[中配]揭開宇宙的神秘面紗：從古巴比倫到現代科學

這是三千年前繪製的最古老世界地圖 巴比倫人真心認為他們生活在一片被廣闊海洋包圍的平坦土地上 位於一個對稱的七角星的中心 他們確信世界不可能是其他任何東西 只能是純粹和對稱的 而今天我們知道在大爆炸後的最初時刻 確實是那樣的 那是一個均勻充滿能量的發光球體 但隨後一些神祕的過程使一切變得更加複雜 超過130億年後 我們的宇宙成為一個無序的星系團網絡 四散在各個方向 而在微觀層面 奇怪的量子粒子展現出非常矛盾的特性 儘管如此 現代科學家仍然追隨古巴比倫最傑出思想者的步伐 不斷提出其和諧且系統的理論 以纏綿宇宙在各個層面上的運行方式 但一旦他們開始認為自己接近真理 就會出現問題 打破物理公式的完美性 如果這不是因為我們的科學有缺陷 那會不會是即將到來的混沌的徵兆 難道我們生活在一個短暫的時期 在這個時期物理定律仍然適用於這個星球 並使我們得以存在嗎 我們的宇宙實際上是由什麼來支配的 對稱還是混沌 我們能否在未時已晚之前 揭示它隱藏的規則 我們不久前才意識到宇宙是破碎的 僅僅在五百年前 大多數學者確信地球位於宇宙的中心 太陽和其他行星圍繞著它轉動 這個美觀的地心模型只有一個缺陷 為了從地球的角度解釋其他行星的軌道 科學家們必須認同其運動十分不規則和異常 尼古拉斯·戈白尼的日心模型之所以被接受 主要是因為它使得那些軌道變得更容易理解 一旦太陽被放置在中心 所有其他天體突然開始以完美的圓形軌道飄移 而公元1595年 德國數學家約翰·內斯 開普勒試圖找出一種方法 來描述行星的軌道並結束爭議 突然這個答案像火車一樣撞進來了 那時天文學家只知道 除了地球之外的五顆行星 分別是水星、金星、火星、木星和土星 這與五種經典的三維圖形 柏拉圖立體完美契合 開普勒發現 如果將它們互相嵌套 我們就能得到六個圓形軌道 就像太陽系中的那些軌道 開普勒在他的日記中寫道 然而不久後 他完美的模型與混亂的現實發生了碰撞 火星頑固地拒絕按照計算出的圓形軌道運行 要麼提前要麼滯後 心情沉重的開普勒 將他的邏輯模型扔進了垃圾桶 重新開始計算 因此他提出了新的行星運動定律 他們中的第一個定律說明 行星圍繞太陽運動的軌道是橢圓形的 太陽並不在中心 而是在這個橢圓軌道的一個焦點上 然而這並沒有完全解釋一些小的奇異現象 比如水星奇特的軌道 只有20世紀進行的準確天文觀測 幫助astronomers確定行星並不是都在同一個平面上 圍繞太陽旋轉 事實上每個軌道的傾斜度約為一度 而水星的傾斜度幾乎達到兩度 如果開普勒能看到這一幕 肯定會驚掉下巴 太陽系的對稱星遠不如他所期望的那樣 好消息是後來愛因斯坦發展廣義相對論時 所有這些奇特現象終於得到了解釋 條理清晰、準確、簡戀、簡單而美麗 實際上它的普遍有效性 是科學家們開始相信它可以應用於任何地方 並解答他們所有的問題 他們希望這能澄清原子的結構 因為原子看起來就像微小的太陽系 但在1925年 當維爾納·海森堡試圖利用愛因斯坦的公式計算電子軌道時 他最後得出的結果卻是一堆毫無意義的東西 電子原本應該在幾秒鐘內落入原子核 這意味著如果愛因斯坦是對的 宇宙中的所有物質都必須立刻崩潰 海森堡以及後來的其他物理學家 如厄爾文、薛定諤 