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标准模型的危机:物理学家重新思考自然本质

尽管标准模型被认为是有史以来最成功的物理学理论之一,但近年来越来越多的迹象暗示标准模型存在危机。事实上,标准模型从诞生起就并不完美,甚至不是一个自洽的理论。它是“不自然”的,特别是关于希格斯玻色子质量引发的“等级问题”,至今没有根本性的回答。有一个简单便捷的理论可以解释这些问题,即超对称理论,但在实验方面,最强大的对撞机至今并未找到任何超对称粒子。这迫使许多物理学家重新思考该模型的本质,或许从最基础层面,还原论思想并不能解决问题,即使这种思想在过去数百年内一直引领物理学的发展。现在,很多物理学家为解决“自然性”问题找到了一种不同能标的“混合”模式,打破了原有的还原论形式。

 

撰文 | 娜塔莉·沃尔奇佛(Natalie Wolchover)

翻译 | 刘航

 

近三十年来,科学家们一直在徒劳地寻找新的基本粒子,来解释我们所观察到的自然。当物理学家面对搜寻新粒子的失败,他们不得不重新思考一个长期存在的假设:大的东西是由小的东西组成的。

 

Emily Buder/Quanta Magazine;Kristina Armitage and Rui Braz for Quanta Magazine

 

在科学哲学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)的经典著作《科学革命的结构》中,库恩观察到,科学家们有时花很长时间来迈出一小步。他们提出难题,并在一个固定的世界观或理论框架内综合所有数据来解决这个难题,库恩将其称之为范式(Paradigm)。然而,或早或晚,与主流范式发生冲突的事实会突然出现。危机随之而来。科学家们绞尽脑汁,重新审视他们的假设,并最终做出革命性的转变,转向新的范式,即对自然的有根本不同且更真实的理解。然后重新开始科学的稳步进展。

 

多年来,研究自然界最基本组成的粒子物理学家一直处于这种教科书式的库恩危机中。

 

这场危机在2016年变得不可否认。尽管当时进行了重大升级,日内瓦的大型强子对撞机(LHC)仍然没有“召唤”出任何新的基本粒子——理论家已期待几十年了。额外的粒子群将主要解决一个关于已知粒子——著名的希格斯玻色子——的难题。这个难题被称为等级问题(Hierarchy problem), “为什么希格斯玻色子如此轻巧”——比自然界中存在的最高能量尺度小1017倍。相比于那些更高的能量,希格斯粒子的质量似乎小得不太自然,就好像决定其值的基本方程中的巨大数字都被奇迹般地抵消了。

 

额外的粒子可以解释为什么希格斯粒子的质量如此微小(相对于普朗克尺度),恢复物理学家的方程中所谓的“自然性”(Naturalness)。在大型强子对撞机成为第三个、也是最大的对撞机后,物理学家却依然没有寻找到它们。这似乎表明,我们目前关于自然界的理论中,究竟什么是自然的逻辑本身可能是错误的。“我们有必要重新考虑几十年来一直用于解决物理世界中最基本问题的指导原则。”欧洲核子研究中心(CERN)理论部负责人吉安·朱迪切(Gian Giudice)在2017年如是说。

 

起初,粒子物理学界对此感到绝望。“可以感受到一种悲观情绪。”加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的粒子理论家伊莎贝尔·加西亚·加西亚 (Isabel Garcia Garcia) 说,她当时还是一名研究生。事实是,不仅价值 100 亿美元的质子对撞机未能回答一个 40 年前的问题,就连长期以来指导粒子物理学的信念和策略也不再牢不可破。人们比以前更强烈地想知道,我们生活的宇宙是否真的是不自然的,只是精细调节后数学抵消的产物。其实可能存在多元宇宙,所有的宇宙都有随机调整的希格斯质量和另外一些参数;我们发现自己生活在这里,只是因为我们宇宙的独特属性促进了原子、恒星和行星的形成,进而促成生命的诞生。这种“人择理论”(Anthropic argumen)虽然可能是正确的,但令人沮丧的是,它不可验证。

 

加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家纳撒尼尔·克雷格 (Nathaniel Craig) 说,许多粒子物理学家转而研究其他领域,“其他领域的难题还没有等级问题那么棘手。”

