耗資100億美元，一個(gè)40年前的問題仍懸而未決，迫使物理學(xué)家重新思考

作者：Natalie Wolchover

譯者：李玉婷

三十年來，研究人員一直在徒勞地尋找新的基本粒子，以解釋為什么自然界會(huì)是這樣的。當(dāng)物理學(xué)家面對(duì)這一失敗時(shí)，他們正在重新審視一個(gè)長期存在的假設(shè)：任何一個(gè)物體都是由更小的東西組成的。

在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中，科學(xué)哲學(xué)家 Thomas Kuhn 觀察到，科學(xué)家花很長時(shí)間緩慢前進(jìn)。他們提出并解決難題，同時(shí)在一個(gè)固定的世界觀或理論框架內(nèi)統(tǒng)一地解釋所有數(shù)據(jù)，庫恩稱其為范式。不過，遲早會(huì)有事實(shí)出現(xiàn)，與已有的范式發(fā)生沖突。危機(jī)隨之而來?？茖W(xué)家們絞盡腦汁，重新審視他們的假設(shè)，并最終革命性地轉(zhuǎn)向一個(gè)新的范式，對(duì)自然界有一個(gè)完全不同和更真實(shí)的理解。然后又恢復(fù)了漸進(jìn)式的進(jìn)展。

幾年來，研究自然界基本構(gòu)件的粒子物理學(xué)家們一直處于教科書式的庫恩危機(jī)之中。

這一危機(jī)在 2016 年變得不可否認(rèn)，當(dāng)時(shí)，盡管進(jìn)行了一次重大升級(jí)，日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)仍然沒有產(chǎn)生任何理論家?guī)资陙硪恢逼诖男禄玖Ｗ?。這些額外的粒子將解決關(guān)于一個(gè)已知粒子的重大難題，即著名的希格斯玻色子。層次問題，正如該謎題所稱，問的是為什么希格斯玻色子如此輕巧--比自然界中存在的最高能量標(biāo)尺的質(zhì)量要小一億倍。相對(duì)于這些更高的能量，希格斯質(zhì)量似乎被不自然地調(diào)低了，就好像決定其數(shù)值的基礎(chǔ)方程中的巨大數(shù)字奇跡般地全部抵消了。

額外的粒子本來應(yīng)該可以解釋微小的希格斯質(zhì)量，恢復(fù)物理學(xué)家所說的他們方程的“自然性”。但是，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)——第三個(gè)也是最大的一個(gè)對(duì)撞機(jī)——對(duì)它們的尋找也是徒勞之后，似乎關(guān)于自然界中什么是自然的邏輯可能是錯(cuò)誤的。歐洲核子研究中心（CERN，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所在的實(shí)驗(yàn)室）理論部負(fù)責(zé)人 Gian Giudice 在 2017 年寫道：“我們面臨著需要重新考慮幾十年來用于解決有關(guān)物理世界最基本問題的指導(dǎo)原則?！?/span>

起初，科學(xué)界對(duì)此感到絕望。

“你可以感受到那種悲觀情緒”加州大學(xué)圣巴巴拉分校卡弗里理論物理研究所的粒子理論家 Isabel Garcia Garcia 說，當(dāng)時(shí)她還是一名研究生。耗資 100 億美元的質(zhì)子粉碎機(jī)不僅未能回答一個(gè) 40 年前的問題，而且長期以來指導(dǎo)粒子物理學(xué)的信念和策略也不再值得信任。人們比以前更迫切地想知道，宇宙是否就是不自然的，是微調(diào)的數(shù)學(xué)抵消的產(chǎn)物。也許有一個(gè)由多個(gè)宇宙組成的多元宇宙，所有的希格斯質(zhì)量和其他參數(shù)都是隨機(jī)的，而我們發(fā)現(xiàn)自己在這里，只是因?yàn)槲覀冇钪娴奶厥鈱傩源龠M(jìn)了原子、恒星和行星的形成，從而形成了生命。這種“人擇原理”盡管可能是正確的，但令人沮喪的是無法證實(shí)。

許多粒子物理學(xué)家轉(zhuǎn)移到其他研究領(lǐng)域，“那里的難題還沒有變得像層次問題那么難，”加州大學(xué)洛杉磯分校的理論物理學(xué)家 Nathaniel Craig 說。

圖 | Nathaniel Craig 和 Isabel Garcia Garcia 探究了引力如何幫助調(diào)和自然界的巨大不同的能量尺度。（來源：Jeff Liang）