意識到準確確定基本粒子的所有參數是根本不可能的 原子實際上看起來像是電子和原子核可能位置的混沌雲 這就是量子力學出現的過程 它的概念框架被稱為量子場論 直到生命的盡頭 愛因斯坦都希望他能夠將其與他的廣義相對論統一起來 但是儘管最傑出的科學家們付出了努力 我們的宇宙似乎仍然被分成兩個不對稱的部分 行星和星系的運動等宏觀現象與相對論理論是一致的 微觀粒子的世界受量子場論支配 如果你試圖將它們共同作用 所有公式給出的唯一答案就是無窮大的數 這對物理學家來說簡直是個噩夢 與此同時科學家們在量子場理論的核心 發現了一種令人欣喜的基本對稱性 電荷與乘和時間對稱性 簡單來說如果你反轉所有粒子的電荷 反射它們在鏡子裡或者讓它們逆向時間旅行 量子力學的定律就必須保持不變 發現這些對稱性也不起作用會令人沮喪 然而這正是20世紀中葉及其後進行的新實驗 所向我們展示的 而且理論的完美又一次開始在現實的混亂中失利 但是宇宙的基本對稱性對於物理學家和我們所有人來說 為何如此重要呢 起初連愛因斯坦開創性的相對論 也給世界帶來了大量混亂 因為在當時它動搖了物理學的基礎 能量守恆定律 我們知道任何事物都不可能憑空而生 也不可能無緣無故消失 但當天文學家開始拍攝遙遠的星系時 他們看到的並不是像仙女座星系那樣明亮的恆星盤 而是一些模糊的紅色斑點 正如廣義相對論所預測的 在穿越宇宙的過程中 它們的光子失去了能量導致紅移 愛因斯坦的同時代 人看到能量守恆法則突然失效感到非常困惑 這個謎團是由德國數學家埃米諾特解決的 1915年他成為歷史上第一位 將宇宙的對稱性與守恆定律聯繫起來的科學家 例如當你打檯球時 你期望通過讓另一顆球撞擊它 來輕鬆進一顆球 如果你是一個有經驗的玩家 感覺機球太軟或太硬 你會立刻想確認檯球桌是否傾斜 換句話說 它的表面是否對稱於地面 埃米諾特意識到 這種空間對稱性帶來了動量守恆 這正是讓你在打檯球時 能夠精準擊球並贏得比賽的原因 出於同樣的原因 投擲到外太空的球會不斷向一個方向前進 直到碰到某個障礙 至於你投擲那個球時所站的空間站 它能夠保持在軌道上 正是由於球形地球的旋轉對稱性 使得其衛星能夠保持角動量而不下墜 最後擊打檯球 或將其拋入太空的時機並不重要 今天做 下週做 你永遠都會得到相同的結果 根據默特定理 這種時間對稱性意味著能量守恆定律 儘管從全球範圍來看 現今的宇宙與過去的宇宙大相逕庭 不斷且日益混亂的擴張 使其形狀變得越來越不對稱 因此守恆定律在對稱的地球上運作良好 但在不對稱的宇宙中變得不可靠 使得來自遠處角落的光子失去能量 阿爾伯特·愛因斯坦本人稱讚艾米 諾特是一個創造性的天才 讚賞他的這一見解以及發現每一個對稱性 都與某種守恆定律相聯繫 幾十年後 他的理論被從事新量磁場理論研究的物理學家採納 他們沒想到混亂也會破壞他們整體的公式 在19世紀中葉 邁克爾·法拉蒂證明瞭電荷守恆定律 而僅僅一個世紀後 顯而易見的是得益於諾特定理 這也基於對稱性的概念 每個帶電粒子在周圍都會產生電磁波 無論你選擇哪個相位作為起點 無論是低下還是高下 相應的公式是一樣的 粒子也會保持起電荷 這種相位對稱性 使科學家能夠將急需的電荷對稱性加入到量子場論中 因為你可以任意調整正負符號 但電荷的表現是一樣的 