物理學(xué)家提出，我們的宇宙可能只是一個(gè)更大宇宙的一小部分，而這個(gè)更大的宇宙一直在快速膨脹，并不斷涌現(xiàn)出新的宇宙。在這個(gè)多元宇宙的角落里，希格斯玻色子的質(zhì)量足夠低，使得我們所處的宇宙不會(huì)像其他宇宙那樣坍縮。
希格斯玻色子是一種賦予其他基本粒子質(zhì)量的神秘粒子，可能正是這種粒子的存在，才使我們的宇宙免于崩潰。一個(gè)瘋狂的新理論認(rèn)為，希格斯玻色子的特性可能預(yù)示著我們生活在一個(gè)具有平行世界的多元宇宙中。
該理論認(rèn)為，宇宙的不同區(qū)域有著不同的物理定律，表明只有希格斯玻色子很小的世界才能存在。如果這個(gè)新模型是正確的，那它將需要產(chǎn)生新的粒子，并用這些粒子來(lái)解釋為什么強(qiáng)相互作用 —— 已知宇宙中 4 種基本作用力中最強(qiáng)的力，能維持原子核穩(wěn)定，阻止原子坍塌 —— 似乎服從某種對(duì)稱性。在這個(gè)過(guò)程中，新粒子可能還有助于揭示暗物質(zhì)的本質(zhì)。在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是指不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)，科學(xué)家通過(guò)引力效應(yīng)得知，宇宙中可能存在著大量的暗物質(zhì) —— 約占整個(gè)宇宙構(gòu)成的 26.8%。
兩種希格斯玻色子的故事
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是全世界迄今為止最昂貴、最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，其建成的主要任務(wù)之一就是尋找與觀察希格斯玻色子與其他基本粒子。2012 年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)取得了堪稱不朽的成就，這個(gè)位于法國(guó)和瑞士邊界地下的粒子加速器首次探測(cè)到了希格斯玻色子，一種物理學(xué)家們幾十年來(lái)都一直無(wú)法發(fā)現(xiàn)的粒子。希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，能給予其他基本粒子質(zhì)量，并導(dǎo)致了弱核力和電磁力之間的區(qū)別。該粒子以物理學(xué)家彼得?希格斯的名字命名，他與弗朗索瓦?恩格勒因?yàn)椤皝喸恿Ｗ淤|(zhì)量的生成機(jī)制理論，促進(jìn)了人類對(duì)這方面的理解，近來(lái)經(jīng)歐洲核子研究組織屬下大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的超環(huán)面儀器及緊湊 μ 子線圈探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)基本粒子而獲得證實(shí)”共同榮獲 2013 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
然而，隨之而來(lái)的也有一個(gè)壞消息。據(jù)測(cè)量，希格斯玻色子的質(zhì)量約為 125GeV，比物理學(xué)家原先預(yù)計(jì)的要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。更確切地說(shuō)，物理學(xué)家們用來(lái)描述亞原子粒子的框架，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)際上并不能預(yù)測(cè)希格斯玻色子的質(zhì)量。要使這個(gè)理論模型成立，希格斯玻色子的質(zhì)量數(shù)值必須與通過(guò)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)值相同，但經(jīng)過(guò)粗略的計(jì)算，物理學(xué)家們推測(cè)希格斯玻色子應(yīng)該具有更大的質(zhì)量。于是，問(wèn)題就出現(xiàn)了：為什么探測(cè)到的希格斯玻色子質(zhì)量如此之低？
在另一個(gè)原本不相關(guān)的問(wèn)題中，強(qiáng)相互作用的表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的不完全一樣。在物理學(xué)家用來(lái)描述強(qiáng)相互作用的數(shù)學(xué)模型中，存在著一定的對(duì)稱性。例如，電荷的對(duì)稱性（改變相互作用中所有的電荷，它們表現(xiàn)出了同樣的性質(zhì)），時(shí)間的對(duì)稱性（反向進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果也是一樣的），以及宇稱的對(duì)稱性（將相互作用翻轉(zhuǎn)為其鏡像，仍然表現(xiàn)相同）。