纳撒尼尔·克雷格(Nathaniel Craig)和伊莎贝尔·加西亚·加西亚(Isabel Garcia Garcia)探讨了引力如何帮助调和自然界中截然不同的能量尺度。丨图片来源:Jeff Liang

 

一些物理学家准备仔细研究几十年前的假设。他们开始重新思考自然中那些不自然的显著特征,它们似乎都经过了不自然的精细调节,譬如希格斯玻色子的小质量,以及一个看似无关的事实——空间本身不自然的低能量。“真正根本的问题是自然性的问题。”加西亚说。

 

他们的反思工作正在结出硕果。研究人员越来越关注自然性的传统推理中的弱点。它建立在一个看似温和的假设之上,自古希腊以来就被认为是科学的观点:大的东西由更小、更基本的东西组成——这种想法被称为还原论(Reductionism)。普林斯顿高等研究院的理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说:“还原论范式与自然性问题密切相关。”

 

现在,越来越多的粒子物理学家认为,自然性问题及大型强子对撞机的零结果可能与还原论的失效有关。“这会改变游戏规则吗?” 阿卡尼-哈米德问。在最近的一系列论文中,研究人员将还原论抛诸脑后。他们正在探索不同尺度上可能协同的新方法,从而得出那些从还原论的角度看不自然地精细调节的参数值。

 

“有些人称之为危机。这有一种悲观的氛围,但我不这么认为,”加西亚说,“我觉得,现在正是做一些深刻事情的时候。”

 

什么是自然性?

 

2012年,大型强子对撞机(LHC)终于得出最重要的发现——希格斯玻色子,它是已有50年历史的粒子物理学标准模型(Standard Model, SM)的方程组的基石,该模型描述了17个已知的基本粒子。

 

希格斯粒子的发现,证实了标准模型方程中描述的一个引人入胜的故事。大爆炸(Big Bang)之后的片刻,整个空间中一种名为希格斯场的实体突然充满了能量。高能的希格斯场中充满了希格斯玻色子,基本粒子们由希格斯场的能量而获得质量。当电子、夸克和其他粒子在空间中移动时,它们会与希格斯玻色子相互作用,并以这种方式获得质量。

 

1975 年,标准模型完成,其建立者几乎立即注意到了一个问题[1]

 

当希格斯粒子给予其他粒子质量时,其他粒子的质量会反过来影响希格斯粒子的质量;所有粒子一起相互作用。物理学家可以为希格斯玻色子的质量写一个方程,其中包括了与它有相互作用的每个粒子的作用。所有已发现的有质量的标准模型粒子都对方程有贡献,但方程中原则上还应包含其他的贡献。希格斯粒子应该与数学上更重的粒子混合(有相互作用),直至包括普朗克尺度的现象,即达到与引力、黑洞和大爆炸的量子性质相关的能级。普朗克尺度的唯象学原则上会为希格斯质量贡献数量级巨大的项——大约是实际希格斯质量的1017倍。自然我们会期望希格斯玻色子和它们差不多重,从而使其他基本粒子的质量增大。而这样会因为粒子太重而无法形成原子,宇宙将空无一物。

 

为了解释希格斯粒子为什么依赖如此高的能量却能如此之轻,必须假设普朗克尺度对其质量的一部分贡献是负的,而另一部分是正的,并且两者都被精细调节到恰到好处以完全抵消。这似乎非常荒谬,除非有某种原因——就像为了使铅笔的笔尖保持平衡,要让气流和桌子振动相互抵消一样。物理学家认为,这种精细调节而相互抵消是“不自然”的。

 

在之后几年,物理学家找到了一个巧妙的解决方案——超对称,一种假设自然界基本粒子加倍的理论。超对称理论中,每个玻色子(自旋为整数)都有一个超对称伴子费米子(自旋为半整数),反之亦然。玻色子和费米子分别对希格斯质量贡献正项和负项。因此,如果二者总是成对出现,那么它们总是会相互抵消。

 

从1990年代起,大型正负电子对撞机(Large Electron-Positron Collider)就开始寻找超对称伴子。研究人员假设这些粒子只比它们的标准模型伙伴重一点点,需要更多的对撞能量来实现,所以他们将粒子加速到接近光速,撞碎,然后在碎片中寻找重的伴子们。

