對(duì)稱的宇宙

苗千

對(duì)于剛剛從一場(chǎng)大爆炸之中誕生出來的宇宙，所要面對(duì)的最嚴(yán)峻問題——在很多物理學(xué)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(zhì)世界基本粒子的性質(zhì)和行為的數(shù)學(xué)框架——標(biāo)準(zhǔn)模型的描述，宇宙大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生出數(shù)量相等的物質(zhì)與反物質(zhì)，而這兩種物質(zhì)一旦相遇，就會(huì)立即發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。從這個(gè)角度看來，宇宙中或許本來就不應(yīng)有任何物質(zhì)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(zhì)，而相比之下，反物質(zhì)則顯得極為稀少，至今也沒有對(duì)人類的生存造成任何威脅。

物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼-哈米德，他是當(dāng)今理論物理學(xué)界的領(lǐng)軍人物

反物質(zhì)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(gè)區(qū)域？在宇宙誕生之初，為什么物質(zhì)與反物質(zhì)并沒有同時(shí)消失？長(zhǎng)久以來，這個(gè)問題困擾著物理學(xué)家們。一方面標(biāo)準(zhǔn)模型的有效性已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)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(xué)設(shè)置了一個(gè)又一個(gè)的悖論。就連宇宙自身的存在也顯示出標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。一些物理學(xué)家認(rèn)為這是因?yàn)槲镔|(zhì)與反物質(zhì)之間存在著極其細(xì)微的差別，正是這種差別讓物質(zhì)逐漸在宇宙中占據(jù)上風(fēng)。這種差別究竟在哪里？物理學(xué)家們測(cè)量了質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量、電量，都顯示完全相同或相反（反質(zhì)子帶有負(fù)電荷），呈現(xiàn)出完美的對(duì)稱。于是一些物理學(xué)家把尋找細(xì)微差別的希望寄托于兩種粒子的磁性上。

想要精確測(cè)量單個(gè)質(zhì)子的磁性尚且困難，要測(cè)量一個(gè)反質(zhì)子的磁性難度自然更高。在實(shí)驗(yàn)室中制造和保存反質(zhì)子本身就是一項(xiàng)難度極高的工作，在測(cè)量的過程中更是不能讓其與任何物質(zhì)相遇。因此，盡量精確地測(cè)量反質(zhì)子的磁矩，對(duì)于物理學(xué)家們來說，本身就是一項(xiàng)難度極高的挑戰(zhàn)。最近，歐洲核子中心（CERN）的一組科學(xué)家出色地完成了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，把人類對(duì)于反質(zhì)子磁矩的測(cè)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?cè)凇蹲匀弧罚∟ature）雜志上發(fā)表論文《對(duì)于反質(zhì)子磁矩的十億分率精度的測(cè)量》（A Parts-per-billion Measurement of the Antiproton Magnetic Moment），展示出人類對(duì)微觀世界中單個(gè)粒子的超強(qiáng)操控能力，同時(shí)這個(gè)結(jié)果也加深了人類對(duì)于反物質(zhì)的迷惑。

在歐洲核子中心“重子-反重子對(duì)稱實(shí)驗(yàn)合作項(xiàng)目”（BASE Collaboration）工作的物理學(xué)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(zhì)與反物質(zhì)之間的完美對(duì)稱，這就是為什么宇宙真的不應(yīng)該存在的原因。”這樣的評(píng)論透出一些無奈，但在這種無奈之中也有著實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的自豪。

