入了弦理论，使其升级成为所谓的超弦理论。弦理论与超对称结合以后立刻发生了翻天覆地的变化：（1）引入超对称后可以将快子从理论中消除；（2）超弦理论中时空的维数降到了10维，其中有6维蜷缩成为所谓的卡拉比-丘空间（这个空间尺度极小以至于我们没有感受到它的存在），剩下的3+1维正是我们熟悉的四维时空！（3）超对称是一种玻色子与费米子的对称性，它使得弦理论不再只是玻色子的理论，也可以去描述费米子，因此超弦理论可能可以作为统一强、电、弱、引四种相互作用的超大统一理论！这些研究进展使得弦论从一个丑小鸭成长为了人人为之倾倒的白天鹅，直接导致了1984年第一次弦论革命的爆发。

图5 弦论与高维时空。一根晾衣绳，远看是一条一维的线，近看就会发现它是一个二维的圆柱面，再近看就会看到它的表面有起伏，即它的第三维。超弦理论认为时空是9+1维的，除去3+1维常规的时空，剩下6维蜷缩成为一个极小的卡拉比-丘空间，我们只有深入到普朗克尺度才能感受到这些额外维度的存在。

1984年之后，超弦理论的研究渐入佳境，人们逐渐发现有5种不同的超弦理论可以自洽地存在。这使得大家感到困惑，因为我们的宇宙只有一个，怎么可以被5种不同的理论描述呢？随着对偶性的研究逐渐深入，人们开始认识到这5种超弦理论之间可能存在某些联系。最终的突破来自于伟大的威腾，他于1995年证明，当我们把超弦理论的时空维数由10维提升为11维时，就可以看到5种不同的超弦理论实际上是一个更基本的理论的不同侧面！而且这个更基本的理论甚至可以把之前提到的超引力理论也纳入它的框架内！也就是说，威腾可能找到了我们梦寐以求的终极理论！这一理论最终被命名为M理论。威腾的包括M理论在内的一系列工作引发了第二次弦论革命，大量理论物理学家涌入了这一领域，因此很快弦论又迎来了许多新的突破。其中最重要的是1997年马达西纳提出的AdS/CFT对偶（也叫全息原理）。这项研究找到了引力理论与量子场论之间的深刻联系，后来被广泛应用于宇宙学、低能QCD甚至超导理论的研究中，目前已成为理论物理领域有史以来被引量最高的研究工作。

然而，我们不能只看到弦论光鲜亮丽的一面。作为一个终极理论的候选者，它的难度超出所有人的想象，许多基本问题至今没有得到解决。而且，弦论涉及的是普朗克能标的物理，这个能标是目前以及可预见的将来人类的实验装置所无法达到的，因此很难通过实验来对弦论的研究给予某些启示。出于以上的原因，近些年来越来越多的弦论学家离开了这一领域，把注意力转向引力理论、宇宙学以及全息原理的应用当中。总之，大统一的尝试陷入了瓶颈期，不知何时才能再出现一个爱因斯坦或者威腾这样的天才，来带领物理学走出困境。弦论的历史回顾到此结束，更多关于弦论、高维时空、全息原理的探讨可见一本科普书《宇宙的琴弦》，以及两篇科普文^[7]^[8]。读到这里我猜大家应该也看累了，可以先点个收藏然后歇歇眼睛，能点个关注点个赞就更好啦╰(￣ω￣ｏ)，休憩过后我们把目光投向广袤的宇宙，看看小小的基本粒子如何主导宇宙的演化。

