自然定律或许一点都不自然，我们的宇宙或许毫无道理

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Natalie Wolchover / 文

戴守煌 / 译

宇宙具有自然性吗？或者我们其实住在多重宇宙中某个背离常态的泡泡里？大型强子对撞机近期的实验结果迫使一干物理学家面对后者的挑战。（Giovanni Villadoro绘，Quanta提供）

某个阴暗的四月天午后，一群物理学教授与学生挤在哥伦比亚大学一间木质壁板的演讲厅里，聆听阿卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）的演讲。他是来自附近普林斯顿高等研究院的知名理论物理学家。披着一头及肩深色头发的阿卡 尼-哈米德，所报告的是欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）近期实验得出两个看似彼此矛盾的推论。

「宇宙循序而生，」他宣称：「宇宙毫无道理。」2012年7月，希格斯玻色子（Higgs boson）的发现造成举世轰动。一个存在将近五十年之久、关于基本粒子如何获得质量的理论终于获得证实。质量可使粒子形成大尺度的结构，例如星系或人。「我们在跟预期质量差不多的地方发现了希格斯玻色子，这是实验的胜利，是理论的胜利，也是物理确实有用的明证。」阿卡尼-哈米德告诉听众。

不过，为了合理解释希格斯玻色子的质量（亦可称之为能量），LHC还需要找到一大群其他种类的粒子，可是却连一个也没出现。

由于只找到一种粒子，LHC实验反而加深了一个在物理学上已经酝酿数十年的深奥问题。现代方程式似乎能够描述真实世界到令人叹为观止的精确程度，准确预测许多自然界常数的数值，以及希格斯等粒子的存在。但还是有少数几个常数（包括希格斯质量在内）不是经由上述的可靠定律算出来的，而且一旦数值变动，生命就不会出现，除非宇宙的形成是透过无法解释的精密调整，刚好将过程产生的发散完美消除。

处境岌岌可危的，是名为自然性（naturalness）的概念。爱因斯坦的梦想是，自然定律应该具有天籁般的美妙、秩序与自洽。少了自然性，物理学家将面临「物理定律只是时空随机扰动下杂乱无章的产物」的窘境。

LHC已在2015年重新开始进行质子对撞，为寻找答案进行最后一搏。不过在各种研究论文、演讲与采访中，阿卡尼-哈米德及许多顶尖物理学家已经开始正视宇宙没有自然性的可能。（但是学界对如何证明这件事还有相当大的歧见。）

「10或20年前，我是自然性的坚定信仰者。」高等研究院理论物理学家赛伯格（Nathan Seiberg）说。爱因斯坦从1933年到1955年过世为止一直在这里任教。「现在我倒不那么确定了。我希望还有些地方是我们没想到的，例如某些能够解释这些现象的机制。可是我不知道那是什么。」物理学家推测，如果宇宙缺乏自然性，也就是说基本物理常数落在容许生命形成的大小范围里机率微乎其微，那么就得先存在为数众多的宇宙，才有可能出现我们这个极其希罕的个案。不然我们怎么可能运气这么好呢？非自然性（unnaturalness）大大提高了多重宇宙假说的可信度。这个假说认为我们的宇宙只是一片无穷无尽且无法测知的泡沫里的一颗小泡泡。知名但评价两极的弦论（string theory）认为，多重宇宙中可能冒出的宇宙泡泡种类高达10⁵⁰⁰种。其中有几个泡泡可能出现巧合的抵消，产生我们所观察到的怪异常数值。

在这个模型中，宇宙的一切并非都是循序而生的，这使得宇宙变得不可预测。高等研究院的弦论学家威腾（Edward Witten）在电子邮件中说：「如果多重宇宙阐释是错的，我个人将会感到开心，部分出于它可能会限制我们理解物理定律的能力。可惜宇宙在创生时并没有征询过我们的意见。」

曾经协助发展多重宇宙理论的加州大学柏克莱分校物理学家布索（Raphael Bousso）说：「有些人痛恨它，不过我不认为我们可以感情用事。在LHC的实验结果无法证实自然性的情况下，这是一种日渐受到支持的逻辑可能性。」

不论LHC在下一轮的运转中有没有发现什么，都将对下列这两种可能性之一提供进一步的支持：我们住在一个独一无二但复杂程度却超乎我们理解的宇宙，或者住在多重宇宙中某个背离常态的泡泡里。「在从现在开始的五到十年后，LHC会让我们变得更睿智，」赛伯格说：「这一点令人振奋，而且指日可待。」