一些留下來的人開始仔細(xì)研究幾十年前的假設(shè)。他們開始重新思考自然界中那些看似是不自然微調(diào)的顯著特征——希格斯玻色子的小質(zhì)量，以及一個(gè)看似不相關(guān)的問題，關(guān)于空間本身不自然的低能量。“真正的根本問題是自然性的問題，”Garcia Garcia 說。

他們的反省正在產(chǎn)生結(jié)果。研究人員正越來越多地將目光投向他們認(rèn)為是關(guān)于自然性的傳統(tǒng)推理中的一個(gè)弱點(diǎn)。它建立在一個(gè)看似正確的假設(shè)上，這個(gè)假設(shè)自古希臘以來就一直被納入科學(xué)的視野。大的東西由更小、更基本的東西組成——這種說法被稱為還原論?！斑€原論范式......是自然性問題固有的，”新澤西州普林斯頓高等研究院的理論家 Nima Arkani-Hamed 說。

現(xiàn)在，越來越多的粒子物理學(xué)家認(rèn)為，自然性問題和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的無效結(jié)果可能與還原論的崩潰有關(guān)?！斑@會(huì)不會(huì)改變游戲規(guī)則？"Arkani-Hamed 說。

在最近的一系列論文中，研究人員已經(jīng)把還原論拋到了九霄云外。他們正在探索大小距離尺度可能協(xié)調(diào)的新方法，產(chǎn)生的參數(shù)值從還原論的角度看是不自然微調(diào)的。

“有些人稱它為危機(jī)。這兒有一種悲觀的氣氛，但我沒有那種感覺，”Garcia Garcia 說。這是一個(gè)我覺得我們正在進(jìn)行意義深遠(yuǎn)的事情的時(shí)候。"

什么是自然性

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確實(shí)取得了一個(gè)關(guān)鍵性的發(fā)現(xiàn)：2012 年，它最終發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這是有50年歷史的一套被稱為粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的基石，該模型描述了 17 種已知的基本粒子。

希格斯的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了一個(gè)寫在標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的引人入勝的故事。

宇宙大爆炸后的瞬間，一個(gè)滲透到空間的被稱為希格斯場的實(shí)體，突然被注入了能量。這個(gè)希格斯場裂開產(chǎn)生了希格斯玻色子，這些粒子因?yàn)樵搱龅哪芰慷鴵碛匈|(zhì)量。當(dāng)電子、夸克和其他粒子在空間移動(dòng)時(shí)，它們與希格斯玻色子相互作用，在這種方式下，它們也獲得了質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)模型于 1975 年完成后，其設(shè)計(jì)師幾乎立即注意到一個(gè)問題。

當(dāng)希格斯賦予其他粒子質(zhì)量時(shí)，它們也會(huì)馬上回饋；粒子的質(zhì)量會(huì)一起晃動(dòng)。物理學(xué)家可以為希格斯玻色子的質(zhì)量寫一個(gè)方程，其中包括與它相互作用的每個(gè)粒子的關(guān)系。

所有大質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子都對(duì)該方程做出了貢獻(xiàn)，但這些并不是唯一的貢獻(xiàn)。希格斯玻色子還應(yīng)該在數(shù)學(xué)上與更重的粒子混合，包括普朗克尺度現(xiàn)象，這是一個(gè)與引力的量子性質(zhì)、黑洞和大爆炸有關(guān)的能量水平。普朗克尺度現(xiàn)象對(duì)希格斯質(zhì)量的貢獻(xiàn)應(yīng)該是巨大的——幾乎比實(shí)際希格斯質(zhì)量大一億倍。

自然而然地，你會(huì)期望希格斯玻色子和它們一樣重，從而使其他基本粒子也得到加強(qiáng)。粒子會(huì)因?yàn)樘囟鵁o法形成原子，而宇宙將是空的。

對(duì)于希格斯玻色子來說，盡管它依賴于巨大的能量，但最終卻如此之輕，你必須假設(shè)普朗克對(duì)其質(zhì)量的貢獻(xiàn)有正有負(fù)，而且它們都擁有恰到好處的數(shù)量，從而完全抵消。

這種抵消除非有某種原因，否則它就會(huì)很可笑——就像氣流和桌子的振動(dòng)相互抵消以保持鉛筆尖的平衡一樣不可能。這種微調(diào)的抵消，物理學(xué)家認(rèn)為是“非自然的”。