等级问题:希格斯玻色子为其他基本粒子赋予质量,它们反过来也影响希格斯粒子的质量。在普朗克尺度(与量子引力相关的高能尺度)下的超大质量粒子,应该会使希格斯玻色子的质量膨胀,并使其他一切物质的质量膨胀。但事实并非如此。

问题:希格斯玻色子的质量比普朗克尺度小几千亿倍。可能的解决方法1:普朗克尺度效应被截断了,因为更完整的希格斯玻色子理论在更高能量有效。可能的解决方法2:希格斯标度和普朗克标度通过一组复杂的推拉效应联系起来。丨图片来源:Merrill Sherman for Quanta Magazine
 

真空,即使没有物质,似乎也应该充满能量——所有量子场的涨落贯穿其中。当粒子物理学家将对空间能量的所有可能贡献加和时,他们发现,与希格斯质量一样,来自普朗克尺度唯象学的能量的注入会使其质量爆掉(质量是无穷大)。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)证明了被他称为宇宙学常数(Cosmological constant)的空间能量具有引力排斥效应。它使空间膨胀得越来越快。如果空间中注入了普朗克尺度的能量密度,宇宙就会在大爆炸后瞬间撕裂。但这并没有发生。

 

相反,宇宙学家观察到空间的膨胀只是在缓慢加速,这表明宇宙学常数很小。1998年的测量结果表明,其值的1/4次方比普朗克能量低 1030倍。这次,宇宙学常数方程中的所有巨大能量的输入和输出似乎又都完美地抵消了,留下异常平静的真空。

 

“引力……混合了所有长度尺度的物理——短距,长距。因为它这样的特性,给我们遇到的难题找到了出路。”——纳撒尼尔·克雷格(Nathaniel Craig)

 

这两个主要的自然性问题在1970年代末就已经很明显了,但这几十年来,物理学家认为是无关的。阿卡尼-哈米德(Arkani-Hamed)说:“在那个阶段人们对此很狂热。”宇宙学常数问题似乎与引力的神秘量子性暗含关系,因为空间的能量只能通过引力效应来探测。哈米德表示,等级问题看起来更像是一个“脏兮兮的小细节问题”,这类问题,就像过去的其他难题一样,最终会揭示出理论中一些缺失的部分。对于希格斯玻色子如此之轻,朱迪切称其是“希格斯玻色子症”,并不是大型强子对撞机里的几个超对称粒子所能治愈的。

 

事后看来,这两个关于自然性的问题更像是同一个更深层次问题的不同表现。

 

“想想这些问题是如何产生的,这很有用,”加西亚今年冬天在接受来自圣巴巴拉的Zoom电话采访时说。“等级问题和宇宙学常数问题的出现,部分是因为我们试图回答问题的工具——我们理解宇宙特征的方式。”

 

还原论的精确预言
 

物理学家以他们的方式诚实地计算了希格斯质量和宇宙学常数。计算方法反映了自然世界奇特的套娃结构。

 

放大一个物体,你会发现它实际上是由许多更小的东西组成。离我们遥远的星系,其实是数量巨大的恒星的集合;而每颗恒星又是由许多原子构成;每个原子进一步又可以分解为亚原子级的层次结构。此外,当放大到更短的距离尺度时,你会看到更重、更高能的基本粒子和现象——高能和短距之间的深刻联系,解释了为什么高能粒子对撞机就像宇宙中的显微镜。高能量和短距离之间的联系在整个物理学中有许多体现。例如,量子力学说粒子即是波;粒子质量越大,其相关波长越短。另一种观点认为,能量必须更密集地聚在一起才能形成更小的物体。物理学家将低能量、长距离的物理称为“红外”(IR),将高能量、短距离的物理称为“紫外”(UV),这是用光的红外波段(IR)和紫外波段(UV)进行了类比。

 

