破解宇宙奥秘的关键数字

英国《新科学家》周刊网站8月9日刊登题为《可能解释宇宙奥秘的费解数字》的文章，内容如下：

人们常能感到好像是最平凡的数字在掌控我们的生活。这些数字告诉你，你上班要迟到了，你要为按揭贷款支付多少利息，你最终还清贷款的时候是多大岁数。

但数字也可能令人兴奋。对我这样一名宇宙学家来说，最奇妙的数字包含的意义远远超出了我们单调的日常生活。有些数字小到难以形容，有些则大到无法理解。让这些数字结合起来的是它们能揭示宇宙运转的奥秘，而最令人兴奋的是它们能揭示今日仍困扰着物理学家的深刻谜题。

10 -120：真空能量如此之小？

要想感受这个数字有多小，想象一下把一个人缩小到质子大小，再以这个比例继续缩小，然后继续缩小，共操作8次，最后得到的微缩人类将是原始大小的10 -120倍。这比普朗克长度小许多数量级，普朗克长度是距离的基本单位，小于这个距离在经典物理学中不再有意义。

在自然界中，规模之间出现指数级大小差别是罕见现象，当这种现象发生时，物理学家们天然就会寻求解释。当然，不存在正常人类大小的10 -120倍的人类，但当我们将观察结果与最好的、经过最充分验证的宇宙理论——量子场理论——进行比较时，这个极小的数字的确会出现。更确切地说，当我们开始考虑真空能量和宇宙膨胀的动力时，这个数字就会出现。这意味着理解这个极小的比例是基础物理学最伟大的未解问题之一。

我们的宇宙在膨胀，遥远星系之间的空间随着时间推移而增大，而且这个过程正在加速。人们普遍认同，这种加速可能是真空蕴含的能量造成的结果，这种能量来自进出真空的虚粒子。虚粒子不是像电子或质子这样可以在实验中观察到的粒子，而是在宇宙中一种想象推拉每个粒子的环境量子场。我们知道这些场的存在就是因为我们在实验中看到了它们的作用，它们也应该给宇宙带来真空能量。

当我们计算有多少真空能量时，问题就开始了。根据我们目前对量子场理论的理解，真空的能量密度应该是巨大的。咖啡杯大小的真空蕴含的能量，应该足够炸毁可观测宇宙中的每颗行星超过万亿级次。但事实并非如此——因此，我们应该心存感激，因为拥有如此之大真空能量的宇宙会被重力弯折摧毁。根据我们利用望远镜测量的宇宙膨胀的温和加速度，真空能量实际上比我们的模型预测的结果少几百个数量级。换句话说，是量子场理论预测数值的10 -120倍。

那么，发生了什么？一个可能的答案是量子场理论出了问题。这不大可能，因为这是所有物理学中经历了最精确测试的理论。

或者，我们可能会想爱因斯坦的引力理论缺少某些东西——毕竟，只有借助引力我们才能感受到真正的真空能量。问题在于，爱因斯坦的理论也非常有力：改变太多可能会释放所有形式的不稳定性和数学灾难。

有物理学家认为，在所有可能的宇宙中，一个对真空能量价值极小的宇宙对于复杂生命的进化是必需的。这种解释需要物理学构思出一个多元宇宙，一个由具有不同的粒子、特性和规律的不同宇宙组成的可穿越的庞大地貌。多元宇宙中至少应该有一个宇宙看起来像我们自己的宇宙。然而，在我们的任何基础理论中，我们仍然没有对多元宇宙的完整描述。

0.0000000000000001：希格斯玻色子这么轻？

与前一个数字相比，这是个巨大的数字。然而对我们来说仍然小得微不足道。如果按这个比例缩小一个人，那这个人会比原子的宽度小100万倍，比质子小10倍。跟第一个数字一样，这个小数字体现了我们实际观察到的情况与我们最好的理论预测之间的比例。这次与希格斯玻色子有关。

2012年7月4日宣布发现这种粒子时，这被称为粒子物理学标准模型至高无上的荣誉，粒子物理学准确描述了宇宙中所有可见物质的微观舞蹈。希格斯玻色子是这副粒子拼图的最后一块，解释了为什么包括希格斯玻色子在内的基本粒子具有质量。但我们知道其中涉及的有些数字是有问题的。事实上，希格斯玻色子本身的质量就有问题。

和所有粒子一样，希格斯玻色子由我前面提到的渗透全部空间的环境量子场推拉。我认为这些场就像围绕粒子的量子流体，粒子永远无法从中逃脱。这种流体长时间拖动希格斯玻色子，增加其惯性，换句话说，增加其质量。当我们计算希格斯玻色子应该有多少质量时，我们发现它应该重几微克，与缨小蜂科的微小黄蜂差不多。现实情况是，经过一次次测量，希格斯玻色子比这个质量轻1000万亿倍。换句话说，它的质量是我们预期的0.0000000000000001倍。