三、粒子物理与宇宙起源

四方上下曰宇，往古来今曰宙。宇宙是所有时空、物质的总和，它就像是一个舞台，物质作为演员在舞台上来来往往，演绎出这世间的缤纷景象。在20世纪以前，人们认为宇宙在大尺度上是静态的。也就是说，宇宙这个舞台是固定不变的，它没有起点也没有终点，永远保持它当下的样子。对物质来说，宇宙只是一个平直时空的背景，它不会和宇宙有任何相互影响。然而，这种朴素的宇宙观于1915年被爱因斯坦的广义相对论宣告过时。广义相对论将引力解释为弯曲时空的几何效应，第一次论证了物质和时空的相互影响，简单来说就是：物质的存在会使时空弯曲，而弯曲的时空又会影响物质的运动。这样一来，宇宙就必然会在其内部物质的影响下逐渐演化。也就是说，宇宙从始至终都是动态的，静态的宇宙模型是不稳定的。然而，在广义相对论刚刚提出的年代，人们还无法相信宇宙是动态演化的，就连爱因斯坦本人也认为宇宙应当是静态的。为了保持宇宙的静态，爱因斯坦还将一个叫做“宇宙学常数”的东西写进了他的引力场方程，这个东西可以为宇宙提供斥力，从而抵消引力对宇宙的影响。

第一个意识到宇宙在动态演化的人是弗里德曼，他于1922年发现从不含宇宙学常数的引力场方程出发可以求解出一个膨胀的宇宙。在反复确认后，弗里德曼立刻撰写论文并投寄给了一个著名期刊。可惜的是，这篇论文的审稿人正是爱因斯坦，他反对弗里德曼的膨胀宇宙模型，因此弗里德曼的研究在当时没有受到大家的重视。1927年，比利时的一位神父勒梅特也求解得到了膨胀的宇宙模型（没想到吧，神父也可以研究宇宙……），这使得大家开始怀疑爱因斯坦的静态宇宙模型的正确性。真正一锤定音的是1929年天文观测发现的哈勃定律，这一观测结果表明绝大多数河外星系都在离我们远去，且星系的退行速度与其离我们的距离成正比，由此可见宇宙确实在膨胀。最终，爱因斯坦放弃了他的静态宇宙模型，弗里德曼模型成为主流。

现在让我们看一下弗里德曼宇宙模型的内容。这个模型基于宇宙在大尺度下均匀各向同性的观测事实，认为宇宙根据其内部物质的多少，可以形成三种不同的几何形状。物质较多的情况下形成闭宇宙，物质较少的情况下形成开宇宙，临界情况则形成平宇宙（观测表明我们的宇宙是平宇宙）。闭宇宙的几何形状是某个四维球的三维超球面，这等同于认为宇宙是有限而无边界的。开宇宙的几何形状是三维马鞍面，平宇宙是三维超平面，这两种情况下宇宙是无限的。根据宇宙的几何可以推导出引力场方程

的左半部分。方程的右边的

表示物质的能动张量，可以将宇宙中的物质在大尺度上近似为理想流体，从而把方程右边写为理想流体的能动张量。总之经过一番复杂的操作可以推导出描述宇宙学动力学的弗里德曼方程：

它描述的是宇宙的尺度

如何随时间变化。方程的解如图6(b)所示，可以看到根据宇宙几何形状的不同，方程存在三种宇宙解。这三种解都表明宇宙存在一个时间的起点，这意味着弗里德曼模型预言宇宙不是无始无终的，而是有一个创生的时刻！还可以看到宇宙在诞生初期尺度极小，后来才慢慢膨胀为我们现在的宇宙。

基于广义相对论的弗里德曼模型让人们意识到宇宙应当有一个开端，但这个开端具体是什么样子？弗里德曼模型回答不了。考虑到早期宇宙的尺度极小，粒子间相互作用频繁，因此粒子物理有望描绘早期宇宙的景象。最早对宇宙开端进行讨论的人是神父勒梅特，他提出了宇宙起源于爆炸的思想，不过他仅仅使用热力学对这个问题进行了探讨，没有深入下去。将爆炸思想发扬光大的是苏联物理学家伽莫夫，他将弗里德曼模型与粒子物理相结合，于1948年发表了宇宙的大爆炸模型。伽莫夫认为早期宇宙有一个极热的开端，这一时期宇宙快速膨胀，宇宙的温度/能标随膨胀降低，各种粒子在宇宙降温过程中形成。伽莫夫的大爆炸模型给出了两个理论预言：（1）宇宙中氦元素的丰度应当为25%，这被后来的观测所证实。（2）大爆炸的末尾应当有大量退耦的光子产生，它们按黑体辐射谱分布，充斥整个宇宙，被称为宇宙微波背景辐射（CMB）。这项预言于1964年被实验观测证实，测量到的辐射谱正是理论预言的黑体谱。由此大爆炸模型获得了广泛的认可，“大爆炸”一词也成为了一种流行文化符号。