上世纪六七十年代,粒子物理学巨擘肯尼斯·威尔逊(Kenneth Wilson)和史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)指出了自然的能级结构的绝妙之处: 如果我们只对宏观的红外能标上发生的事情感兴趣,那么我们不必知道在更微观的、紫外能标下“真正”发生了什么。例如,你可以用一个流体动力学方程来模拟水,把水视为一种理想流体,而忽略水分子的复杂动力学。流体动力学方程包括一项表征水的粘度的项——一个可以在红外能标下测量的量,它包含了所有水分子在紫外能标下的相互作用。物理学家说,红外和紫外能标是相互“退耦”(decouple)的,这让他们可以有效地描述世界,而不必研究最深层的情况,终极紫外能标——普朗克能标,对应于10-35米,或1019GeV的能量。在如此精细的时空结构中可能蕴藏着另一翻景象。

美国凝聚态和粒子物理学家肯尼斯·威尔逊(Kenneth Wilson),从20世纪60年代到21世纪初一直很活跃,他开发了一种数学方法(格点量子场论),用来描述一个系统的性质如何随测量尺度的变化而变化。丨图片来源:康奈尔大学教员档案#47-10-3394,康奈尔大学图书馆珍惜资源和手稿收藏部。

 

瑞士洛桑联邦理工学院的理论物理学家里卡多·拉塔齐(Riccardo Rattazzi)说:“我们仍然可以进行物理学研究,因为我们不必知道短距内会发生了什么。”

 

如同套娃世界的不同层次,粒子物理学家是怎么模拟的呢?威尔逊和温伯格分别独立发展出了其框架:有效场论(Effective field theory,EFT)。在有效场论的语境下,自然性问题出现了。

 

有效场论可以在一定的能标范围内模拟一个系统。以一束质子和中子流为例,放大质子和中子,它们看起来还是质子和中子;在这个范围内,可以用“手征有效场论”(Chiral EFT)来描述它们的动力学。但若进一步放大,有效场论将达到它的“紫外截断”,即在短距离、高能标范围内,手征有效场论将不再是系统的有效描述。比如,在1GeV的截断点,手征有效场论就失效了,因为质子和中子的行为不再像单个粒子,而是像三个夸克。而另一种不同的理论开始生效。

 

需要注意的是,有效场论在它的紫外截断处失效是有原因的。截断是指,在这里必须找到新的、更高能量的粒子或唯象学,而这些新的粒子或现象并不包含在原有的有效场论中。那怎么解决这个问题呢?
 

在其适用的能量区域,科学家利用有效场论将高于截断的紫外物理的未知效应吸收到“修正”项中。这就像流体方程有一个粘性项来捕捉短距离分子碰撞的净效应。不需要知道截断处真正的物理,物理学家们也能写出这些修正; 他们只是用临界值来估计影响的大小。

 

通常情况下,在红外能标处,当你对感兴趣的量进行计算时,紫外修正是很小的,与截断相关的长度尺度(相对较小)成正比。然而,当你使用有效场论来计算希格斯玻色子质量或宇宙学常数等具有质量或能量单位的参数时,情况就不同了。这些参数的紫外修正很大,因为(要有正确的量纲)修正是与能量成正比的,而不是与截断对应的长度成正比的。所以尽管长度很小,但能量很高。这样的参数被称为“紫外敏感的”(UV-sensitive)。

 

有效场论是一种能确定其理论必须在哪里截断(即新物理出现的能标)的策略。自然性的概念与有效场论本身一起出现在1970年代。其逻辑是这样的:如果一个质量或能量参数有一个高截断点,那么它的值自然就应该很大,被所有的紫外修正推得更高。因此,如果参数较小,则截断能量应该较低。

 

一些评论家认为自然性只是一种审美偏好。但也有人指出,这一策略揭示了大自然隐藏的真相。“这种逻辑是可行的。”克雷格说。他是最近重新思考这种逻辑的领军人物。自然性问题“一直以来似一个路标,提示我们哪里有图景的变化和新物理的出现。”

 

自然性的辉煌

 

1974年,也就是“自然性”一词出现的几年前,玛丽·K·盖拉德(Mary K. Gaillard)和本杰明·李(Benjamin Whisoh Lee)利用该策略惊人地预测出一种当时假设存在的粒子——粲夸克(charm quark)的质量[2]。克雷格说:“她的成功预测及其与等级问题的相关性,在我们的研究领域被严重低估了。”

 

