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我們的宇宙並不在由物理學家建立的嚴格且優雅的標準中。是時候來面對我們可能生活在一個醜陋的宇宙中這一事實了。
撰文 | Daniel Cossins
翻譯 | 張克文
審校 | 吳非
物理學家保羅·狄拉克希望被美指引，他並不畏於承認這件事。在1963年的一篇論文中，他回憶起自己在發現那個奇怪卻真實的量子理論定律（狄拉克方程）時，扮演了什麼樣的角色。他寫道，“相比於與實驗相吻合，更重要的是公式本身的美。”這聽起來或許有些奇怪，畢竟實驗才是公式能否解釋自然現象的最終仲裁者。但是對於像狄拉克這樣的理論物理學家來說，實驗有時候具有誤導性，只有美才是不可侵蝕的。
對於優美的追求，是做基礎物理的理論研究者們普遍的信仰，即使美的標準已經隨著時間發生改變。理論物理學家格外追求的一種優美，是自然性（naturalness）的原理。簡單地說，就是認為自然法則應該是驚豔、自洽的，而不是臨時、隨機的。
但是，如果自然法則不是理論物理學家所想的那樣呢？在2012年捕獲到
希格斯玻色子之後，越來越多的物理學家開始考慮這種令人不安的可能性。這種在歐洲核子中心的大型強子對撞機中發現的新粒子，證實了長久以來關於粒子如何獲得質量的理論。但與此同時，關於希格斯粒子的發現可能會對我們看待現實的方式產生深遠的影響，來自加州大學聖克魯茲分校的理論物理學家Michael Dine說：“我們可能會發現，自然並不是我們所想的那樣。”即使在尋找新粒子的物理學家中，“自然”這個詞也有不同的含義。從廣義上來說，宇宙應該是合理的，而不是奇異的宇宙輪盤賭的結果。“自然性相信所有的存在都不是偶然的，萬物背後都有原因，”劍橋大學的理論物理學家 Ben Allanach說，“這是一種認為事物發展不能靠運氣的理念。”
這聽起來或許有些模糊，但是理論物理學家有更加準確的專業定義：“技術自然性”（technical naturalness）。上世紀八十年代，荷蘭烏得勒支大學的Gerard ‘t Hooft提出了這個定義，它的提出是為了標記，宇宙的存在依賴於某些隱藏的巧合。簡單來說，就是理論和模型所包含的常數不應該有太大的差異。除非有更宏大、更全面的理論可以解釋這樣懸殊的差異，所有決定宇宙演化的數字不應該有超過10倍的差異。
合意的不應該是巧合
因此不難理解，物理學家為什麼會懷疑那些不符合的數字。設想一下：如果你在輪盤賭上連續第一百次旋轉得到的結果都是相同的數字，你會懷疑遊戲是否公平。這個結果太過荒謬，需要尋求合理的解釋：或許是球上有一塊磁鐵，或者是有一根未被發現的細線？相同的邏輯適用於那些出乎意料地強或弱的作用力，或是質量不可思議地低或高的粒子：一定是還有一些沒有被發現的原因。
從某種程度上說，現代物理學一直沿著這樣的路線發展，對最為複雜的宇宙尋找更為精簡的解釋。但近些年來，粒子物理學鮮有進展。確實，粒子物理學家的標準模型很成功，通過簡單的公式組，就能夠描述所有已知的粒子和四大基本作用力中的三個。但是它不能對引力和暗物質作出任何描述，這暗示著更強大的理論會取代它。
更重要的是，我們可能會因為盲目樂觀地審視標準模型而感到愧疚。當標準模型的公式幾近自然時，出現了一些奇怪的特例。真空中的能量密度，也就是宇宙常數，比我們預期的小120個數量級。還有就是希格斯粒子，它的質量十分小。“看起來，自然至少不是按照我們建議的方式發展的。”‘t Hooft說到。