在幾年內(nèi)，物理學(xué)家們找到了一個(gè)令人滿意的解決方案：超對(duì)稱理論，假設(shè)自然界的基本粒子具有雙重性。超對(duì)稱理論認(rèn)為，每一個(gè)玻色子（兩種類型的粒子之一）都有一個(gè)伙伴費(fèi)米子（另一種類型），反之亦然。玻色子和費(fèi)米子分別為希格斯質(zhì)量貢獻(xiàn)正負(fù)項(xiàng)。

因此，如果這些項(xiàng)總是成對(duì)出現(xiàn)，它們將總是抵消。

對(duì)超對(duì)稱伙伴粒子的探索始于 20 世紀(jì) 90 年代的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。研究人員假設(shè)這些粒子比它們的標(biāo)準(zhǔn)模型伙伴稍重一些，需要更多的原始能量來實(shí)現(xiàn)，因此他們將粒子加速到接近光速，將它們?cè)以谝黄?，并在碎片中尋找重物的出現(xiàn)。

與此同時(shí)，另一個(gè)自然性問題浮出水面。

空間結(jié)構(gòu)，即使在沒有物質(zhì)的情況下，似乎也應(yīng)該擁有能量——所有流經(jīng)它的量子場的凈活動(dòng)。

當(dāng)粒子物理學(xué)家把對(duì)空間能量的所有推定貢獻(xiàn)加起來時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，就像希格斯質(zhì)量一樣，來自普朗克尺度現(xiàn)象的能量注入應(yīng)該把它炸毀。

愛因斯坦認(rèn)為，空間的能量——他稱之為宇宙學(xué)常數(shù)——具有引力排斥作用，它使空間膨脹得越來越快。如果空間被注入普朗克密度的能量，宇宙在大爆炸后的瞬間就會(huì)自我撕裂。但這并沒有發(fā)生。

相反，宇宙學(xué)家觀察到，空間的膨脹只是緩慢地加速，這表明宇宙學(xué)常數(shù)很小。

1998年的測量結(jié)果將其數(shù)值定為比普朗克能量低一百萬億次。同樣，在宇宙學(xué)常數(shù)的方程式中，似乎所有這些巨大的能量注入和提取都被完美地抵消了，讓空間變得異常平靜。

“引力......混合了所有長度尺度的物理學(xué)——短距離、長距離。因?yàn)樗龅搅诉@一點(diǎn)，所以它給了你這個(gè)出路。”—— Nathaniel Craig

這兩個(gè)大的自然性問題在 20 世紀(jì) 70 年代末就已經(jīng)很明顯了，但幾十年來，物理學(xué)家們都把它們當(dāng)作無關(guān)緊要的問題。

“這是在人們對(duì)此感到分裂的階段。”Arkani-Hamed 說。宇宙學(xué)常數(shù)問題似乎與神秘的、量子方面的引力有關(guān)，因?yàn)榭臻g的能量僅通過其引力效應(yīng)被探測到。層次問題看起來更像是一個(gè)“討厭的小細(xì)節(jié)問題”，Arkani-Hamed 解釋說——這種問題，就像過去的兩三個(gè)其他問題一樣，最終會(huì)揭示出一些缺失的拼圖碎片?！跋８袼沟娜觞c(diǎn)”，正如 Giudice 所說的它的不自然的輕盈，不是什么是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的幾個(gè)超對(duì)稱粒子所不能治愈的。

事后看來，這兩個(gè)自然性問題似乎更像是一個(gè)更深層問題的表面癥狀。

“思考一下這些問題是如何產(chǎn)生的是很有用的，”Garcia Garcia 在今年冬天從圣巴巴拉打來的 Zoom 電話中說。"層次問題和宇宙學(xué)常數(shù)問題的出現(xiàn)，部分是因?yàn)槲覀冇脕碓噲D回答問題的工具——我們?cè)噲D理解我們宇宙的某些特征的方式?！?/span>

恰到好處的還原論

物理學(xué)家們用他們有趣的方式誠實(shí)地統(tǒng)計(jì)希格斯質(zhì)量和宇宙學(xué)常數(shù)的貢獻(xiàn)。

這種計(jì)算方法反映了自然界奇怪的嵌套結(jié)構(gòu)。

放大一些東西，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上是許多更小的東西。

從遠(yuǎn)處看，像一個(gè)星系的東西實(shí)際上是一個(gè)恒星的集合；每個(gè)恒星是許多原子；一個(gè)原子進(jìn)一步溶入亞原子部分的層次結(jié)構(gòu)。

