希格斯玻色子阻止了宇宙的崩溃?还暗示存在多元宇宙?

希格斯玻色子阻止了宇宙的崩溃?还暗示存在多元宇宙? 2022-02-01 06:31 来源:
大可数学人生工作室 原标题:希格斯玻色子阻止了宇宙的崩溃?还暗示存在多元宇宙? 物理学家提出,我们的宇宙可能只是一个更大宇宙的一小部分,而这个更大的宇宙一直在快速膨胀,并不断涌现出新的宇宙。在这个多元宇宙的角落里,希格斯玻色子的质量足够低,使得我们所处的宇宙不会像其他宇宙那样坍缩。 希格斯玻色子是一种赋予其他基本粒子质量的神秘粒子,可能正是这种粒子的存在,才使我们的宇宙免于崩溃。一个疯狂的新理论认为,希格斯玻色子的特性可能预示着我们生活在一个具有平行世界的多元宇宙中。 该理论认为,宇宙的不同区域有着不同的物理定律,表明只有希格斯玻色子很小的世界才能存在。如果这个新模型是正确的,那它将需要产生新的粒子,并用这些粒子来解释为什么强相互作用——已知宇宙中4种基本作用力中最强的力,能维持原子核稳定,阻止原子坍塌——似乎服从某种对称性。在这个过程中,新粒子可能还有助于揭示暗物质的本质。在宇宙学中,暗物质是指不与电磁力产生作用的物质,科学家通过引力效应得知,宇宙中可能存在着大量的暗物质——约占整个宇宙构成的26.8%。 两种希格斯玻色子的故事 大型强子对撞机(LHC)是全世界迄今为止最昂贵、最复杂的实验设施之一,其建成的主要任务之一就是寻找与观察希格斯玻色子与其他基本粒子。2012年,大型强子对撞机取得了堪称不朽的成就,这个位于法国和瑞士边界地下的粒子加速器首次探测到了希格斯玻色子,一种物理学家们几十年来都一直无法发现的粒子。希格斯玻色子是标准模型的基石,能给予其他基本粒子质量,并导致了弱核力和电磁力之间的区别。该粒子以物理学家彼得·希格斯的名字命名,他与弗朗索瓦·恩格勒因为“亚原子粒子质量的生成机制理论,促进了人类对这方面的理解,近来经欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑μ子线圈探测器所发现基本粒子而获得证实”共同荣获2013年诺贝尔物理学奖。 然而,随之而来的也有一个坏消息。据测量,希格斯玻色子的质量约为125GeV,比物理学家原先预计的要小一个数量级。更确切地说,物理学家们用来描述亚原子粒子的框架,即所谓的标准模型,实际上并不能预测希格斯玻色子的质量。要使这个理论模型成立,希格斯玻色子的质量数值必须与通过实验推导出来的数值相同,但经过粗略的计算,物理学家们推测希格斯玻色子应该具有更大的质量。于是,问题就出现了:为什么探测到的希格斯玻色子质量如此之低? 在另一个原本不相关的问题中,强相互作用的表现与标准模型预测的不完全一样。在物理学家用来描述强相互作用的数学模型中,存在着一定的对称性。例如,电荷的对称性(改变相互作用中所有的电荷,它们表现出了同样的性质),时间的对称性(反向进行反应,结果也是一样的),以及宇称的对称性(将相互作用翻转为其镜像,仍然表现相同)。 在迄今为止进行的所有实验中,强相互作用似乎服从了电荷反转和宇称反转的对称性。但强相互作用的数学运算并没有显示出同样的对称性。没有任何已知的自然现象会加强这种对称性,但大自然又似乎遵循着这种对称性。这其中到底发生了什么? 多元宇宙的问题 两位理论物理学家,法国替代能源和原子能委员会(CEA)的拉斐尔·蒂托·达尼奥洛和欧洲核子研究中心(CERN)的达尼埃尔·泰雷西认为,这两个问题可能存在关联。在2022年1月发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中,他们概述了对这两个难题的解决方案。他们的结论是:宇宙就是这样诞生的。 两位研究者引用了一个称为“多元宇宙”的理论,该理论源于宇宙暴胀的理论。在暴胀理论中,宇宙在大爆炸早期经历了一段极度膨胀的时期,每十亿分之一秒体积就翻倍。 物理学家们并不确定是什么驱动了暴胀过程,也不知道该过程是如何开始的,但这一基本观点衍生了一个结论,即我们的宇宙从未停止过暴胀。相反,所谓的“我们的宇宙”只是一个更大的宇宙的一小部分,这个宇宙不断快速膨胀,不断冒出新的宇宙,就像浴缸里不断产生的泡泡一样。 在这个“多元宇宙”的不同区域,会有不同的希格斯玻色子质量值。研究人员发现,具有较大希格斯粒子质量的宇宙在有机会成长之前,就会发生灾难性的坍塌。在多元宇宙中,只有那些拥有较低希格斯玻色子质量的区域能够存活下来,并拥有稳定的膨胀率,继而导致星系、恒星、行星的出现和发展,并最终造就了人类和探索希格斯玻色子的高能粒子对撞机。 为了使一个具有不同希格斯粒子质量的多元宇宙成为可能,研究小组不得不引入另外两种粒子。这些粒子将成为标准模型的新成员。这两种新粒子的相互作用决定了希格斯玻色子在多元宇宙中不同区域的质量。此外,这两种新粒子还具有其他的作用。 大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器,位于法国和瑞士边界的地下,是一个长达27公里的环形建筑。 测试时间到了 两位研究者新提出的粒子改变了强相互作用,导致了自然界中存在的电荷宇称对称性。它们的行为很像轴子——另一种假想的粒子,用来解释强相互作用的本质。 新粒子的作用也不局限于早期宇宙。它们可能还存在于今天的宇宙中。如果其中某种粒子的质量足够小,它可能就不会被加速器实验发现,而是继续漂浮在太空中。换句话说,这些新粒子中的一种可能会导致暗物质的产生。 从这个角度来说,这是一个非常大胆的提议,可以解决粒子物理学中两个最大的挑战,并解释暗物质的本质。但是,解决这些问题真的能这么简单吗?尽管这个理论很优雅,但它仍然需要验证。该模型预测了暗物质具有一定的质量范围,这是未来寻找暗物质的实验——如地下设施“超低温暗物质搜寻计划”(Super Cryogenic dark matter Search)——可能会确定的。此外,该理论还预测,中子内部的电荷应该存在一个微小的,但潜在可测量的不对称性,这与标准模型的预测不同。 遗憾的是,我们还得再等一段时间。每一项测量都需要数年甚至数十年的时间,才能有效地排除或支持这一新的观点。
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