另一個基本屬性與稱對稱性似乎顯而易見 因此理論家們認為無需證明 如果你將整個宇宙都反射過來 大多數人會變成左撇子 地球上的大多數城市會改為左側通行 時鐘的指針也會反向移動 但他們還是會一樣的走動 人和車都將繼續做他們以前做的事 令所有人驚訝的是 這位華裔美國物理學家錢生悟 在1956年打破了夾角對稱性 或者更確切地說 他成為歷史上第一位科學家 建立了宇宙這一基本屬性已經被混沌扭曲的事實 無將不穩定的孤原子置於多方向的磁場中 並考慮到與稱對稱性 期望他們在衰變過程中 以兩個相反的方向釋放電子 但實際上一旦電子離開孤原子 他們只選擇朝一個方向移動 無科學家一遍又一遍地進行實驗 但控制原子衰變的弱相互作用 絲毫沒有遵循對稱性的意圖 就像電磁學和引力一樣 對美麗的量子場論的這一意外攻擊 深深震撼了整個科學界 物理定律似乎像紙盤屋一樣崩潰了 在絕望中 一些研究者假設儘管與稱對稱性被違反 但結合的電荷與稱對稱性必須是成立的 否則他們需要重寫舊的量子理學原理 但無的實驗中最驚人的結論是 宇宙在宇宙學家眼中 似乎在各個方向上大致相同 但畢竟可以有空間間隔的方向性 就像地球不是一個幾乎完美的球體 而是一個細長的紡錘形星球 2020年來自新南威爾士大學的澳大利亞科學團隊 仔細研究了來自130億光年外 非常遙遠的類星體的光 得出結論認為電磁學定律和這些光的來源地 與我們習慣的有所不同 這個區別如此微妙 以至於科學界起初拒絕承認它 但現在無法否認顯而易見的事實 這意味著我們的宇宙比我們想像的更加破碎 因為其某些部分與相鄰區域截然不同 或者隨著時間的推移 條件在各處不受控制的變化 但如果有一天地球被困在一個物理定律與我們無關的區域 會怎樣呢? 它會帶來什麼不可預測的後果? 然而非對稱現象並不總是對科學或世界本身造成災難 打破宇宙的對稱原則是如何造就我們所有的 在1920年代 一位物理學家在我們熟知的愛因斯坦超電線公式EMC平方中 看到了明顯的對稱性破缺 他描述的是完全靜止的物質 而電子卻像小型亞原子戰鬥機一樣在軌道上快速穿梭 這就是科學家們決定恢復對稱性的原因 他叫保羅·狄拉克創作了一條同樣優雅的方程 巧妙地同時運用愛因斯坦的相對論和量子力學 以兩種矛盾的方式描述電子的運動 不過沒過多久 狄拉克就注意到他的公式揭示了一種新的頗為不受歡迎的對稱性 根據他的公式電子可以同時具有正能量和負能量 這聽起來很荒謬 儘管如此 狄拉克依然為這個方程極其自然的優美感到自豪 因此他還是選擇發表了這個方程 永遠改變了物理學 不久之後 美國科學家卡爾·大衛·安德森研究宇宙射線 發現了一種帶有很強正電荷的電子及正電子 電荷的對稱性賦予了他一個令人驚訝的特性 當與一個普通電子碰撞時 這兩個粒子相互湮滅並轉化為能量 形成伽馬射線爆發 就這樣保羅·狄拉克藉助他的優美的公式 預測了新普遍對稱性的存在 反物質 進一步的實驗表明 它與普通物質沒有區別 除了電荷之外 由於這兩種物質都是從純能量中生成的 反物質本應創造出相同的恆星和星系 然而在幾十年的太空觀測中 astronomers僅僅檢測到了少量的反物質 今天看起來我們的宇宙完全由普通物質構成 但是看似自然且不言而喻的裁決 對物理學家來說卻是另一個噩夢 因為它造成了更多的混亂和困惑 