此外，當(dāng)你放大到更短的距離尺度時(shí)，你會(huì)看到更重、更有能量的基本粒子和現(xiàn)象——這是高能量和短距離之間的深刻聯(lián)系，解釋了為什么高能粒子對(duì)撞機(jī)就像宇宙的顯微鏡。

高能量和短距離之間的聯(lián)系在整個(gè)物理學(xué)中有許多例子。比如，量子力學(xué)認(rèn)為每個(gè)粒子也是一種波，粒子的質(zhì)量越大，其相關(guān)的波長就越短。另一種是，能量必須更密集地?cái)D在一起以形成更小的物體。物理學(xué)家把低能量、長距離的物理學(xué)稱為“紅外”，把高能量、短距離的物理學(xué)稱為“紫外”，這是用紅外和紫外光的波長來做類比。

在 20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代，粒子物理學(xué)巨頭 Kenneth Wilson和Steven Weinberg 指出了自然界層次結(jié)構(gòu)的非凡之處：它允許我們描述一些大的、紅外尺度上的令人關(guān)注的性質(zhì)，卻不知道在更微觀的、紫外尺度上“真正”發(fā)生了什么。例如，你可以用一個(gè)流體力學(xué)方程來模擬水，把它當(dāng)作一個(gè)光滑的流體，掩蓋其 H2O 分子的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)。流體力學(xué)方程包括一個(gè)代表水的粘度的術(shù)語——一個(gè)單一的數(shù)字，可以在紅外尺度上測量，它總結(jié)了所有這些在紫外尺度下發(fā)生的分子相互的作用。物理學(xué)家說，紅外和紫外尺度“解耦”，能讓他們有效地描述世界的各個(gè)方面，而不用知道在普朗克尺度的深處發(fā)生了什么——最終的紫外尺度，相當(dāng)于一萬億分之一厘米的十億分之一，或者 100 億億電子伏特（GeV）的能量，時(shí)空結(jié)構(gòu)可能在那里溶解成其他東西。

Kenneth Wilson，美國粒子和凝聚態(tài)物理學(xué)家，活躍于 20 世紀(jì) 60 年代至 21 世紀(jì)初，他開發(fā)了一種正式的數(shù)學(xué)方法來描述一個(gè)系統(tǒng)的屬性如何根據(jù)其測量的規(guī)模而變化。（來源：康奈爾大學(xué)教師傳記檔案，#47-10-3394.康奈爾大學(xué)圖書館珍稀和手稿收藏部。）

"瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的理論物理學(xué)家 Riccardo Rattazzi 說：“我們可以研究物理學(xué)是因?yàn)槲覀兛梢詫?duì)短距離發(fā)生的事情保持無知?！?/span>

Wilson 和 Weinberg 分別開發(fā)了粒子物理學(xué)家用來模擬我們的嵌套世界不同層次框架的碎片：有效場論。正是在有效場論的背景下，自然性問題出現(xiàn)了。

有效場論對(duì)一個(gè)系統(tǒng)——比如說一束質(zhì)子和中子——在一定范圍內(nèi)的尺度進(jìn)行建模。將質(zhì)子和中子放大一段時(shí)間，它們會(huì)一直看起來像質(zhì)子和中子，你可以用“手性有效場理論”來描述它們?cè)谶@個(gè)范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)。但隨后有效場論將達(dá)到它的“紫外截止點(diǎn)”，這是一個(gè)短距離、高能量的尺度，在這個(gè)尺度上有效場論不再是對(duì)系統(tǒng)的有效描述。例如，在 1 GeV 的截止點(diǎn)上，手性有效場論停止工作，因?yàn)橘|(zhì)子和中子不再表現(xiàn)得像單個(gè)粒子，而是像夸克的三重奏。一個(gè)不同的理論開始發(fā)揮作用。

重點(diǎn)是，有效場論在其紫外截止點(diǎn)處崩潰是有原因的。截止點(diǎn)是必須找到該理論中不包括的新的、高能粒子或現(xiàn)象的地方。

在其有效范圍內(nèi)，有效場論通過增加代表這些未知效應(yīng)的“修正”來說明截止點(diǎn)以下的紫外物理。這就像一個(gè)流體方程有一個(gè)粘度項(xiàng)來捕捉短距離分子碰撞的凈效應(yīng)。物理學(xué)家不需要知道在截止點(diǎn)處有什么實(shí)際的物理現(xiàn)象來寫這些修正，他們只是用截止點(diǎn)的尺度作為對(duì)有效性范圍的粗略估計(jì)。