希格斯玻色子的不能承受之轻困扰着粒子物理学家。理论家提出了几种可能的解释，从额外维度到某些理论中共享粒子的数量，随着我们向越来越高的能量推进，这极大地改变了环境量子流体的特性。他们甚至试图将希格斯玻色子分割成极小的部分——在微观尺度上，不再是与量子场相互作用的希格斯玻色子，而是它们组成粒子，而且能够以截然不同的方式实现相互作用。

10 80：粒子为何如此之多？

第三个数字以任何标准衡量都是个大数字。如果把一个人放大这个倍数，那这个人的大小会是可观测宇宙的百亿倍级。10 80实际上是这个宇宙中存在的普通粒子数量，所以可以想见这个数字会很大。然而，对我这样的物理学家来说，无法解释的是为什么会有这么多粒子。

约5%的宇宙由普通物质构成——组成你我以及我们能看到的所有事物，比如恒星和星系。但宇宙中也有反物质。反物质非常罕见，一般被认为是宇宙中最昂贵的物质，在粒子对撞机中的制造成本相当于每克60多万亿美元。这种奇怪的东西就像镜子里的物质。事实上，如果你想把粒子变成其反粒子，你就必须在空间的各个方向翻转它以及它的电荷。这种假定的转变被称为电荷共轭宇称翻转，将带负电的电子变为带正电的正电子。在粒子物理学的标准模型下，这些“翻转”就是所谓的对称性。

根据这一模型，由于这种对称性，宇宙大爆炸应该会产生同等数量的物质和反物质。但当物质遇到反物质，两者就毁灭了。在这种情况下，它们会相互毁灭，只留下无聊的辐射。但是，正如我们存在的事实所证明的，这种情况并没有发生——而我们不知道原因。

一种解释是，缺少的反物质藏匿在某个地方。但是，如果情况果真如此，我们应该能够发现证据。比如，我们可能会看到反物质遇到物质的地方释放出伽马射线，而我们没有。现实情况是，我们需要一种机制，打破我们的物理学理论中把物质与反物质以完全相同数量联系在一起的对称性。这需要扩大标准模式。

好消息是，可以借助实验探索物质如何支配宇宙的想法，从大型强子对撞机的对撞到引力波观测。一种建议是可以把希格斯玻色子分解成更小的部分。这会让新的粒子打破物质与反物质的对称性，而它们与其他基本粒子的相互作用可以在大型强子对撞机的第三轮运行中探测到。

这些新粒子还可能影响到希格斯玻色子在宇宙早期向其他粒子分发质量的方式。其中的确切细节可能铭刻在古老的引力波背景上，类似于我们看到的宇宙大爆炸留下的微波辐射的宇宙背景。我们希望未来的天基探测器能发现这种引力波背景，比如可能在21世纪30年代发射的激光干涉仪空间天线（LISA）将揭示像我们这样的普通物质是如何以及为何设法避免毁灭的线索。

无穷大：黑洞内部有何玄机？

最大的数字。永无止境的数字。数学中有多个无穷大：计算整数和二次幂的无穷大，也有计算更大集合的更高无穷大，比如0到1之间的实数集。物理学也是如此，无穷大带我们领略知识的极限。

比方说，我们冒险进入黑洞最深处，或者退回到宇宙诞生的时刻，我们就会面对我们所说的“奇点”，这是引力场变得无限强大的区域。在爱因斯坦的广义相对论中，引力被理解为时空的弯曲，行星在扭曲的时空中沿弯曲的路径绕太阳运行，因为这是穿越那里存在的几何结构最有效的方式。在奇点，时空曲率无穷大，爱因斯坦定律再也无法描述正在发生的事情。

要理解这些奇点，我们需要一种解释宇宙方方面面的理论。

在我看来，最令人信服的候选者是弦理论。弦理论认为，自然界的所有粒子都被理解为由被称为弦的微小振动的一维实体构成。与其他竞争理论不同，我们可以借助弦理论进行可靠运算，而且能让无穷大消失。从粒子到弦的转变意味着我们不再需要担心粒子在极微小的距离上相互作用。

这些极小的距离造成的无穷大破坏了我们的方程式，因此现在可以彻底击败它们。我们目前尚不得而知这对黑洞核心或宇宙诞生之时的奇点有何影响。但只要我们搞清楚这个问题，我们就应该能够理解宇宙的诞生。

来源：参考消息网