1974年的那个夏天,盖拉德和李正对两个K介子(正反夸克构成的复合粒子)的质量差的大小感到困惑。质量差的测量值很小。但当他们试图用有效场论的方程计算这个质量差时,他们发现它的值有溢出的风险。因为K介子的质量差有质量单位,所以它对紫外敏感,得到来自截断处未知物理的高能修正。这个理论的截断值并不为人所知,但当时的物理学家认为它不可能很高,否则由此产生的K介子质量差与修正值相比会显得出奇地小——正如现在的物理学家所说,这是不自然的。盖拉德和李推断出了其在有效场论的截断能标比较低,在这个能标处,新物理应该就会显露出来。他们推断,当时新晋提出的一种被称为粲夸克的粒子,其质量应该不超过1.5 GeV。

 

三个月后,粲夸克就被实验发现了,重达1.2 GeV。这一发现引发了一场被称为“十一月革命”的认识复兴,并迅速导致了标准模型的完成。在最近的一次视频通话中,现年82岁的盖拉德回忆说,消息传出时她正在欧洲访问CERN。李给她发了一封电报:发现粲夸克了。

1974年,玛丽·k·盖拉德(Mary K. Gaillard)和本·李(Ben Lee)利用自然性论证预测了一种被称为粲夸克的假设基本粒子的质量。粲夸克几个月后即被发现。(上图摄于20世纪90年代)丨图片来源:AIP Emilio Segrè Visual Archives

 

如此的胜利使许多物理学家确信,等级问题预言的新粒子也应该不会比标准模型重太多。如果标准模型的截断点高达接近普朗克能标(如果真是这样,科学家肯定知道标准模型失败了,因为没有考虑量子引力),那么对希格斯质量的紫外修正将是巨大的——如此之轻的希格斯质量自然就是不自然的。如果截断点在希格斯玻色子质量之上不远,将使希格斯粒子的质量与来自截断点的修正差不多,这时一切看起来就很自然。“截断点的选择是过去 40 年来试图解决等级问题的工作的起点。”加西亚说, “大家提出了很棒的想法,比如超对称、[希格斯的]复合性等我们在自然界中还没有观测到的一些可能性。”

 

2016年,加西亚在牛津大学攻读粒子物理学博士几年后,她清楚地意识到,清算是必要的。“我那时开始对缺失部分更感兴趣,我们在讨论这些问题时通常不包含这一部分,也就是引力——认识到量子引力的内容,远比我们从有效场论中所能得知的要丰富得多。”

 

引力将一切混合

 

1980年代,理论学家了解到引力不符合通常的还原论规则。如果你用力将两个粒子狠狠地撞击在一起,能量会在碰撞点处聚集,甚至可以形成黑洞——引力极大以至于任何东西都无法逃脱的区域。如果将粒子更猛烈地撞击在一起,它们会形成一个更大的黑洞。能量更多反而不会让你看到更短的距离;相互撞击越用力,产生的不可见区域就越大——与还原论矛盾。黑洞和描述其内部的量子引力理论完全推翻了高能和短距之间的通常关系。“引力是反还原论的。”纽约大学物理学家谢尔盖·杜博夫斯基(Sergei Dubovsky)说。

 

量子引力似乎在与自然的架构开玩笑,“使用有效场论的物理学家已经习惯了简洁巧妙的嵌套式能标系统,而量子引力把这套东西“嘲弄”了一番。克雷格和加西亚一样,在大型强子对撞机的搜索一无所获后不久就开始思考引力的影响。在尝试用各种新的方法去解决等级问题时,克雷格重读了 CERN 的理论物理学家朱迪切2008年关于自然性的一篇文章。朱迪切文中写到,宇宙学常数问题的解决方案可能涉及“红外和紫外效应之间的一些复杂的相互作用”,克雷格开始仔细思考其含义。如果红外和紫外具有复杂的相互作用,那将违背通常的退耦性,而红外和紫外的退耦是使有效场论起作用的基础。“我在谷歌上搜索了‘紫外-红外混合’一类的关键词。”克雷格说,这让他找到了1999年的一些有趣的论文,“然后我开始思考这个方向。”

 

