對稱的宇宙

苗千

對于剛剛從一場大爆炸之中誕生出來的宇宙，所要面對的最嚴峻問題——在很多物理學家看來——就是如何不馬上又消失于無形之中。根據(jù)人類用來描述物質世界基本粒子的性質和行為的數(shù)學框架——標準模型的描述，宇宙大爆炸應該產(chǎn)生出數(shù)量相等的物質與反物質，而這兩種物質一旦相遇，就會立即發(fā)生湮滅，轉化為能量。從這個角度看來，宇宙中或許本來就不應有任何物質存在。問題就在于，任何人都可以通過自身的存在來證明，經(jīng)過了140多億年的演化之后，宇宙中仍然存在著大量的物質，而相比之下，反物質則顯得極為稀少，至今也沒有對人類的生存造成任何威脅。

物理學家尼瑪·阿卡尼-哈米德，他是當今理論物理學界的領軍人物

反物質究竟在哪里？是已經(jīng)通過湮滅幾乎消失殆盡，還是大量存在于宇宙的某個區(qū)域？在宇宙誕生之初，為什么物質與反物質并沒有同時消失？長久以來，這個問題困擾著物理學家們。一方面標準模型的有效性已經(jīng)得到了充分的驗證，它可以描述宇宙中的大部分物理現(xiàn)象，另一方面它又為物理學設置了一個又一個的悖論。就連宇宙自身的存在也顯示出標準模型并不完備，人類的探索仍未完成。

宇宙并未消亡于誕生之初，而且在目前看來物質遠多于反物質。一些物理學家認為這是因為物質與反物質之間存在著極其細微的差別，正是這種差別讓物質逐漸在宇宙中占據(jù)上風。這種差別究竟在哪里？物理學家們測量了質子與反質子的質量、電量，都顯示完全相同或相反（反質子帶有負電荷），呈現(xiàn)出完美的對稱。于是一些物理學家把尋找細微差別的希望寄托于兩種粒子的磁性上。

想要精確測量單個質子的磁性尚且困難，要測量一個反質子的磁性難度自然更高。在實驗室中制造和保存反質子本身就是一項難度極高的工作，在測量的過程中更是不能讓其與任何物質相遇。因此，盡量精確地測量反質子的磁矩，對于物理學家們來說，本身就是一項難度極高的挑戰(zhàn)。最近，歐洲核子中心（CERN）的一組科學家出色地完成了這項實驗，把人類對于反質子磁矩的測量精度在此前的記錄上又提高了上百倍。2017年10月20日，他們在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表論文《對于反質子磁矩的十億分率精度的測量》（A Parts-per-billion Measurement of the Antiproton Magnetic Moment），展示出人類對微觀世界中單個粒子的超強操控能力，同時這個結果也加深了人類對于反物質的迷惑。

在歐洲核子中心“重子-反重子對稱實驗合作項目”（BASE Collaboration）工作的物理學家克里斯琴·斯莫拉（Christian Smorra）說：“我們所有的觀察都顯示出了物質與反物質之間的完美對稱，這就是為什么宇宙真的不應該存在的原因。”這樣的評論透出一些無奈，但在這種無奈之中也有著實驗物理學家的自豪。

在BASE合作項目工作的科學家們于2014年首先精確測量了質子的磁矩，他們把一個質子限制在磁場中，然后再施加外部磁場對質子自身的磁矩進行測量。隨后他們需要對反質子進行同樣的測量操作：研究者們在2015年制造出了反質子，之后一直把它懸浮存儲在一個特質的容器中，使其不與任何物質相碰。因為容器的設計極其精妙，使反質子始終沒有發(fā)生湮滅，被創(chuàng)紀錄地保存了405天，這樣穩(wěn)定的儲存環(huán)境也使研究者們有條件對其進行精確的測量。隨后BASE合作項目對反質子磁矩的測量精確到了小數(shù)點后9位，而除了符號不同之外，它與此前對質子磁矩測量的數(shù)值完全相同。

在哥倫比亞大學理論物理學家皮特·沃伊特（Peter Woit）看來，這次對反質子磁矩的精確測量算是一次漂亮的實驗，但無關宇宙本身的存在與否。這個測驗可以算是人類對電荷-宇稱-時間對稱性定理（CPT Symmetry）的一個實驗驗證，與電荷-宇稱不變性（CP Symmetry）無關，其結果也符合理論的預測。只是通過標準模型的預測，人類并不知道在宇宙誕生之初，物質是否大大多于反物質。

問題不僅限于物質與反物質之間。在形式上非常完美，已經(jīng)由實驗充分驗證的標準模型，已經(jīng)成為人類理解自然界深層次美感的典范，但這個完美的結構也讓物理學家感到深深地迷惑，因為它在某種意義上斷絕了物理學繼續(xù)向前發(fā)展的可能。在標準模型所預言的所有基本粒子都被實驗發(fā)現(xiàn)之后，物理學家的目標就迅速轉變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)新粒子，以此作為超越基本模型的突破口。

至今為止，全世界所有的高能物理學家都還被限制在標準模型之內(nèi)。正因為如此，每發(fā)現(xiàn)一個新粒子的疑似信號都會令物理學家們激動不已。從2015年12月開始，歐洲核子中心的ATLAS和CMS探測器分別探測到了異常信號，這可能是出現(xiàn)某種新粒子的征兆。盡管這種異常與真正的發(fā)現(xiàn)距離尚遠，在一年多的時間里，物理學家們就已經(jīng)發(fā)表了500多篇試圖分析解釋這種新粒子的論文。

經(jīng)過反復的驗證之后，物理學家們意識到此前發(fā)現(xiàn)的高能量光子信號只是異常，此前的激動也只是空歡喜一場——物理學又回到了原地。令人氣餒的情況還不只如此，在歐洲核子中心的ATLAS 和CMS探測器，每個研究組都有超過3000名高能物理學家在工作，他們分析著大型重子對撞機進行的每一次粒子對撞，幾年的時間里人們沒有發(fā)現(xiàn)暗物質的痕跡，沒有發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的表親，沒有發(fā)現(xiàn)時空更多的維度，也沒有發(fā)現(xiàn)超對稱理論所預言的各種各樣的超粒子。

人類的物理學正面臨著前所未有的空虛和迷茫，在圓滿的標準模型之外，物理學家們看到的是前所未有的荒蕪，這種荒蕪是否蘊含著某種深刻？對于物理學家們近幾年來在高能物理學領域的失敗，目前理論物理學界的領軍人物尼瑪·阿卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）感到有些難以置信：眾多物理學家做出了各種預測，居然沒有一個正確。

除了暗物質和暗能量的真實身份需要被解開之外，物理學中還有一些基本問題也需要超出基本模型的理論給出解釋。例如希格斯玻色子的質量在物理學家們看來非常的“不自然”，是出于某種對稱，還是在宇宙誕生之后被“塑造”至此？在粒子對撞實驗中遲遲無法發(fā)現(xiàn)新粒子，這是否會為物理學家們帶來某種靈感，轉而發(fā)現(xiàn)關于宇宙整體的某種結構？（本文寫作參考了《自然》和《Quanta》雜志的報道）