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如何寻找宇宙中第五种基本作用力?

2021-06-22  大科技杂...

有越来越多的迹象表明,宇宙中存在第五种基本作用力。

宇宙的演化是一幕惊心动魄的连轴大戏。138亿年前,随着“砰”的一声,幕布拉开了。随后,一幕幕戏轮番上演:一颗颗恒星形成,又以超新星爆炸的形式化为灰烬;众多相邻的恒星组成一个大家庭——星系,星系又组成星系团;恒星坍塌成黑洞;黑洞张开永不餍足的大嘴,吞噬靠近它的一切;黑洞与黑洞又相互合并,在空间发出时空的涟漪……

但是,这幕宇宙大戏我们看得越久,越觉得它编排得草率粗糙,漏洞百出。有些地方情节太短;有些地方剧情跳跃;有的地方只留了个线索就中断了;有些角色演得莫名其妙……总而言之,在这出戏里,总让你觉得欠缺某种本该贯穿始终的东西。

宇宙学家也越来越明白,这样东西是什么。我们假设只有四种基本作用力在驱动宇宙的演化,但理论和实验表明,基本作用力可能不止四种,而是有五种,六种,甚至更多。如果这一猜测得到证实,那绝对是一件了不起的大事。

莫名其妙的宇宙暴胀

基本作用力在驱动着宇宙的演化。它们告诉各色“演员”——从粒子到行星——它们在宇宙演化这幕戏中扮演什么角色,如何动作。我们知道的四种基本作用力是引力、电磁力、弱核力和强核力。其中引力最孤僻,它是唯一不能用粒子物理学的“标准模型”来描述的一种力;然而偏偏是它,决定了宇宙的总体剧情发展。

宇宙演化故事中隐含的漏洞,从宇宙诞生那一刻起就开始了。现在从最大尺度来看,星系似乎分布得非常均匀;宇宙各处的温度也非常均匀。可是,按照大爆炸理论,情况不应该是这样的。

为什么呢?我们需要先讲点热力学的知识。热力学告诉我们,在一个空气密度均匀的房间里,也并不是每一体积单元所包含的空气分子数绝对相同;在某一刻,这一体积单元中分子数比平均值多几个,那一体积单元中分子数比平均值少几个,是很平常的事情。这叫涨落。一般来说,涨落的相对幅度是不变的。这意味着,密度越大,涨落的绝对幅度就越大。例如,假设涨落的相对幅度是0.001%,当分子密度是10000个/立方米时,涨落只有1个/立方米;当分子密度是1010个/立方米时,涨落就达10000个/立方米了。

既然是涨落,有涨有落嘛,所以任何一处的涨落都是不能持久的。这一刻比平均密度多了,下一刻可能就少了。通过这种方式,物质分布的均匀状态得以保持。但这是一种动态的平衡,其前提是,每个体积单元的物质有充分的时间交换;倘若隔离开来,涨落可能就会永久保持。比如我们设想一个精灵,当它一发现房间里某体积单元中分子数比平均值多了10个,就立刻把这块空间隔离起来,那么从此以后,这块空间的密度就永远比平均值多10个了。

为什么要说这些呢,因为大爆炸理论最初就遇到这样一个难题。早期宇宙物质密度非常大,涨落的绝对值也势必非常大,但另一方面,宇宙膨胀得又很快,各个区域的物质还没来得及充分交换就因空间膨胀而彼此隔离了。这样一来,最初的涨落就被保留下来,而且涨落的绝对幅度是非常大的。这意味着,我们今天观察到的宇宙应该是相当不均匀的,然而这跟事实不符。

为了解决这个问题,有人提出一种所谓的“暴胀假说”。该理论说,宇宙在诞生之后不久,在极短的时间内经历了一次暴胀:在远远小于1秒的时间里,宇宙的半径增大了至少1026倍。暴胀之后,宇宙又恢复了正常的膨胀。暴胀极大地稀释了宇宙早期的物质密度,使得随后的密度涨落绝对值小了26个数量级。这样一来,就算之后各个区域的物质相互隔离,各自演化,它们之间的差异也不至于太大。所以,我们今天观察到的宇宙能如此均匀。