通过打破有效场论的还原论体系,紫外红外混合可能会解决自然性的问题。在有效场论中,像希格斯质量和宇宙学常数等量是紫外敏感的,但因为某些原因它们并没有爆掉,就好像所有紫外物理之间达成共谋——所有的紫外效应都抵消了,这时自然性问题就出现了。“在有效场论的逻辑中,我们放弃了这种可能性。”克雷格解释道。还原论告诉我们,红外物理学也是源于紫外物理学的——水的粘度来自其分子动力学,质子的属性来源于它内部夸克,而当你放大能标,诠释就会显现出来——而不是相反。但是,紫外不受红外的影响或解释,“因此(紫外效应)对希格斯粒子的影响,不能从非常不同的能级处推理得到。”

 

克雷格现在提出的问题是:“有效场论的逻辑会失效吗?” 也许诠释真的可以在紫外和红外之间双向流动。“这并不完全是无稽之谈,因为我们知道引力可以做到这一点。”他说,“引力不满足正常的有效场论的推理,因为它混合了所有长度尺度的物理——短距,长距。因为这样的特性,给我们遇到的难题找到了出路。”

 

紫外-红外混合如何保护自然性

 

几项关于紫外-红外混合的新研究,以及它如何解决自然性问题可追溯到1999年发表的两篇论文。“人们对于这些更奇特的、非有效场论的解决方法越来越感兴趣。”帕特里克·德雷伯(Patrick Draper)表示,他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授,他最近的工作[3]继续完成了1999年的那篇论文未完成的部分。

 

德雷伯和他的同事对CKN约束进行了研究(以 1999 年论文的作者 Andrew Cohen、David B. Kaplan 和 Ann Nelson 的名字命名)。作者考虑这样一种模型:将众多粒子放入一个盒子并加热盒子,粒子的能量不断增加直到盒子坍缩成黑洞。他们计算出,在盒子塌陷之前,可以放入盒子中的高能粒子态的数量与盒子表面积的四分之三次方成正比,而不是一般认为的盒子体积成比例。他们认为这表征了一种奇特的紫外-红外关系。盒子的大小设定了红外尺度,这严重限制了盒内高能粒子态的数量——紫外尺度。

 

接着他们意识到,如果这种约束也适用于我们整个宇宙,就能解决宇宙学常数的问题。在这种情况下,可观测宇宙就像一个非常大的盒子。它所能包含的高能粒子态的数量与可观测宇宙的表面积的四分之三次方成正比,而不是大得多的整个宇宙的体积。

 

这意味着通常的宇宙学常数的有效场论计算太天真了。有效场论的计算告诉我们,当你放大空间结构时,高能现象应该会出现,而这应该会使空间的能量爆掉。但CKN约束暗示可能存在远比有效场论计算中假设的要少得多的高能运动——这意味着粒子可以占据的高能粒子态很少。科恩(Cohen)、卡普兰(Kaplan)和尼尔森(Nelson)做了一个简单的计算,结果表明,对于我们宇宙这样尺寸的盒子,他们的约束可以解释观测到的宇宙学常数的微小值。

 

他们的计算表明,大尺度和小尺度可能以某种方式相互关联,当你观察整个宇宙的红外特性时,比如宇宙学常数,这种关联就会变得很明显。

 

德雷伯和尼基塔·布林诺夫(Nikita Blinov)在去年的另一个粗略计算中证实,CKN约束成功估算了观测到的宇宙学常数;他们还表明,这种方法不会破坏有效场论在较低能级的实验中取得的许多成功。

 

CKN约束并没有告诉我们为什么紫外和红外是相互关联的——即,为什么盒子的尺寸(红外)严重限制了盒子中高能粒子态的数量(紫外)。要知道为什么,我们可能需要了解量子引力。

 

还有一些研究人员在量子引力的另一个特定理论——弦论——中寻找答案。去年夏天,弦论学家史蒂文·阿贝尔(Steven Abel)和基思·迪内斯(Keith Dienes)展示了弦论中的紫外-红外混合如何解决等级问题和宇宙学常数问题。

 

作为引力和其他基本理论的候选者,弦论认为所有的粒子都是开或着闭合的振动的弦。光子和电子等标准模型粒子是基本弦的低能振动模式。但弦也可以更有力地振动,产生更高能量的无限的弦态能谱。在这种情况下,等级问题关心的是,如果没有超对称来保护,为什么这些弦态的修正没有使希格斯粒子的质量膨胀。