在迄今為止進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)相互作用似乎服從了電荷反轉(zhuǎn)和宇稱反轉(zhuǎn)的對(duì)稱性。但強(qiáng)相互作用的數(shù)學(xué)運(yùn)算并沒(méi)有顯示出同樣的對(duì)稱性。沒(méi)有任何已知的自然現(xiàn)象會(huì)加強(qiáng)這種對(duì)稱性，但大自然又似乎遵循著這種對(duì)稱性。這其中到底發(fā)生了什么？
多元宇宙的問(wèn)題
兩位理論物理學(xué)家，法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)（CEA）的拉斐爾?蒂托?達(dá)尼奧洛和歐洲核子研究中心（CERN）的達(dá)尼埃爾?泰雷西認(rèn)為，這兩個(gè)問(wèn)題可能存在關(guān)聯(lián)。在 2022 年 1 月發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上的一篇論文中，他們概述了對(duì)這兩個(gè)難題的解決方案。他們的結(jié)論是：宇宙就是這樣誕生的。
兩位研究者引用了一個(gè)稱為“多元宇宙”的理論，該理論源于宇宙暴脹的理論。在暴脹理論中，宇宙在大爆炸早期經(jīng)歷了一段極度膨脹的時(shí)期，每十億分之一秒體積就翻倍。
物理學(xué)家們并不確定是什么驅(qū)動(dòng)了暴脹過(guò)程，也不知道該過(guò)程是如何開始的，但這一基本觀點(diǎn)衍生了一個(gè)結(jié)論，即我們的宇宙從未停止過(guò)暴脹。相反，所謂的“我們的宇宙”只是一個(gè)更大的宇宙的一小部分，這個(gè)宇宙不斷快速膨脹，不斷冒出新的宇宙，就像浴缸里不斷產(chǎn)生的泡泡一樣。
在這個(gè)“多元宇宙”的不同區(qū)域，會(huì)有不同的希格斯玻色子質(zhì)量值。研究人員發(fā)現(xiàn)，具有較大希格斯粒子質(zhì)量的宇宙在有機(jī)會(huì)成長(zhǎng)之前，就會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的坍塌。在多元宇宙中，只有那些擁有較低希格斯玻色子質(zhì)量的區(qū)域能夠存活下來(lái)，并擁有穩(wěn)定的膨脹率，繼而導(dǎo)致星系、恒星、行星的出現(xiàn)和發(fā)展，并最終造就了人類和探索希格斯玻色子的高能粒子對(duì)撞機(jī)。
為了使一個(gè)具有不同希格斯粒子質(zhì)量的多元宇宙成為可能，研究小組不得不引入另外兩種粒子。這些粒子將成為標(biāo)準(zhǔn)模型的新成員。這兩種新粒子的相互作用決定了希格斯玻色子在多元宇宙中不同區(qū)域的質(zhì)量。此外，這兩種新粒子還具有其他的作用。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的粒子加速器，位于法國(guó)和瑞士邊界的地下，是一個(gè)長(zhǎng)達(dá) 27 公里的環(huán)形建筑。
測(cè)試時(shí)間到了
兩位研究者新提出的粒子改變了強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致了自然界中存在的電荷宇稱對(duì)稱性。它們的行為很像軸子 —— 另一種假想的粒子，用來(lái)解釋強(qiáng)相互作用的本質(zhì)。
新粒子的作用也不局限于早期宇宙。它們可能還存在于今天的宇宙中。如果其中某種粒子的質(zhì)量足夠小，它可能就不會(huì)被加速器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，而是繼續(xù)漂浮在太空中。換句話說(shuō)，這些新粒子中的一種可能會(huì)導(dǎo)致暗物質(zhì)的產(chǎn)生。
從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常大膽的提議，可以解決粒子物理學(xué)中兩個(gè)最大的挑戰(zhàn)，并解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)。但是，解決這些問(wèn)題真的能這么簡(jiǎn)單嗎？盡管這個(gè)理論很優(yōu)雅，但它仍然需要驗(yàn)證。該模型預(yù)測(cè)了暗物質(zhì)具有一定的質(zhì)量范圍，這是未來(lái)尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn) —— 如地下設(shè)施“超低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”（Super Cryogenic dark matter Search）—— 可能會(huì)確定的。此外，該理論還預(yù)測(cè)，中子內(nèi)部的電荷應(yīng)該存在一個(gè)微小的，但潛在可測(cè)量的不對(duì)稱性，這與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)不同。
遺憾的是，我們還得再等一段時(shí)間。每一項(xiàng)測(cè)量都需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時(shí)間，才能有效地排除或支持這一新的觀點(diǎn)。
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