通常情況下，當(dāng)你在感興趣的紅外尺度上計(jì)算某些東西時(shí)，紫外修正很小，與截止點(diǎn)相關(guān)的（相對(duì)較?。╅L度尺度成正比。但是，當(dāng)你用有效場論計(jì)算像希格斯質(zhì)量或宇宙學(xué)常數(shù)這樣的參數(shù)時(shí)情況就變了，因?yàn)檫@些參數(shù)有質(zhì)量或能量單位。對(duì)參數(shù)的紫外修正會(huì)很大，因?yàn)椋榱擞姓_的單位）修正與能量相協(xié)調(diào)，而不是與截止點(diǎn)相關(guān)的長度相協(xié)調(diào)。當(dāng)長度很小的時(shí)候，能量就很高。這樣的參數(shù)被叫做“紫外敏感的”。

自然性的概念在 20 世紀(jì) 70 年代與有效場論自身一起出現(xiàn)，作為識(shí)別有效場論必須停止的地方的策略。

因此，新物理學(xué)必須存在。其邏輯是這樣的。如果一個(gè)質(zhì)量或能量參數(shù)有一個(gè)高截止點(diǎn)，它的值自然應(yīng)該是大的，被所有的紫外修正推地更高。因此，如果該參數(shù)很小，那么截止能量必須很低。

一些評(píng)論家認(rèn)為自然性僅僅是一種審美偏好。但其他人指出，這種策略揭示了關(guān)于自然精確的、隱藏的真相?！斑@種邏輯是有效的，”Craig 說，他是最近重新致力于這種邏輯的領(lǐng)先者。自然性問題“一直是情況變化和新事物應(yīng)該出現(xiàn)的標(biāo)志”。

自然性能夠做什么

1974 年，在“自然性”一詞出現(xiàn)的幾年前，Mary K. Gaillard 和 Ben Lee 驚人地利用這一策略預(yù)測了一個(gè)當(dāng)時(shí)被稱為粲夸克的假想粒子的質(zhì)量。Craig 說：“她的成功預(yù)測及其與層次問題的相關(guān)性在我們的領(lǐng)域中被嚴(yán)重低估。”

1974 年的夏天，Gaillard 和 Lee 正為兩個(gè)高子粒子——夸克的合成物——的質(zhì)量差異而感到困惑。測量的差異很小。

但是當(dāng)他們?cè)噲D用有效場論方程來計(jì)算這個(gè)質(zhì)量差時(shí)，他們看到其數(shù)值有爆炸的危險(xiǎn)。因?yàn)楦咦淤|(zhì)量差有質(zhì)量單位，它對(duì)紫外敏感，接收來自截止點(diǎn)的未知物理學(xué)的高能修正。該理論的截止點(diǎn)并不為人所知，但當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家推斷它不可能很高，否則所產(chǎn)生的高子質(zhì)量差相對(duì)于修正值來說會(huì)小的奇怪——正如物理學(xué)家現(xiàn)在所說的那樣，這是不自然的。

Gaillard 和 Lee 推斷出他們的有效場論的低截止尺度，即新物理學(xué)應(yīng)該出現(xiàn)的地方。他們認(rèn)為，當(dāng)時(shí)提出的一種被稱為粲夸克的夸克必須被發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量不超過 1.5 GeV。

三個(gè)月后，粲然夸克出現(xiàn)了，重量為 1.2GeV。這一發(fā)現(xiàn)迎來了被稱為十一月革命的認(rèn)識(shí)復(fù)興，并迅速推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)模型的完成。在最近的一次視頻通話中，現(xiàn)年 82 歲的Gaillard回憶說，消息傳出時(shí)她正在歐洲訪問歐洲核子研究中心（CERN）。Lee 給她發(fā)了一份電報(bào)：魅力已被發(fā)現(xiàn)。

1974 年，Mary K.Gaillard（圖為 20 世紀(jì) 90 年代）和 Ben Lee 使用自然性論證來預(yù)測一種被稱為粲夸克的假想基本粒子的質(zhì)量。幾個(gè)月后，魅力已經(jīng)顯現(xiàn)。（來源：AIP Emilio Segrè 視覺檔案館）

這樣的勝利使許多物理學(xué)家確信，層次問題也應(yīng)該預(yù)示著新粒子不會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子重很多。

如果標(biāo)準(zhǔn)模型的分界線在普朗克尺度附近（研究人員確信標(biāo)準(zhǔn)模型在這里失敗了，因?yàn)樗鼪]有考慮到量子引力），那么對(duì)希格斯質(zhì)量的紫外修正將是巨大的，會(huì)使其輕度變得不自然。在希格斯玻色子本身的質(zhì)量之上不遠(yuǎn)處設(shè)置一個(gè)截止點(diǎn)，將使希格斯的質(zhì)量與來自截止點(diǎn)的修正一樣重，而且一切都會(huì)看起來很自然。