这个假说很漂亮,是不是?但我们不禁要问一句:宇宙为什么会神经质地暴胀呢?说实话,对这个问题谁也给不出满意的答案,而且暴胀假说迄今也没有得到任何观测证据的支持。

至今还没影儿的两样东西

前面我们已经谈到了宇宙演化的第一个离奇剧情:暴胀。

第二个让人困惑的问题是在20世纪80年代提出来的。我们知道,当一个星系旋转时,组成它的物质也要跟着旋转,假如没有力拉着,旋转的物质就会飞出去。引力在星系中就扮演了拉力的角色,它把星系的各个部分紧紧拽住。我们知道,引力是跟质量成正比的,但天文学家观察到,大多数星系中并没有足够多的可见物质来产生足够强的引力,来拉住星系边缘的物质;不过,奇怪的是星系的边缘居然也没有解体。于是,宇宙学家提出,一定是一些额外的不可见物质的引力维持住了星系。他们称其为“暗物质”。仔细一算,暗物质竟然占了宇宙物质总量的85%左右。但组成这种神秘物质的粒子是什么,它有哪些性质,我们至今都不知道。

第三个难题出在20世纪90年代末。当时人们通过对遥远的超新星的观测,发现宇宙膨胀正在加速。按理说,在宇宙的大尺度上,只有引力在起作用,而引力只会把物质拽在一起,给宇宙膨胀“刹车”,所以随着时间推移,宇宙膨胀应该不断减速才合常理。可是现在却剧情大反转,宇宙正在加速膨胀,你说多出人意料?于是,宇宙学家只好设想存在一种未知的能量,是它们在暗中与引力较量,推动宇宙加速膨胀。天文学家称之为“暗能量”。经过计算他们发现,暗能量在宇宙总的物质-能量中,竟然又占大头,比暗物质的份额还大。

暗能量究竟是什么?物理学家不得不到量子物理学中找候选者。在量子物理学中,空无一物的真空也是有能量的;可以说,真空就像一个沸腾的海洋,各种粒子不时从中蹦出又消失。但是当宇宙学家借助真空能来解释暗能量时,他们却发现,真空的能量太大了,比解释宇宙加速膨胀所需要的暗能量,足足大了120个数量级。看来暗能量不可能是真空能。那它会是什么呢?宇宙学家对此一筹莫展。

引入新作用力的必要

这三个问题也许不是独立的,也许有着同一个病根。有人认为,病根就在于万有引力上。他们怀疑,现有的描述引力的理论,不论是牛顿的引力定律还是爱因斯坦的广义相对论,都是有缺陷的。有人试图“修正”牛顿的万有引力定律,让引力跟距离的二点几次方成反比。这样引力就弱下来了,似乎不必借助暗能量就能解释宇宙的加速膨胀,但这样一来,在别的方面制造的问题比解决的还多。而迄今描述引力的最严格的理论——广义相对论就更难动摇了,因为它通过了一次次检验,包括最近对黑洞碰撞时产生的引力波的检测。

我们学习写作文,当故事写不下去时,老师就鼓励我们在故事中引入新角色。同样的道理,当宇宙学家一筹莫展的时候,他们也开始考虑要不要在宇宙演化这幕大戏中引入新角色。这样,第五种基本作用力就呼之欲出了。而且,确实有几个迹象表明它可能存在。

让我们先来看看,假如新的基本作用力存在,它应该具备什么特征,这样在找的时候才能有的放矢。

前面提到,除了引力,电磁力、弱核力和强核力都可以被粒子物理学的“标准模型”解释。在“标准模型”里,它们都是可以被“量子化”的,就是说,它们都有对应的传递作用力的玻色子(基本粒子家族按自旋可分成半整数和整数两类。自旋为半整数的,称为费米子;自旋为整数的,称为玻色子。费米子构成物质,玻色子则传递相互作用力)。譬如,传递电磁力的是光子;传递弱核力的是W和Z玻色子;传递强核力的是胶子。这些粒子都是玻色子。

至于引力呢,目前还没法用量子的语言来描述,因为人们还没有将描述引力的广义相对论与量子理论统一起来。不过,大多数物理学家相信,它们的“联姻”是迟早的事。换句话说,引力最终也是可量子化的,也由相应的玻色子来传递。这个假想中的粒子被称为“引力子”。