大爆炸理论使得人们开始了解到宇宙诞生一秒后发生的事情，是一个相当成功的理论。然而，大爆炸理论中也有许多无法解释的疑难，比如①宇宙的物质分布为何如此均匀？②观测表明我们的宇宙是前述三种情况中的平宇宙，为什么刚好是这种临界的情况？③宇宙中正粒子为什么比反粒子多？④宇宙创生时刻的奇点如何避免？前两个疑难可以被古斯、林德等人于上世纪80年代提出的暴胀理论所解决，后两个疑难至今没有特别好的解释。暴胀理论是粒子物理应用于宇宙学的又一杰作，它认为宇宙在刚诞生

秒时处于大统一能标，而在大统一理论中存在某种自旋0的量子场，它推动宇宙发生了指数膨胀——在

秒内尺度膨胀了

倍！如此短时间的急剧膨胀抹平了宇宙的一切不均匀性和不平坦性，由此前两个疑难迎刃而解。除此之外，暴胀理论也可以为宇宙大尺度结构的起源提供解释。

暴胀理论也有几个核心预言：（1）宇宙学密度参数

=1，这已经被1999年的实验观测证实。（2）CMB上存在温度涨落，这也被近些年来的卫星观测实验所精确验证。（3）暴胀期间会有原初引力波产生，这种引力波会在CMB上留下微小的痕迹，不过目前人们尚未探测到这些痕迹。总之，在观测上，许多观测证据使得人们相信宇宙的暴胀过程真的发生过，但还缺少原初引力波这及其重要的最后一环。在理论上，暴胀理论只是一个框架，具体的暴胀过程依赖于驱动暴胀的粒子物理模型（简称暴胀模型）。目前人们已构造出无数的暴胀模型，未来的原初引力波探测实验可以帮助我们分辨这些模型的正确性。更多关于暴胀理论的内容可以参考龚云贵《宇宙学基本原理》第5章，斑比《粒子宇宙学导论》第6章，以及一篇科普文^[9]。

在宇宙学领域还有两个重要的未解之谜，其中一个是暗物质，它和粒子物理有着密切的联系。暗物质的发现可以追溯到上世纪70年代星系旋转曲线的测量，观测结果表明星系中存在大量不可见的物质，它们的丰度达到了可见物质的5倍！后来的CMB的测量也确认了这种不可见的暗物质的存在。根据暗物质的不可见性，可以确定它们不参与电磁相互作用和强相互作用，参与引力，可能参与弱相互作用。经过几十年的研究，人们在理论上构建出了许多种满足以上特性的暗物质的候选者，比如弱作用大质量粒子WIMPs、轴子、超对称粒子、超大质量稳定粒子、暴胀期间产生的原初黑洞等，不过这些东西目前都没有被人们探测到。我今后几年的博士生涯大概也要和暗物质理论打交道了，希望在不久的将来人们可以搞清楚暗物质的本质吧……

宇宙学领域另一个重要的未解之谜是暗能量问题。由图6(b)可以看到，弗里德曼模型或大爆炸理论预言宇宙的膨胀速度是在慢慢减缓的，即宇宙膨胀的加速度为负。然而，1998年的超新星观测实验表明，实际上宇宙膨胀的加速度为正！也就是说宇宙的膨胀速度越来越快！这说明可能有一种负压强物质在推动宇宙的加速膨胀，这种物质被称为暗能量。CMB的观测表明，暗能量占宇宙中物质总数的70%，暗物质占25%，普通物质只占5%，可见暗能量正在主导现阶段宇宙的演化。目前人们对暗能量的本质一无所知，一些理论模型只能唯象地描述暗能量，不能对它的起源提供合理的解释。更多关于暗物质、暗能量的内容可以参考斑比《粒子宇宙学导论》第9、11章，帕金斯《粒子天体物理》第7章，杨炳麟《暗物质及相关宇宙学》上篇，以及几篇科普文^[10]^[11]^[12]。