為了實現宇宙質量賦予者這一功能，希格斯粒子被認為是通過希格斯場來和其他已知的粒子相互作用。這是一個十分複雜的過程，它應當賦予希格斯粒子大約10-8千克的質量，用粒子物理單位來說大概是1019GeV。然而，我們測量的結果是，希格斯粒子只有125GeV。其中一個怪異的解釋是，它的內在質量是一個巨大的負數，大到足以抵消相互作用提供的額外的質量，相消的結果是隻剩下125GeV。但是這引出了一個不自然的問題：為什麼兩個如此大的、明顯沒有聯繫的數字抵消得這麼幹淨？
答案是，將這些數字關聯起來。優先考慮的候選是超對稱理論（SUSY），該理論為每一個已知粒子引入了一個超重同伴。引入的超粒子能夠將希格斯粒子降至現有質量，完善現有方程，並且使得希格斯粒子的質量合乎技術自然性。SUSY在數學上也很優美，它在統一三種相互作用力同時還可以解釋暗物質。
尋找超粒子
面對著如此美麗的身兼數職者，大多數物理學家都相信SUSY可以獲得成功。他們希望超粒子在高於希格斯粒子的能量標度上立馬現身，這樣物理學家就可以宣告勝利。但是，事情的進展卻不順利。在包括強大的LHC在內的三代加速器上，研究者們都沒有發現任何超粒子的蹤跡。
當然，這些粒子可能還在潛伏在某處。LHC最後的搜尋將在今年年底結束，但是科學家沒能從對撞機最近的運行結果中，找到它們的任何蹤跡。這意味著我們遇到了瓶頸，除非我們從頭重新理順尋找超對稱物質的邏輯。“超對稱理論預言的粒子本應在LHC中看到，這使我懷疑我們在關於自然性的探索道路上走錯了，” Allanach說道，“我現在還不確信，但我對超對稱理論持懷疑態度。”
自然的宇宙從簡單法則構建出複雜的結構
確實，越來越多的物理學家開始動搖，哪怕是那些幾乎整個職業生涯都信奉這個原則的物理學家。理論物理學自身正處在一個轉折點上。
在德國法蘭克福高等研究院的Sabine Hossenfelder看來，要解決該矛盾只有一條出路：拋棄自然性。在即將出版的書Lost in Math: How beauty leads physics astray中，Hossenfelder不僅僅質疑了其中的無用性，更質疑了其邏輯的一致性。自然性要求，就像被非法操縱的輪盤賭一樣，測得的希格斯粒子的質量十分不合理。但是對於這個輪盤賭，我們一生的經驗告訴我們，相同結果的反覆出現是多麼不可能，也就是物理學家所說的概率分佈。Hossenfelder說，我們只有一個宇宙，它沒有能用來比較的對象。
那麼，為什麼自然性被廣泛推崇？“就個人來說，我認為這是一種認知偏見。” Hossenfelder說，這也是物理學很善於消除的。
但是，並非所有人都樂於去接受新的原理。首先，放棄以優美性作為指導原則，是在危險地接近人擇原理的循環邏輯。人擇原理認為宇宙擁有這樣的特性，就是因為它是我們生存、思考的宇宙。對於很多人來說，這是在逃避責任。“人擇原理的問題在於它對科學研究的迴避，” Allanach說，“它認為我們根本無法找到最終的答案。”
Hossenfelder則認為，拋棄技術自然性不一定會將我們帶到人擇原理這條路上，從而使科學喪失活力。她說：“承認你的常數在不同的階段有不同的數值，這並沒有任何不對的地方。”
即便如此，多數理論物理學家還是沒有做好放棄自然性的準備。比如，當Allanach和同事對於缺乏支持超對稱理論的證據感到失望時，他並不認為這個領域與將自然性視作基本原則相違背。事實上，一些科學家，比如Dine，仍然相信SUSY粒子可能存在於比預測更高的能標下，超過所有對撞機所能達到的能標。
但是對於那些疲於相信自然性、已經對SUSY不再感興趣的人來說，另一個理論的出現轉移了他們的注意力。不同於為了尋求希格斯粒子質量的解釋而引入新的粒子，它的解決方案更為精巧：引入數十億個宇宙。
存在多個宇宙的想法並不新鮮。宇宙學家早就提出在大爆炸之後不久，宇宙的指數級膨脹分割出不同的區域，使之成為一個個獨立的宇宙。它們究竟有多少還不清楚，據估計最多有10500左右，每一個宇宙都有自己獨特的物理性質。