巧合的宇宙

爱因斯坦曾经写道，对于科学家而言「自然定律的和谐所带来的那种欣喜若狂的惊异感，有如宗教感受一般。」而且「这种感受是科学家生活与工作的指导原则。」的确，在整个二十世纪期间，「自然定律是和谐的」这种根深蒂固的概念（也就是对「自然性」的信念）确实成为发现真理的可靠指引。「『自然性』有过辉煌的纪录，」阿卡尼-哈米德在访谈中说。从实际的观点来看，它要求物理常数直接来自于物理定律，而非由罕见的巧合相消产生。每当一个常数看起来是经过精密调整产生（也就是初始值貌似被精心设定过，以便抵消其他效应带来的变化），物理学家便怀疑他们的模型不够周全。他们会去寻找遗落的部分，最终总是会发现某些粒子或特性设定了该常数的数值，避免精密调整相消的情形。

这一次，宇宙自我疗癒的能力似乎失效了。希格斯玻色子的质量是126GeV【译注：eV为电子伏特，giga eV缩写为GeV，相当于10⁹eV】，但它与其他已知粒子的交互作用会额外产生10,000,000,000,000,000,000GeV的质量。这意味希格斯粒子的裸质量（bare mass，亦即受到其他粒子影响前的质量）必须刚好等于上述天文数字的负值，才会在近乎完美的相消之后产生我们测得的希格斯质量：126GeV。

物理学家已经透过三个世代的粒子加速器来寻找某种新粒子，超对称（supersymmetry）理论预测了这些新粒子的存在。这些粒子所减少的希格斯玻色子质量刚好跟其他已知粒子所增加的一样。但是至今物理学家仍一无所获。

升级后的LHC在下一轮的运转中，将探索更高能量尺度，但就算真的发现新粒子，几乎可以确定它们因为过重而无法对希格斯粒子质量产生正确的效应。希格斯粒子可能还是比该有的质量轻了10到100倍。对于具有自然性的单一宇宙中这个结果是否可被接受，物理学家的意见不一。哈佛大学教授兰朵（Lisa Randall）说：「也许碰巧会发生一点点的精密调整。」不过阿卡尼-哈米德的看法则是：「些微精密调整就像些微怀孕一样，是不存在的现象。」

如果新粒子没有出现，希格斯粒子质量依然得经过天文数字般的精密调整，那么多重宇宙假说就会粉墨登场。「这并不表示它一定是正确的，」身为多重宇宙模型长期支持者的布索说：「这意味它是我们仅有的选择。」

41岁的高等研究院物理学家阿卡尼-哈米德在哥伦比亚大学的演讲中说：「宇宙毫无道理。」（Natalie Wolchover 摄 /《 西蒙斯科学新闻》 提供）

少数几位物理学家则相信第三种看法，包括美国伊利诺州巴达维亚费米国家加速器实验室的利肯（Joe Lykken）、意大利比萨大学的史楚米亚（Alessandro Strumia）等。他们认为物理学家或许错估了其他粒子对希格斯质量的效应，一旦采用不同的计算方法，就会得到正确的质量。可惜如果加入未知的暗物质之类的额外粒子，这种修正自然性（modified naturalness）便会站不住脚；不过这种非正规方法也有可能激蕩出其他构想。「我不想大力鼓吹，只想讨论结果。」史楚米亚于2013年5月在布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的一场演讲中提到。

2013年布鲁克海文论坛：石溪大学博士后研究员柯尔廷（David Curtin，图左）与意大利国家核子物理研究所（National Institute for Nuclear Physics）的史楚米亚正在讨论后者的「修正自然性」构想。此一构想质疑希格斯玻色子质量自然值在计算上的长久假设。（Thomas Lin 摄/《 西蒙斯科学新闻》提供）

然而，修正自然性并不能解决物理学里更大的自然性问题——宇宙在大霹雳（big bang）之后为什么没有立刻被自身能量演灭？

宇宙常数的两难

真空中内建的能量（称为真空能量、暗能量或宇宙常数）大小只有计算所得自然值的一兆兆兆兆兆兆兆兆兆兆分之一。这令人难以理解，虽然这个自然值会带来自我毁灭的效果。目前没有任何理论能够解决这个巨大的差异。不过宇宙常数必须获得巨大的精密调整，宇宙才能避免快速爆炸或坍缩；它也得经过精密调整，生命才有机会存在。这点是无庸置疑的。