宇宙学的回顾到此结束。篇幅所限，很多有意思的内容我都没有写（其实是因为我不懂orz），比如正反物质不对称性、高维时空的膜宇宙理论等，以后把这些内容搞懂之后再给大家介绍吧。另外，给不爱看公式的读者推荐一本宇宙学入门书——《今日天文：星系世界和宇宙的一生》，本节提到的内容在这本书上基本都有。最后，作为一个刚刚踏入粒子宇宙学大门的博士生，在此我想引用屈原的一句诗作为本节的结尾：路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！

本节内容的概念要点总结如下：

能标：能量标度，用于形容系统能量的典型数量级。比如核聚变能标在MeV，强子能标在GeV，LHC能标在TeV，大统一能标在
TeV。
大统一理论：可以统一强、电、弱三种相互作用的量子场论，采用比标准模型更大的规范对称性，使三种相互作用可以用同一个耦合常数来描述。尚没有实验证据。
超对称：一种假设的费米子与玻色子之间的对称性，可以用来解决规范等级问题、大统一理论耦合常数跑动问题、玻色弦理论的疑难，也可以提供暗物质的候选者。尚没有实验证据。
弦论：弦的量子理论，认为物质的本质是高维时空中的弦。它可以作为量子引力理论，与超对称结合后有望统一强、电、弱、引四种相互作用。尚没有实验证据。
大爆炸宇宙模型：一种结合了弗里德曼模型与粒子物理的宇宙模型，认为宇宙有一个极小极热的早期，各种粒子在热大爆炸中形成，大爆炸后时空继续膨胀形成我们今天所看到的宇宙。已被天文观测精确验证。
宇宙微波背景辐射CMB：大爆炸的末尾形成的大量退耦光子充斥了整个宇宙，它们遗留至今天成为了宇宙的背景辐射。
暴胀理论：一种用于解释大爆炸模型各项疑难的理论，认为宇宙在诞生的极早期经历了一场剧烈的指数膨胀，这使得我们今天的宇宙如此均匀、平直。它也可以为CMB上的扰动以及宇宙大尺度结构的起源提供解释。尚未完全被实验证实。
暗物质/暗能量：与标准模型中的粒子毫不相同的两种物质，总数占据了宇宙中物质总数的95%。其中暗物质是一种不参与强、电相互作用，但参与引力的物质。暗能量是一种负压物质，可以推动宇宙加速膨胀。目前有大量的观测证据表明它们存在，但人们对它们的本质一无所知。

以下是文中提到的科普文，感兴趣的同学可以去这些期刊的官网下载来看。

参考

^何红建：揭秘中微子振荡与质量起源，科学通报，2015，60(36)：3515-3520.
^舒菁：质量起源和自然性问题，科学通报，2018，63(24)：2518-2524.
^毕效军、高宇、杨峤立、张新民：轴子——粒子物理和宇宙学的新前沿，现代物理知识，2020，2：47-51.
^刘川：格点量子色动力学简介，现代物理知识，2015，27(1)：26-31.
^李田军：大统一理论和质子衰变，科学通报，2018，63(24)：2474-2483.
^吕宏：超引力的理论基础和背景，科技导报，2020，38(6)：134-140.
^李田军、刘玉孝、吕宏、卢建新：额外维存在性的理论探讨，科学通报，2018，63(24)：2499-2508.
^蔡荣根：黑洞热力学、引力的全息性及时空呈展性，现代物理知识，2013，25(4)：13-18.
^黄庆国、朴云松：宇宙如何起源？科学通报，2018，63(24)：2509-2517.
^毕效军、范一中、岳骞、周宇峰：什么是暗物质？科学通报，2018，63(24)：2413-2421.
^李田军：暗物质的理论研究，现代物理知识，2018，2：33-38.
^赵公博：暗能量和加速膨胀的宇宙，科学通报，2018，63(24)：2422-2428.

本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。