我們的宇宙，可能只是數十億個宇宙中的一個？
當然，現在還沒有證據證明這樣的景象存在，更不要說有多少個宇宙以及它們都有什麼樣的性質。即使如此，存在這樣大量的可能結構可以代表一種概率分佈，Hossenfelder這樣的批評家可以指責自然性的必要性。當絕大多數宇宙中的希格斯粒子擁有更合理的質量時，我們就可以只分析那些偏離的數據。Dine：“能夠解釋希格斯粒子的質量和宇宙學常數為何如此奇怪的唯一真實的模型，只能是景觀模型 （landscape model）。”
這看起來是把我們帶向人擇原理的死衚衕：也許，在所有不同的宇宙中，我們的宇宙是唯一一個擁有如此輕質量的希格斯波色子的，它能夠支持形成所有最終產生生命的結構，並讓人們有機會去思考這個問題。但是多數理論物理學家仍希望擁有更強的理論。他們希望有一個機制能夠確保，希格斯波色子在隔壁的宇宙中以他們設想的方式存在。即使景觀模型可能不是最終的答案，它也指引了正確的方向。Dine說：“它給我了我們找到合理解釋的希望。”
事實上，有些理論學家認為我們已經找到了。也許，這數十億種希格斯玻色子不需要分佈在數十億個宇宙中，而是都曾在我們所處的宇宙中出現過，一些未知的機制選擇出了我們如今所看到的一切？這是普林斯頓高等研究院的 Nima Arkani-Hamed帶領的團隊所研究的，他們提出了新理論：N自然性（Nnaturalness）。這個理論引入了N個標準模型的複製品，N是一個很大的數字，代表著在同一個宇宙中同時存在的拷貝數。這些複製品的性質幾乎完全一致，除了希格斯粒子質量不同。因此，每一個複製品中其他粒子的質量也會受到影響。
給我們存在的正當理由
所以，在如今我們所見到的輕希格斯粒子宇宙複製品中，一定發生過某種選擇過程。據Arkani-Hamed和其同事的觀點，這將會引出一個假設的粒子：reheaton，它包含了早期宇宙的所有能量。Reheaton的能量太高，因此壽命很短，它最終會衰變成更輕的粒子，包括重新賦予宇宙能量的低質量希格斯粒子。當我們觀測到的希格斯粒子的質量是它可能達到的最小值，我們宇宙的粒子家族是被優先選擇的。
“早期宇宙的再加熱過程在所有複製品中選擇了標準模型。” 來自普林斯頓大學的 David Pinnerat說，他也是Arkani-Hamed的合作者。他認為，這一選擇過程的證據可以通過通過未來建造的望遠鏡，在大爆炸的餘暉中被探測到。
如果你認為這和不大可能發生的精確調節驚人地類似，而自然性的抵消正是我們想避免的，你的想法很普遍。“有一些解釋複雜到離譜，相較於只是加入常數並且接受常數的存在來說麻煩得多，” Hossenfelder說，“它們近乎於一個宗教的解釋，這樣你可以引入一個你無法觀察到的天使。”
現如今，自然性就像美一樣，存在於觀察者的眼中：一個人眼中簡潔的結論或許是另一個人眼中洛可可式的怪物。但是就像狄拉克一樣，大多數理論物理學家仍然希望被美引誘。如果這意味著他們必須更新他們對美的看法，來與正在改變的時代相適應，或者完全拋棄它，那麼就讓這樣的事情發生吧。“物理學上最深刻的突破，都是源自矛盾的出現迫使研究人員來重新審視他們的假設，” Nathan Seiberg說，“自然性的有關問題應該被看成是一次機遇，而不是退縮的理由。”
原文鏈接：
https://www.newscientist.com/article/mg23731670-600-truth-before-beauty-our-universe-is-uglier-than-we-thought/
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