“在過去的 40 年里，這個(gè)方法一直是試圖解決層次問題的工作的起點(diǎn)，”Garcia Garcia 說?！叭藗兲岢隽藗ゴ蟮南敕ǎ绯瑢?duì)稱性、【希格斯】的合成性，我們還沒有看到它們?cè)谧匀唤缰袑?shí)現(xiàn)?！?/span>

2016 年，GarciaGarcia 在牛津大學(xué)攻讀粒子物理學(xué)博士。幾年時(shí)間里，她清楚地意識(shí)到需要進(jìn)行清算?！澳菚r(shí)候我開始對(duì)這個(gè)缺失的部分更感興趣，我們?cè)谟懻搯栴}時(shí)通常不考慮這個(gè)部分，也就是引力。比起有效場論，這個(gè)問題在量子引力中可以看出更多?！?/span>

引力把一切都混在一起

理論家們?cè)?20 世紀(jì) 80 年代了解到，引力并不按照通常的還原性規(guī)則行事。

如果你把兩個(gè)粒子狠狠地撞在一起，它們的能量在碰撞點(diǎn)變得集中，就會(huì)形成一個(gè)黑洞——一個(gè)任何東西都無法逃脫的極端重力區(qū)域。把粒子更用力地撞在一起，它們就會(huì)形成一個(gè)更大的黑洞。更多的能量不再會(huì)讓你看到更短的距離，恰恰相反，你撞得越厲害，產(chǎn)生的不可見區(qū)域就越大。黑洞和描述其內(nèi)部的量子引力理論完全逆轉(zhuǎn)了高能量和短距離之間的常見關(guān)系。紐約大學(xué)物理學(xué)家 SergeiDubovsky 說：“引力是反還原主義的?！?/span>

量子引力似乎在玩弄自然界的架構(gòu)，對(duì)物理學(xué)家已經(jīng)習(xí)慣的有效場論嵌套尺度的整齊系統(tǒng)進(jìn)行嘲弄。Craig 和 Garcia Garcia 一樣，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的搜尋一無所獲后不久，就開始思考引力的含義。在試圖思考解決層次問題的新方案時(shí)，Craig 重讀了歐洲核子研究中心（CERN）理論家 Giudice 寫于 2008 年的一篇關(guān)于自然性的文章。

他開始琢磨 Giudice 的意思：Giudice 寫到宇宙學(xué)常數(shù)問題的解決方案可能涉及“紅外和紫外效應(yīng)之間的一些復(fù)雜的相互作用”。如果紅外和紫外有復(fù)雜的相互作用，那就會(huì)違背通常的解耦，而解耦使有效場理論能夠發(fā)揮作用?！拔抑皇窃诠雀枭纤阉髁恕贤?紅外混合’這樣的東西，”Craig 說，這讓他找到了一些 1999 年的有趣論文，“然后我就開始了?！?/span>

“這是一個(gè)我覺得我們正在進(jìn)行意義深遠(yuǎn)的事情的時(shí)候?！薄狪sabelGarcia Garcia

紫外-紅外混合有可能通過打破有效場論的還原論方案來解決自然性問題。在有效場論中，當(dāng)希格斯質(zhì)量和宇宙學(xué)常數(shù)等量對(duì)紫外敏感時(shí)，自然性問題就會(huì)出現(xiàn)，但不知何故沒有爆炸，好像所有紫外物理學(xué)之間有一個(gè)陰謀，使它們對(duì)紅外的影響無效?！霸谟行稣摰倪壿嬛?，我們拋棄了這種可能性，”Craig 解釋說。

還原論告訴我們，紅外物理學(xué)來自于紫外物理學(xué)——水的粘度來自于它的分子動(dòng)力學(xué)，質(zhì)子從它們的內(nèi)部夸克得到它們的屬性，解釋隨著放大以顯現(xiàn)——而不是相反。紫外并不受紅外的影響或解釋，“所以【紫外效應(yīng)】不可能有一個(gè)陰謀，使希格斯的事情在一個(gè)非常不同的尺度上得到解決。”

Craig 現(xiàn)在提出的問題是：“有效場理論的這種邏輯會(huì)不會(huì)被打破？”也許解釋真的可以在紫外和紅外之間雙向流動(dòng)?！?/span>

