@ 2015.08.26 , 11:00
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描述这个宇宙需要26个常数(或者更多)

当我们在基础层面思考我们的宇宙时,我们思考其中所有的粒子和所有的力,以及它们之间发生的相互作用。如果你能描述这些力、相互作用和粒子的性质,你就拥有了复制我们的宇宙所需的一切,或至少是一个整体上和我们的宇宙在本质上不可区分的宇宙。

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Image credit: NASA / CXC / M.Weiss.

因为如果你了解物理定律——引力、量子力学、电磁学、核力,等等——你所需要的就是告诉你“是多少”的相互关系,只要你使用相同的初始条件,你就会得到一个宇宙,具有从原子到星系团的相同结构,从电子跃迁到恒星爆发的相同过程,同样的元素周期表,以及从氢气到蛋白质和烃链的相同化学组合,加上大量的其它相似之处。

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Image credit: NASA / Jenny Mottar.

当你遇到这个“多少”的问题时,你可能想到引力由万有引力常数G确定,以及“粒子的能量”由其静止质量确定,如电子的质量me。你想到光速c,以及对于量子力学有普朗克常数ħ。但物理学家们在描述宇宙时并不喜欢使用这些常量,因为这些常量有着任意的维度和单位。

但是像米、千克和秒这样的单位并没有固有的重要性;事实上当涉及到宇宙时,根本没有理由强迫我们自己去定义像“质量”或“时间”或“距离”这样的东西。如果我们给出正确的描述宇宙的无量纲常数(其中不带米、千克、秒或任何其它“维度”),我们就应该能自然地得出我们的宇宙本身。这包括诸如粒子质量、它们相互作用的强度、宇宙的速度极限,甚至时空本身的基本性质!

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Image credit: Particle Data Group / LBL / DOE / NSF, of the Fundamental Constants as of 1986.

事实证明,需要26个无量纲常数来尽可能简洁和完整地描述宇宙,这是一个相当小的数量,但还不像我们喜欢的那么小。下面就是它们是什么:

1.) 精细结构常数,或者说电磁相互作用的强度。用某些我们更加熟悉的物理常数来说,这是基本电荷(比如说一个电子的)的平方与普朗克常数和光速的比值。但如果你把这些常数放在一起,你就得到一个无量纲的数字!在当前存在于我们宇宙中的能量上,这个数字算出来≈ 1/137.036,尽管该相互作用的强度随着相互作用的粒子的能量增加而增加。

2.) 强偶合常数,它定义把质子和中子结合在一起的力的强度。虽然强力的工作方式与电磁力或引力非常不同,这种相互作的强度还是能用单一耦合常数来参数化。我们宇宙的这个常数像电磁的那个一样,也随能量强度而变化

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Image credit: E. Siegel.

3~17.) 这个有一丢丢令人失望。我们在标准模型里有十五种粒子:六种夸克、六中轻子、W、Z和西格斯波色子,都有静止质量。虽然它们的反粒子真的都有相同的静止质量,我们本来希望能有某些关系、模式,或更基础的理论能用更少的参数赋予这些质量。嗟乎,需要十五个常数来描述这些质量,孤苦伶仃的好消息是我们可以把这些参数缩放到和引力常数G成比例,结果得到十五个无量纲参数,而不需要单独的引力强度描述符。

18~21.) 夸克混合参数。我们有六种不同类型的夸克,因为有两个子集,每个子集各有三种夸克彼此具有相同的量子数,他们可以互相混合。如果你曾听说过弱核力放射性衰变,或者CP-不守恒,这四个参数——全都需要(并且已经)测量——就是描述它们所需的。

22~25.) 中微子混合参数。与夸克部门类似,这四个参数详细描述中微子如何相互混合,因为三个类型的中微子都有相同的量子数。太阳中微子问题——太阳发出的中微子没有到达地球——是二十世纪最大的难题之一,当我们意识到中微子具有非常小但是不为零的质量、互相混合、从一种类型振荡到另一种类型,才最终得以解决。夸克混合由三个角度和一个CP-不守恒复相位描述,而中微子混合也以相同方式描述。尽管夸克的四个参数都已被确定,中微子的CP-破坏相还有待测量。

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Image credit: E. Siegel.

26.) 宇宙常数。你也许听说过因为暗能量宇宙膨胀正在加速,而这需要再多一个参数——宇宙常数——来描述该加速的数量。暗能量结果可能会比一个常量更为复杂,在这种情况下它可能也还需要更多参数,因此个数可能会超过26个。

如果你给我物理定律和这26个常量,我就能把它们丢进一台计算机并叫它去模拟我的宇宙。而非同寻常的是,我所得到的看起来和我们今天的宇宙几乎无法区分,从最小的亚原子尺度一路直到最巨大的宇宙尺度。

但即使这样,仍然还有四个难题,可能要求额外的常量来解决。这些是:

1. 物质-反物质不对称问题。我们的整个可观测宇宙占统治性地由物质而不是反物质构成,但我们不完全理解为什么会这样,或者为什么我们的宇宙有这些数量的物质。这个问题——重子产生过程问题——是理论物理学最大的未解难题之一,而且可能需要一个(或多个)新的基本常数来描述其解。

2. 宇宙暴涨问题。这是宇宙在大爆炸前和设定了大爆炸的阶段,它已经作出了很多已被观测验证的新预测,但并未包括在此描述里。很可能的是,当我们更全面地理解它是什么,额外的参数将必须被添加到这组常量之中。

3. 暗物质问题。鉴于它几乎可能好像大概肯定包含至少一个(且可能更多)新的有质量粒子类型,有理由认为更多个新参数——甚至可能超过一个,每个新粒子类型各一个——会需要被加入。

4. 强CP-不守恒问题。我们在弱核力相互作用中看到CP-不守恒,并在中微子部门中期待它,但我们尚未在强相互作用中找到它,即使它并未被禁止。如果它存在,就应该有更多参数;如果它不存在,那就很可能有一个和禁止它的过程相关的额外参数。

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Image credit: NASA, ESA, D. Harvey (Swiss Federal Institute of Technology), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF, of galaxy cluster Abell 370, with dark matter shown in blue.

我们的宇宙是一个复杂、神奇的地方,然而,我们对统一理论——万物理论——的最大指望理应减少我们所需的基本常数个数。但我们对宇宙了解越多,我们就知道更多要充分描述它所需要的参数。尽管认识到我们在哪里,以及在今天要描述已知的全部所需要的参数,非常重要,同样重要的是继续寻找一种更完整的范式,不但给我们宇宙所有的一切,而且使之尽可能简洁。

现在,不幸的是,任何比我们这里提出的更简单的东西,都太简单以致不能工作。毕竟,我们的宇宙也许并没有我们希望的那样优美。

本文译自 Forbes,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 杂烩饭阁下
    @2 years ago
    2914928

    头都大了 去找隔壁老王下棋

  2. 光速板擦
    @2 years ago
    2912978

    只认识精细结构常数的人表示…我离能看懂这是什么大概还有10年吧……

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