遵循这个逻辑,任何第五种基本作用力都必须是量子化的,都应该有对应的玻色子。反之,我们要是发现了一种新的玻色子,就可以有把握地说,我们找到了一种新的基本作用力。

前面提到,我们引入新角色目的是想一揽子解决三个问题。不过对于暴胀来说,这是一个138亿年前的一次性事件,不管肇事者是谁,它可能早就离开舞台了,我们无从追蹑。然而,当谈到另一个无法解释的宇宙之谜——暗物质和暗能量时,我们似乎有一些线索。

新的玻色子,新的作用力

这要追溯到2015年,当时匈牙利一个研究小组注意到,不稳定的同位素铍-8核衰变时出现异常,似乎表明受到一个寿命更短、运动缓慢的粒子的干扰。它的质量约为17MeV,是电子质量的30倍多一点,但远小于大多数已知粒子的质量。而且最重要的是,它看起来像一个玻色子。2019年底,该小组又报告在氦原子核衰变中出现类似的异常,暗示着存在一种新的玻色子,它以一种新的方式与原子核内的中子在短距离内相互作用。

由于玻色子的质量跟它所传递的作用力的强度和作用力范围直接相关,研究人员计算出,该粒子传递的作用力是非常弱的,如果将其设想成存在于暗物质与普通物质之间的相互作用力,似乎蛮合适。因为我们知道,在暗物质与普通物质之间,除了引力,几乎没有其他作用;即使有作用,也是极其弱的。

这个发现以及对它的解释,引起极大的争议。一般来说,物理学家们期待的传递作用力的新粒子,要么质量非常重,传递的作用力距离非常短,以至于在目前人力所及的微观尺度上还显不出来(比如核力在宏观世界就显不出来);要么质量非常轻,传递的作用力非常弱,以至于在微观领域可以忽略不计(像引力);这样,跟现有的理论才能协调一致。而现在预言中的新粒子,两者都不是,它的质量说轻不轻,说重不重。所以,这个解释要说服人,还需要做更多的工作。当然,最重要的是先确认这个新粒子是否存在。目前意大利的一个小组正在做这类实验,预计2021年会公布结果。

寻找变色龙力

与此同时,另一个研究小组正在设想一种强度会随着环境而改变的力,他们称其为“变色龙力”。其思想是,传递变色龙力的粒子会根据周围环境的物质密度而改变其质量,从而改变其强度和作用范围(因为粒子质量直接决定其强度和作用范围)。在平均物质密度较高的地方(例如在地球周围),变色龙粒子质量会更重,这意味着变色龙力在地球附近作用范围较小(质量大,作用范围就小),因此难以被我们探测到。但变色龙粒子的质量在星系之间空无一物的空间会小得多,在那里它会有更大的作用范围——假如它恰好是斥力,就可以解释宇宙为何加速膨胀。

也许你对粒子质量会改变的想法感到奇怪。事实上,这类现象在物理学中并不鲜见。譬如,光从真空进入介质中传播,速度会慢下来。对于这一现象,我们一般这样解释:静止质量为零的光子从真空进入介质后,在前进途中遇到了介质的阻力。但还有另一种解释:光一直在真空中传播,只是一开始静止质量为零,后来静止质量不为零了,所以速度慢下来。这两种解释是等效的:介质阻力等效于光子静止质量的增加。所以,粒子在传播途中改变质量,在物理学上是允许的。

2018年,科学家进行了模拟,结果显示,宇宙中加入变色龙力之后,一样能形成我们现在所看到的星系。现在的挑战是,看看宇宙在有变色龙力和没有变色龙力(只有引力)这两种情况下,其长期演化的结果中有没有什么细微差别,如果有细微差别,就可以通过下一代望远镜来验证。