這并不完全是異想天開，因?yàn)槲覀冎酪褪沁@樣的，”他說?！耙`反了正常的有效場論推理，因?yàn)樗旌狭怂虚L度尺度的物理學(xué)，包括短距離和長距離。因?yàn)樗@樣做，所以它給了你這個(gè)出路?！?/span>

紫外-紅外混合如何拯救自然性

對(duì)紫外-紅外混合以及它如何可能解決自然性問題的幾項(xiàng)新研究提到了 1999 年出現(xiàn)的兩篇論文。伊利諾伊大學(xué)香檳分校的教授 Patrick Draper 說：“人們對(duì)這些更奇特的、非有效場論式的解決問題方法越來越感興趣，他最近的工作是在 1999 年的一篇論文中進(jìn)行的。

Draper 和他的同事研究了 CKN 約束，該約束是以 1999 年論文作者 Andrew Cohen、David B. Kaplan 和 Ann Nelson 命名的。他們認(rèn)為，如果你把粒子放在一個(gè)盒子里并加熱，在盒子坍塌成一個(gè)黑洞之前，你只能增加粒子的能量這么多。

他們計(jì)算出，在盒子坍塌之前，你能容納的高能粒子狀態(tài)的數(shù)量與盒子的表面積提高到四分之三次方，而不是你可能認(rèn)為的盒子的體積。

他們意識(shí)到，這代表了一種奇怪的紫外-紅外關(guān)系。盒子的大小，設(shè)定了紅外尺度，嚴(yán)重限制了盒子內(nèi)高能粒子狀態(tài)的數(shù)量——紫外尺度。

然后他們意識(shí)到，如果其相同約束適用于整個(gè)宇宙，那么它就解決了宇宙學(xué)常數(shù)問題。在這種情況下，可觀測宇宙就像一個(gè)非常大的盒子。它所能包含的高能粒子狀態(tài)的數(shù)量與可觀測宇宙的表面積的四分之三次方成正比，而不是宇宙的（大得多的）體積。

這意味著通常宇宙學(xué)常數(shù)的有效場論計(jì)算太簡單了。

這種計(jì)算告訴人們，當(dāng)你放大空間結(jié)構(gòu)時(shí)，高能現(xiàn)象應(yīng)該出現(xiàn)，應(yīng)該有炸毀空間的能量。但是 CKN 約束意味著可能存在比有效場論計(jì)算所假設(shè)的少得多的高能活動(dòng)，這意味著可供粒子占據(jù)的高能狀態(tài)少得可憐。Cohen、Kaplan 和 Nelson 做了一個(gè)簡單計(jì)算，對(duì)于像我們宇宙這樣大小的盒子來說，他們的約束或多或少地準(zhǔn)確預(yù)測了觀察到的宇宙學(xué)常數(shù)的微小值。

他們的計(jì)算表明，大小尺度可能以一種方式相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)你看整個(gè)宇宙的紅外屬性，如宇宙學(xué)常數(shù)時(shí)，這種關(guān)聯(lián)會(huì)變得很明顯。

Draper 和 NikitaBlinov 去年在另一個(gè)粗略計(jì)算中證實(shí)，CKN 約束預(yù)測了觀察到的宇宙學(xué)常數(shù)。他們還證實(shí)，這不會(huì)破壞有效場論在小尺度實(shí)驗(yàn)中的許多成功。

CKN 約束并沒有告訴你為什么紫外和紅外是相關(guān)的，即為什么盒子（紅外）的大小嚴(yán)重限制了盒子（紫外）內(nèi)高能狀態(tài)的數(shù)量。對(duì)于這一點(diǎn)，你可能需要了解量子引力。

其他研究人員已經(jīng)在量子引力的一個(gè)特定理論中尋找答案：弦理論。去年夏天，弦理論家 Steven Abel 和 Keith Dienes 展示了弦理論中的紫外-紅外混合如何解決層次和宇宙學(xué)常數(shù)問題。

作為引力和其他一切事物的基本理論的候選者，弦理論認(rèn)為，所有的粒子，近看都是小的振動(dòng)弦。像光子和電子這樣的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子是基本弦的低能量振動(dòng)模式。但弦也可以更有能量地?cái)[動(dòng)，從而產(chǎn)生了具有越來越高能量的無限的弦態(tài)譜。在這種情況下，層次問題問的是，如果沒有超對(duì)稱性這樣的東西來保護(hù)希格斯，為什么這些弦態(tài)修正不會(huì)使它膨脹。

