最大奥秘:宇宙是否存在统一定律?

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【大纪元10月5日讯】(大纪元记者高以用、魏德编译报导)当我们问不同领域的科学家,什么是他们认为现今存在的最大奥秘,答案可能不尽相同。LiveScience曾就同样的问题得到15个答案,其中一个“最大的奥秘”,就是宇宙是否存在一个统一的定律可以解释所有现象?

古老中国的先哲认为风、水、火和土是宇宙的最基本元素,但西方科学则认为粒子才是基本元素,而对微观物质的研究却在近两个世纪才展开的。物理学家持续用粒子来描绘已知的宇宙,来描述包括磁性到原子组成和它如何保持稳定状态等一切现象。

众所周知,量子力学是研究粒子及其作用力的一门学科,而量子力学世界中惊人的相似性引爆了当今现代科学中最重要的一个问题:“有没有一个统一理论可以解释所有现象?”

“我们现在的物理学在能量作用的头几微秒能够了解很多关于宇宙的东西,但之后它就不行了。”位于伊利诺斯州巴塔维亚(Batavia)市“费米实验室”(Fermilab)的理论物理学家杰克逊(Mark Jackson)说:“在那最初时刻正是真正有趣事情发生地方。”

如果一个理论能被架构成经得起宇宙初期难以置信能量的考验,而且还能够把重力也考虑在内,那么物理学上一个统一理论将成为现实。

标准挫折

物理的“标准模型”视粒子为无穷小的点,而某些粒子带有基本的力量。尽管“标准模型”事实上并无法包括重力,且在高能物理中显得无能为力,但这个经过时间检验的“标准模型”目前仍然是科学家解释物理现象的最佳工具。

芝加哥大学宇宙学家迈克尔・特纳(Michael Turner)说:“您可能听见人抱怨标准模型不怎么样。它是一个不完全的模型,但我们却找不出它的缺陷在哪儿?”

特纳解释说,是否能够发现一种叫希格斯介子(Higgs boson)的能够产生质量的微粒(mass-inducing particle),是标准模型将要面对的重大考验。如果希格斯介子被发现,那么就会明确显示像电磁性和放射性等性质是相同作用力中真正不同的侧面。

特纳在谈到希格斯介子时称“它是能够让我们将不同性质结合在一起的奇迹。”他说,也许将来某个时候在粒子加速碰撞中会发现它。

重力之铉

对于某些物理学家来说,顽固不化的标准模型简直难以对付,但对于其他一些人来说,它却导致新理论的产生,而这种新理论能够包容重力和超高能物质行为。

或许这些新理论中最著名的要属“超铉理论”(string theory),它将粒子描述为以不同频率振动的能量铉(strands of energy)。为了解释粒子的点状本质,超铉理论认为这些铉能够被包压在10或11维空间中,这个空间的维度比我们现在认识的要多出六到七个维度。

这种想法和从远处观看一个大厦是相似的。在远距离它看起来像一个点,但靠近看是平的,最后再靠近看是一个三维结构。被包裹在大厦之内的是变得越来越小的更多的维度:管子,管子之内的角落和裂口,角落和裂口之间的空间等等。

目前为止超铉理论尚存在无法证明多达11维空间的缺陷,使得许多人对此理论有所保留,但杰克逊认为一些铉可能已经横跨宇宙而成为“超铉”,这些“超铉”大到足以在现在从空间中探测出来。尽管当前缺乏这样的证据,杰克逊确信超铉理论将能够经得起考验。

杰克逊推理道:“很难想像宇宙会有二套不同的物理规则。如果有,那么何时关闭一套而启动另一套?”他说:“我们知道有量子力学,我们也知道有重力,因此似乎应该有一个统一理论。我拿我的事业作赌注,我敢说那就是超铉理论。”

寻找与暗物质有关的超对称粒子

费米实验室宇宙学家多德森(Scott Dodelson)认为存在一种统一理论符合逻辑, 但他不认为产生一个统一理论需要极大地偏离标准模型。

“基本上有两种方法:一种是由下往上,即依照数据,将某个理论的部分调理清楚,使它更加雅观”多德森说:“另一方法是自上而下的,从一种典雅的理论开始再往下来对照数据”。

无论哪种情形,物理学家、理论学家和宇宙学家都同样在等待像欧洲的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)开始运作,进行高能实验。他们不仅希望能够在碰撞后微粒中发现希格斯介子,而且也希望发现存在我们熟知的电子、中微子等粒子的“超级伙伴”,即那些被多德森描述为超重、隐藏的粒子,而这些粒子被一些科学家认为是隐藏在其它空间中,而且与目前已被科学家发现大量存在的暗物质有关。如果像大型强子对撞机这样的超高能物理设备能够运行的话,证实其它空间存在的那一天有望到来,因为只要将碰撞前后可测到的物质质量作一盘点,如果有入不敷出的情况出现,那么失去的质量就可证明是遁入另外空间去而成为暗物质了。

针对这些“超级伙伴”,多德森说:“他们太重了,以至于到目前为止尚未被看见”。多德森补充说:“像大型强子对撞机这样机器产生的强烈能量也许足以让他们在碰撞微粒中‘显现’出来。如果是这样的话,在宇宙中神秘消失的暗物质的秘密就能被解开,同时还能创造出一个更加强大的标准物理模型。”

“我们也许能刺穿神秘暗物质的‘斗篷’,并且在实验室里测出超对称 粒子(supersymmetric particle)。”多德森说:“它将会呈现一批崭新的粒子,并且创造一个全新的标准模型。”

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史匹哲望远镜看到的宇宙(http://www.dajiyuan.com)

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