未解決的物質與反物質不對稱問題 在大爆炸後的最初時刻 當我們的宇宙處於原始狀態時 根本沒有任何物質 那是一個稠密的環境 大小不超過一個原子 各種粒子和反粒子時不時在那出現 隨即相互湮滅化為能量 即便是在大爆炸後的一秒鐘 當我們的宇宙擴展到足夠大 並稍微冷卻時 從能量中出現的質子反質子 電子和正電子也必須再次相遇 並在伽馬射線泡中相互毀滅 但在大爆炸後的90秒 宇宙看起來與一個放射性雲毫無相似之處 它充滿了普通物質 而反物質似乎消失了 科學家估計僅需一次粒子與反粒子之間 發生對稱性破壞的碰撞 就能產生我們目前在外太空觀察到的 普通物質的數量 混沌的概念就這樣真實地創造了我們的世界 儘管學者們仍然不知道 為什麼會發生這種情況 以及究竟是什麼能夠消滅所有反物質 如果宇宙遲早會回到兩種元素的平衡狀態 那麼這是否意味著 我們也面臨被湮滅的風險呢 1964年美國物理學家詹姆斯·克羅寧 和瓦爾·菲奇進行了一項實驗 使科學家們更接近 揭開物質與反物質不對稱的祕密 但與此同時 他突然擾亂了量子場理論 克羅寧和菲奇進行了一系列實驗 使用了兩種類型的介子術 這些介子是由物質和反物質組成的 極其特殊的基本粒子 科學家們早已注意到 KAONS-1的衰變速度比KAONS-2快100倍 這意味著 如果你將它們混合在一個相對較長的數流中 另一側的探測器 將只會探測到更持久的KAONS-23 最終這個實驗讓研究人員陷入了困惑 真正出來的是KAONS-1 儘管它們本應在到達探測器之前 就已在樹中解體 但只有一個解釋 在某個時刻 KAONS-II自發且混亂地轉化為KAONS-IGG 好消息是 這種對稱性破缺 可能可以闡明在早期宇宙中 大量反物質消失的原因 它自發地轉變成了普通物質 然而從量子場理論的角度來看 這些實驗是一次災難 這一發現意味著 其次的隨機變換違反了科學家們之前寄予厚望的 聯合電荷宇稱對稱性 對氫介質進行的實驗表明 如果我們將宇宙中的所有粒子進行鏡像 並反轉它們的電荷 使其與反物質類似 物理法則將會發生顯著變化 彷彿混沌再次襲擊了世界 當時科學家們還有一張最後的牌可以打 那就是時間對稱性 以拯救量子場理論 然而實際上 在克羅寧和菲奇完成他們的實驗後 理論家們又面臨另一個基本問題 上帝粒子在微觀的基本粒子世界中造成了混亂 這是由英國理論物理學家彼得·希格斯 在同一年1964年首次提到的 科學界隨後發展出了極其優雅的基本粒子標準模型 只有一個問題 儘管根據計算它們必須是絕對無重的 實驗卻證明非常不對稱的若荷集成的玻色子具有質量 但怎麼做呢 彼得·希格斯首次提出 當這些粒子及其他一些粒子運動時 會經歷一種未知場的阻力 這種場充斥著整個宇宙 這就像在逆風中行走 每一步都感覺愈發沉重 希格斯普遍場的玻色子與標準模型契合得如此完美 以至於經過簡短的討論後 它被置於模型的中心 並戲稱為上帝粒子 那一刻它的存在將決定量子力學的命運 科學家們在尋找希格斯玻色子時 經歷了艱難的探索 直到最終成功 僅在2012年7月4日 兩支研究團隊在大型強子對撞機 宣佈了上帝粒子的發現 結果它的壽命非常短 質量約為質子的130倍 後一個細節在那天的對撞機派對氣氛中略顯掃興 每個人都知道 在與其他粒子相互作用並賦予它們質量的過程中 