 

迪内斯和阿贝尔计算出,由于弦论的不同对称性,即所谓的模数不变性(Modular invariance),从红外到紫外的无限能谱中所有能量的弦态的修正将以合理的方式相互抵消,从而保持希格斯质量和宇宙学常数很小。研究人员指出,这种低能和高能弦态之间的关联并不能解释为什么希格斯质量和普朗克能量离得这么遥远,但两者之差是稳定的。尽管如此,在克雷格看来,“这确实是一个不错的想法。”

 

新模型代表了越来越多的紫外-红外混合理念。克雷格的另一个研究角度可以追溯到1999年的另一篇论文,作者是普林斯顿高等研究院(IAS)的著名理论物理学家内森·塞伯格(Nathan Seiberg)及两位合作者。他们研究了背景磁场充满空间的情况。为了了解这里的紫外-红外混合是如何产生的,想象一对带相反电荷的粒子附着在一个弹簧上,垂直于磁场在空间中飞行。当你增大磁场的能量时,带电粒子加速分离,拉伸弹簧。在这个玩具场景中,更高的能量对应更长的距离。

 

塞伯格和他的同事发现,这种情况下的紫外修正具有特别的性质——可以说明还原论的箭头是如何旋转的,红外会影响紫外能标处的情况。这个模型和现实世界是不同的,因为真实的宇宙没有这样的背景磁场来施加方向。尽管如此,克雷格一直在探索是否可以用类似的方法来解决等级问题。

 

克雷格、加西亚和赛斯·科伦(Seth Koren)还共同研究了一个关于量子引力的观点,被称为弱引力猜想(Weak gravity conjecture,WGC),如果它被证明是正确的,则可能会在等级问题上施加一致性条件——使希格斯质量和普朗克尺度之间的巨大分离是必要的。

 

纽约大学的杜博夫斯基从2013年起就开始思考这些问题,当时人们已明白超对称粒子在大型强子对撞机中迟迟未现。那一年,他和两名合作者发现了一种新的量子引力模型[4],解决了等级问题。在他们的模型中,还原论的箭头从中间尺度同时指向紫外和红外尺度。虽然结果是有趣的,但这个模型只适用于二维空间,而且杜博夫斯基不知道如何推广它。后来他转而研究其他问题。去年,他再次遇到了紫外-红外混合问题:在碰撞黑洞研究中,他发现其中的自然性问题可以通过“隐藏的”对称性来解决,它与黑洞形变的低频和高频有关[5]

 

和其他研究人员一样,杜博夫斯基似乎并不认为目前发现的任何特定的模型具有明显的库恩革命的成分。一些人认为整个紫外-红外混合概念缺乏前景。“目前还没有有效场论失效的迹象。”约翰·霍普金斯大学的理论物理学家戴维·卡普兰(David E. Kaplan)说(他与CKN论文的作者没有关系),“我认为那里没有。”让大家信服的想法需要实验证据,但到目前为止,现有的紫外-红外混合模型缺乏可实验的预测;他们旨在解释为什么我们没有在标准模型之外看到新的粒子,而不是预测我们应该看到什么。不过,对于预言和发现新物理来说,就算不能在对撞机里实现,未来在宇宙学方面还是有希望的。

 

综合来看,新的紫外-红外混合模型说明了基于还原论和有效场论的旧范式的短视性,而这可能仅仅是一个开始。

 

“事实上,当你进入普朗克尺度时,还原论失效,所以引力是反还原论的。”杜博夫斯基说,“我认为,在某种意义上,如果这个事实对我们观察到的东西没有深刻的暗示,那将是不幸的。”


 

注释

[1] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.14.1667

[2] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.10.897[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.82.4971[4] https://arxiv.org/abs/1305.6939[5] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.101101

 

本文译自Natalie Wolchover, A Deepening Crisis Forces Physicists to Rethink Structure of Nature’s Laws 原文链接:https://www.quantamagazine.org/crisis-in-particle-physics-forces-a-rethink-of-what-is-natural-20220301/

 



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