不过,有的人已经等不及了,他们希望通过实验直接来寻找变色龙力。

2018年,英国的一个小组在地下实验室开展了一项实验。他们制作了一个保龄球大小的真空腔,中心有一个玻璃弹子大小的金属球。根据设想,假如存在变色龙力,它在金属球体和腔壁附近强度会大些(因为附近的物质密度大),而在两者之间变色龙力的强度会减弱(因为是真空)。换句话说,变色龙力的力场是变化的。这样一来,假如在真空腔内以一个微小的初速度扔进一个原子,它在运动过程中就会加速或减速,观察它的运动,就能暴露变色龙力的存在。当然,这个实验的精度要求非常高。

这个小组2019年报告了结果。他们没有发现变色龙力存在的迹象,但理论家们不甘心,还在设想变色龙力“变色”的其他可能性。

这方面的工作最近几年事实上很热门,上面举的只是其中的两例。

现代物理学发展有一个趋势,即物理学家总希望把所有力统一起来——爱因斯坦后半辈子主要就做这件事情。他们认为,只要把四种作用力统一起来,物理学的“大厦”就竣工了。但暗物质和暗能量的出现打破了他们的美梦,使他们意识到:我们现已拥有的四种基本作用力,只能解释普通物质,而普通物质似乎只占宇宙物质-能量的5%;即便大统一的梦想实现了,物理学“大厦”也远未竣工。还有很多重要的事情等着物理学家们去干,而探索新的基本作用力,就是其中一件意义重大的事情。

拓展阅读

基本作用力家族四兄弟

电磁力:解释原子为什么结合在一起以及一切与光有关的现象

描述它的理论:量子电动力学(QED)

传递它的粒子:光子(由1905年爱因斯坦预言)

作用范围:无限

弱核力:导致放射性β衰变和点燃恒星核聚变的原因

描述它的理论:弱电理论(在高能情况下与QED统一的理论)

传递它的粒子:W和Z玻色子(1968年预言,1983年发现)

作用范围:10-18米量级

强核力:使质子和中子在原子核内结合在一起

描述它的理论:量子色动力学(QCD)

传递它的粒子:胶子(1962年预言,1979年发现)

作用范围:10-15米量级

引力:使星系保持在一起,行星围绕太阳运动

描述它的理论:广义相对论

传递它的粒子:如果引力场是可量子化的,那就应该存在引力子

作用范围:无限

什么是力?什么是基本作用力?

拿着这本杂志,或者向下滑动你手机的屏幕,你都在施加一种力:两个物体通过接触产生的相互作用,也就是所谓的“接触力”。这些作用力对物体运动状态的影响,可以用牛顿运动定律来描述。

但基本作用力是一种相当不同的东西:即使不接触,物体之间也存在这种作用。当牛顿在万有引力定律中第一次提出这种“远距离作用”时,他也感到十分困惑:不接触的物体怎么能有相互作用呢?

现在,我们搞明白了,这一切都要归因于充满空间的场的作用。在现代物理学中,场是一个比力更基本的概念。

什么是场呢?通俗地说,它们是两个物体之间的媒介。就我们目前所知的四种基本作用力中的三种(电磁力、强核力、弱核力),它们是伴随着被称为“玻色子”的粒子而来的量子场。这些粒子在两个物体之间抛来抛去,于是作用力就产生了。

奇怪的是引力场。根据广义相对论,引力是质量扭曲时空的产物。引力场在任何一点上的强度,实质上是一个有质量的物体使其周围时空弯曲的程度。

在任何情况下,把基本作用力和普通力区分开来的是,看它能不能最终被还原为另一种力或场。例如,摩擦力和空气阻力最终可以被还原为电磁力,所以它们就不是基本作用力。

第五种基本作用力已经有啦,只是……

当正文中谈到第五种基本作用力八字还没有一撇的时候,物理学家完全有理由反驳:我们事实上已经发现啦。

2012年,物理学家在大型强子对撞机上发现了希格斯玻色子。它对应的希格斯场,以赋予所有其他粒子质量而闻名。但是希格斯场不仅仅是一个质量给予者,它也是另一种基本作用力场,从理论上说,它有资格跻身基本作用力的家族中。

然而,你很少听到物理学家把它当作第五种基本作用力。原因是,希格斯子的质量太大了,希格斯场的作用范围小到几乎无法探测的地步,所以你要是固执地认定,“眼见为实”,只有看到它对物体的作用之后方能肯定它的存在,那么我们只好承认,它确实还没有被发现。

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