Dienes 和 Abel 計(jì)算出，由于弦理論的一個(gè)不同的對(duì)稱性，即模塊不變性，從紅外到紫外的無限光譜中所有能量的弦態(tài)修正將以恰到好處的方式相互抵消，使希格斯質(zhì)量和宇宙學(xué)常數(shù)都很小。研究人員指出，低能量和高能量弦態(tài)之間的這種共謀并不能解釋為什么希格斯質(zhì)量和普朗克能量一開始就有這么大的差距，只能說明這種差距是穩(wěn)定的。不過，在 Craig 看來，“這確實(shí)是個(gè)好主意?！?/span>

新的模型代表了越來越多的紫外-紅外混合思想。Craig 的研究角度可以追溯到另一篇1999年的論文，由高等研究院著名理論家 Nathan Seiberg 和兩位合著者撰寫。他們研究了有一個(gè)背景磁場填充空間的情況。為了了解這里的紫外-紅外混合是如何產(chǎn)生的，想象一對(duì)由彈簧連接的帶電粒子在空間飛行，垂直于磁場。當(dāng)你提高磁場的能量時(shí)，帶電粒子加速分開，拉伸了彈簧。在這個(gè)場景中，更高的能量對(duì)應(yīng)于更長的距離。

“引力是反還原主義的?！薄猄ergei Dubovsky

Seiberg 他們發(fā)現(xiàn)，這種情況下的紫外修正具有特殊特征，說明還原論可以逆轉(zhuǎn)，即紅外影響到紫外中發(fā)生的事情。這個(gè)模型并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)檎鎸?shí)的宇宙并沒有一個(gè)強(qiáng)加背景方向性的磁場。不過，Craig 一直在探索類似的東西是否可以作為層次問題的解決方案。

Craig，Garcia Garcia 和 Seth Koren 還共同研究了關(guān)于量子引力的一個(gè)被稱為弱引力猜想的論點(diǎn)。如果成真，可能會(huì)施加自然需要希格斯質(zhì)量和普朗克尺度之間巨大分離的一致性條件。

至少從 2013 年開始，紐約大學(xué)的 Dubovsky 就一直在琢磨這些問題，當(dāng)時(shí)已經(jīng)很清楚，超對(duì)稱粒子在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上非常遲緩。那一年，他和兩位合作者發(fā)現(xiàn)了一種新的量子引力模型，解決了層次問題：在該模型中，還原論的箭頭從一個(gè)中間尺度同時(shí)指向紫外和紅外。盡管聽起來很吸引人，但該模型只在二維空間起作用，而且 Dubovsky 沒有頭緒如何將其展開。他轉(zhuǎn)向了其他問題。去年，他再次遇到了紫外-紅外混合。他發(fā)現(xiàn)，在研究碰撞的黑洞時(shí)出現(xiàn)的自然性問題被一種“隱藏”的對(duì)稱性所解決，這種對(duì)稱性將黑洞形狀的低頻和高頻變形聯(lián)系起來。

像其他研究人員一樣，Dubovsky 似乎不認(rèn)為迄今為止發(fā)現(xiàn)的任何具體模型具有明顯的庫恩革命跡象。有些人認(rèn)為整個(gè)紫外-紅外混合概念缺乏前景?！澳壳斑€沒有有效場論崩潰的跡象，”約翰霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家 David E. Kaplan（與 CKN 論文的作者沒有關(guān)系）說?！拔艺J(rèn)為那里沒有東西?！?/span>

為了說服所有人，這個(gè)想法需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但到目前為止，現(xiàn)有的紫外-紅外混合模型在可測試的預(yù)測方面嚴(yán)重不足。它們通常旨在解釋為什么我們沒有看到超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，而不是預(yù)測我們應(yīng)該看到什么。但是在宇宙學(xué)中，即使不是從對(duì)撞機(jī)中，也總是有希望得到未來的預(yù)測和發(fā)現(xiàn)。

綜合來看，新的紫外-紅外混合模型說明了舊范式的弱點(diǎn)——一個(gè)完全基于還原論和有效場理論的范式，而這可能只是一個(gè)開始。

“當(dāng)你進(jìn)入普朗克尺度時(shí)，你就失去了還原論，所以引力是反還原論的，”Dubovsky 說，“我認(rèn)為，從某種意義上說，如果這一事實(shí)對(duì)我們觀察到的事物沒有深刻影響，那將是不幸的?！?/span>

參考文獻(xiàn)：

https://www.quantamagazine.org/crisis-in-particle-physics-forces-a-rethink-of-what-is-natural-20220301/