在BASE合作項(xiàng)目工作的科學(xué)家們于2014年首先精確測(cè)量了質(zhì)子的磁矩，他們把一個(gè)質(zhì)子限制在磁場(chǎng)中，然后再施加外部磁場(chǎng)對(duì)質(zhì)子自身的磁矩進(jìn)行測(cè)量。隨后他們需要對(duì)反質(zhì)子進(jìn)行同樣的測(cè)量操作：研究者們?cè)?015年制造出了反質(zhì)子，之后一直把它懸浮存儲(chǔ)在一個(gè)特質(zhì)的容器中，使其不與任何物質(zhì)相碰。因?yàn)槿萜鞯脑O(shè)計(jì)極其精妙，使反質(zhì)子始終沒有發(fā)生湮滅，被創(chuàng)紀(jì)錄地保存了405天，這樣穩(wěn)定的儲(chǔ)存環(huán)境也使研究者們有條件對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。隨后BASE合作項(xiàng)目對(duì)反質(zhì)子磁矩的測(cè)量精確到了小數(shù)點(diǎn)后9位，而除了符號(hào)不同之外，它與此前對(duì)質(zhì)子磁矩測(cè)量的數(shù)值完全相同。

在哥倫比亞大學(xué)理論物理學(xué)家皮特·沃伊特（Peter Woit）看來，這次對(duì)反質(zhì)子磁矩的精確測(cè)量算是一次漂亮的實(shí)驗(yàn)，但無關(guān)宇宙本身的存在與否。這個(gè)測(cè)驗(yàn)可以算是人類對(duì)電荷-宇稱-時(shí)間對(duì)稱性定理（CPT Symmetry）的一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與電荷-宇稱不變性（CP Symmetry）無關(guān)，其結(jié)果也符合理論的預(yù)測(cè)。只是通過標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，人類并不知道在宇宙誕生之初，物質(zhì)是否大大多于反物質(zhì)。

問題不僅限于物質(zhì)與反物質(zhì)之間。在形式上非常完美，已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)完美的結(jié)構(gòu)也讓物理學(xué)家感到深深地迷惑，因?yàn)樗谀撤N意義上斷絕了物理學(xué)繼續(xù)向前發(fā)展的可能。在標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的所有基本粒子都被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之后，物理學(xué)家的目標(biāo)就迅速轉(zhuǎn)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(xué)家都還被限制在標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)。正因?yàn)槿绱耍堪l(fā)現(xiàn)一個(gè)新粒子的疑似信號(hào)都會(huì)令物理學(xué)家們激動(dòng)不已。從2015年12月開始，歐洲核子中心的ATLAS和CMS探測(cè)器分別探測(cè)到了異常信號(hào)，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(yuǎn)，在一年多的時(shí)間里，物理學(xué)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(fù)的驗(yàn)證之后，物理學(xué)家們意識(shí)到此前發(fā)現(xiàn)的高能量光子信號(hào)只是異常，此前的激動(dòng)也只是空歡喜一場(chǎng)——物理學(xué)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(cè)器，每個(gè)研究組都有超過3000名高能物理學(xué)家在工作，他們分析著大型重子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的每一次粒子對(duì)撞，幾年的時(shí)間里人們沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)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(shí)空更多的維度，也沒有發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱理論所預(yù)言的各種各樣的超粒子。

人類的物理學(xué)正面臨著前所未有的空虛和迷茫，在圓滿的標(biāo)準(zhǔn)模型之外，物理學(xué)家們看到的是前所未有的荒蕪，這種荒蕪是否蘊(yùn)含著某種深刻？對(duì)于物理學(xué)家們近幾年來在高能物理學(xué)領(lǐng)域的失敗，目前理論物理學(xué)界的領(lǐng)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(xué)家做出了各種預(yù)測(cè)，居然沒有一個(gè)正確。

除了暗物質(zhì)和暗能量的真實(shí)身份需要被解開之外，物理學(xué)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(zhì)量在物理學(xué)家們看來非常的“不自然”，是出于某種對(duì)稱，還是在宇宙誕生之后被“塑造”至此？在粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中遲遲無法發(fā)現(xiàn)新粒子，這是否會(huì)為物理學(xué)家們帶來某種靈感，轉(zhuǎn)而發(fā)現(xiàn)關(guān)于宇宙整體的某種結(jié)構(gòu)？（本文寫作參考了《自然》和《Quanta》雜志的報(bào)道）