希格斯玻色子也經歷了相同的過程 變得更重 這意味著它的質量應該遠大於實驗所顯示的 就好像天文學家在天空中尋找一個像月球一樣大的物體 卻只找到了一架航天飛機 那現在怎麼辦 這是否意味著基本粒子的標準模型正陷入混亂 無法正常運作 物理學家沒有放棄 5G優雅而高尚的對稱性理論 它將基本粒子的標準模型擴展到至少兩倍的大小 使其變成某種曼陀羅 這似乎與古巴比倫的世界地圖有很多相似之處 是不是 真正重要的是這些額外的粒子與我們已經知道的粒子相互作用 而不是與希格斯玻色子相互作用 因此去掉了大部分質量 這是一個非常簡單的解決方案 但這還不是全部 研究這一龐大的粒子集合 專家們輕而易舉地找到了可以擔任充滿整個宇宙的 神祕暗物質的候選者 此外這些新粒子可能會揭示引力的本質 以及在大爆炸後初始時刻物理力量如何結合 聽起來就像是在多個物理領域同時中大獎 這就是為什麼在發現上帝粒子後 科學家們立刻開始熱切地尋找 在大型強子對撞機碰撞中證實這種神聖超對稱的證據 遺憾的是 截至2023年專家通過實驗證明 大多數具有計算質量的超半率並不存在 即使它們存在也必須要重得多 如果它沒有推翻超對稱理論 至少也損害了它的美感 一些不願意放棄的理論家 假設超對稱在很久以前就存在 但由於某種原因 在大爆炸後的數十億年裡崩潰了 儘管科學家們希望通過未來能夠實現 更高能量的對撞機找到其碎片 但現在所有關於基本粒子世界的模型 看起來都顯得極其不完整 可是我們最後的希望量子場論呢 儘管由於宇宙的膨脹 時間對稱性在宇宙尺度上顯然被打破 但在基本粒子層面上它原本應該被保留 畢竟你可以通過能量 創造出一個粒子和一個反粒子 然後像是將時鐘倒回一樣 讓它們相撞產生新的能量 物理學家們不斷測試這種對稱性 直到最終遇到了麻煩 在希格斯波瑟子在大型強子對撞機被發現的那時 科學家們在斯坦福直線加速器 進行了系列針對B介子的實驗 就像K介子一樣 它們不斷在兩種類型之間轉換 實際上研究人員發起這些測試 是為了研究物質與反物質不對稱的問題 但他們意外發現了時間對稱性破缺 儘管量子場論明確指出 B介子必須在相等的時間間隔內互相轉化 實際上其中一個過程卻結束的早得多 這就像一個鐘擺 向右擺動需要一秒鐘 而向左擺動需要三秒鐘 換句話說 宇宙中量子時間的流動結果也是破碎的 那這就是結局嗎 混沌已經勝利了嗎 現在看來 我們世界中的所有基本對稱性都被破壞了 電荷、宇稱和時間這裡蘊含著悖論 由於這些問題是獨立發生的 可以說它們相互抵消 從而使得整體的電荷、宇稱、時間對稱性成為可能 這意味著一個所有電荷同時反轉 所有粒子都被鏡像並送回時間的宇宙 必須像我們的宇宙那樣運作 我想量子場理論現在是明朗的了 但是能維持多久呢 近年來科學家們在不同的奇特粒子相互作用中 測試了電荷、宇稱和時間對稱性 到目前為止對稱性沒有出現破裂的跡象 儘管量子場論依然與廣義相對論不兼容 我們的宇宙仍然分為兩部分 但至少微觀世界避免了完全的混亂 這一點是令人欣慰的 我的意思是目前來說 誰知道呢 也許新的粒子加速器不會給我們一個全新的理論 正如我們渴望找到的那樣 而是讓我們的宇宙變得更加扭曲 你認為我們能否馴服周圍的混沌並簡化至少一個理論 或者物理定律會不可逆轉地改變 從而摧毀我們