为了解释这种荒唐的好运，多重宇宙构想过去几十年来在宇宙学的领域里日渐成为主流。1987年时，诺贝尔物理奖得主温伯格（Steven Weinberg，现为德州大学奥斯汀分校教授）算出，我们的宇宙常数会在多重宇宙模型中出现，使得多重宇宙的可信度大幅提高。在容许生命出现的宇宙（也就是可供生命观测与研究的宇宙）中，我们的宇宙属于精密调整程度最轻微的一群。「如果宇宙常数比观测结果大上许多，比方说10倍好了，就不会有星系了。」塔夫斯大学（Tufts University）宇宙学家兼多重宇宙论者维兰金（Alexander Vilenkin）解释道：「很难想像生命在这种宇宙中怎么生存。」

针对宇宙常数问题，大多数粒子物理学家希望能找到一种可供验证的解释。可惜并没有。物理学家说，希格斯粒子的非自然性更凸显了宇宙常数的非自然性。阿卡尼-哈米德认为两者甚至可能彼此相关。他说：「我们并不了解宇宙中这种不可思议的现象。这个问题很重要，而且意涵深远。」

2000年时，布索与波钦斯基（Joe Polchinski，加州大学圣塔巴巴拉分校理论物理教授）发现一种产生平行多重宇宙的方法，多重宇宙自此不再是个口说无凭的论点。弦论是一种假想性的「万有理论」（theory of everything），它将各种粒子解释为各种不可见的极微小的弦，并且认为时空有10维。在人类所及的尺度上，我们只感受得到三维空间与一维时间。不过弦论学家说，在四维真实时空结构的每一点上，都有额外的六维紧密缠扎着。布索与波钦斯基算出，这额外的六维总共有大约10⁵⁰⁰种不同的缠扎方式，各自带有不同的能量，因此可以产生为数庞大的不同宇宙。换句话说，自然性并不是必须的；而且没有独特、必然、完美的单一宇宙。

「对我来说，这其实是『啊哈』 的一刻。」布索说。可是这篇论文却引起众怒。「粒子物理学家，特别是弦论学家，都抱着一种梦想，认为所有自然界常数的值都能被独一无二地预测出来。」布索解释：「所有东西应该都要由数学啊、 π啊、2啊等等得出。然后我们出现了，告诉大家『瞧，这是不可能发生的，而且有个很好的理由。我们大家的想法都错了。』」

多重宇宙里的生命

在布索—波钦斯基的模型里，大霹雳是一种扰动。真实时空某一点上的六维緻密缠扎突然产生形变，释出能量导致生成时空泡泡。这个新宇宙的特性是由随机扰动释出的能量所决定。绝大多数这么冒出来的宇宙带有过高的能量密度；它们扩张或坍缩过快，以致于生命来不及形成。但是在某些背离常态的宇宙中，极为罕见的相消导致极为微小的宇宙常数，遂产生了我们这样的宇宙。

在多重宇宙模型中，为数浩瀚性质各异的宇宙泡泡会在更大的真空中不断产生。只有一小部份的宇宙具有容许生命产生的特性。

在2013年4月上传到物理预印本论文网站arXiv.org的一篇论文里，布索与柏克莱的同事霍尔（Lawrence Hall）指出，希格斯粒子质量在多重宇宙模型中也能合理解释。他们发现具有足够可见物质（相较于暗物质而言）可以支持生命的宇宙泡泡，几乎都有超过LHC能量范围的超对称粒子，以及一个精密调整过的希格斯玻色子。1997年时，也有其他物理学家指出，如果希格斯粒子的质量变成五倍，除了氢以外的原子的形成将受到抑制，换句话说，将导致毫无生命的宇宙。

虽然有这些看似成功的解释，许多物理学家担心，採用多重宇宙世界观的好处其实并不多。我们无法验证平行宇宙，更糟的是，非自然的宇宙还令人无法了解。「没有自然性，我们将失去寻找新物理的动机。」高等研究院的物理学家布鲁姆（Kfir Blum）说：「我们知道它是存在的，但是没有严谨的论点说服我们为什么要寻找它。」这种感伤获得广大的回响——「我比较想要具有自然性的的宇宙。」兰朵说。

理论是依着物理学家而生的。花了超过十年时间设法适应多重宇宙之后，阿卡尼-哈米德如今终于认为它合理，而且是一个理解我们世界运作的可行之道。「就我来说，美妙的地方在于，任何LHC的实验结果都会化为程度不一的动力，驱使我们从这些岔路中择一而行。」他说：「这种选择非常、非常重要。」

自然性或许终将度过难关。又或许这只是多重宇宙中某个奇怪又舒适的角落里一个不切实际的愿望。

就像阿卡尼-哈米德告诉哥伦比亚大学的听众一样：「请继续看下去。」

作者简介：渥秋华（Natalie Wolchover）是Quanta的物理科学类专职撰稿人。她是塔夫斯大学（Tufts University）物理学学士，曾于加州大学柏克莱分校攻读研究生，并为多本杂志撰稿。