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耗資數百億,深埋地下轟擊粒子,科學家究竟在找什么?

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一克反物質釋放的能量,相當于廣島與長崎兩次原子彈爆炸威力的總和。

如果想人工制造出這一克反物質,美國國家航空航天局(NASA)估算其成本高達驚人的62萬億美元。按照目前全球頂尖實驗室的生產速度,每年大約只能制造出一納克(十億分之一克),想要湊齊一克,機器需要不間斷運行十億年。



為了研究這些極難獲取的微觀粒子,人類不惜耗資數百億美元,在地下深處建造起龐大的巨型粒子加速器。在這些機器里,質子以接近光速的速度相撞,每秒鐘爆發出高達10億次碰撞。

如此耗費巨大的人力與財力,科學家們究竟圖什么?

答案其實藏在一個極具野心的科學目標里:尋找“萬物理論”(Theory of Everything)。物理學家們試圖證明,宇宙中所有看似毫無關聯的現象,其實都受到某種統一的底層物理法則支配。

科學的終極目標,是否就是最終實現對所有能量、物質、空間和時間行為的全面統一?人類距離揭開宇宙的最后底牌,究竟還有多遠?



想要理解物理學界對“統一理論”的執著,我們需要先回到1650年代。

如果你生活在那個時代,你會覺得這個世界是割裂的。你絆倒時摔在地上,這叫地球上的重力;而天上的月亮和星星遵循著另一套運行軌跡,那是屬于天體的法則。這兩件事在當時的人看來,完全沒有關系。

直到牛頓敏銳地意識到,砸在頭上的蘋果和高高在上的月亮,其實受到的是同一種力量的拉扯。月亮也在“下落”,只不過它一直沒有撞上地球而已。牛頓的“萬有引力”,完成了物理學史上第一次容易被常人理解的統一。



類似的進程在兩百年后再次上演。在19世紀初,閃電是劃破天空的自然現象,而磁鐵只是能吸在鐵鍋上的小物件。到了1860年代,麥克斯韋把前人五十年的研究整合在一起,寫出了電磁學定律。

在這個方程組里,電可以等于磁,磁也可以等于電。天空中的閃電和把你孩子的畫貼在冰箱上的磁鐵,本質上竟然是一回事。電和磁被統一成了電磁學,這一基礎探索后來直接催生了我們的互聯網、計算機和現代科技社會。

科學的每一次巨大飛躍,都是在把世界的拼圖拼接得更完整。愛因斯坦的狹義相對論進一步證明,以不同速度運動的人會以不同方式體驗時間。隨后,他的老師閔可夫斯基從數學上闡明,空間和時間其實幾乎是同一種東西,也就是統一的“時空”。



進入20世紀后,科學家們發現宇宙中一共存在四種基本力:引力、電磁力、強核力(把原子核綁在一起)和弱核力(導致放射性衰變)。

到了20世紀50年代末和60年代初,物理學家成功證明,在極高的能量狀態下,電磁力和弱核力其實是同一種力,被稱為“電弱力”。

但這引出了一個巨大的矛盾:電磁力的作用范圍是無限的,所以我們能看到數百萬光年外的星光;而弱核力連一個原子的范圍都出不去。同一種力,為何表現如此懸殊?

1964年,希格斯等人提出了一個理論:宇宙中彌漫著一種看不見的“希格斯場”。在宇宙大爆炸初期,所有粒子都沒有質量。當宇宙冷卻,希格斯場“開啟”了。有些粒子在穿過這個場時發生相互作用,從而獲得了質量,跑不遠了;而光子像是在嘲笑這個場一樣,對它視而不見,因此沒有質量,可以維持光速運動。

這個場中特定的局部震動,就是“希格斯玻色子”。



為了驗證這個理論,歐洲核子研究中心(CERN)啟用大型強子對撞機(LHC)。這臺機器的探測器極其龐大,例如CMS探測器有五層樓高,重達14000噸。另一臺ATLAS探測器長150英尺,可以填滿四個足球場。機器每秒進行10億次碰撞,產生海量數據。

終于在2012年7月4日,CERN正式宣布找到了與希格斯玻色子一致的粒子。這一發現驗證了粒子獲得質量的機制,為物理學的標準模型畫上了一個重要句號。



既然標準模型已經建立,是否意味著大一統的“萬物理論”即將實現?

事實并非如此。目前的理論依然無法將“引力”順利納入,而試圖統一所有作用力的大統一理論(GUT)和弦理論,正面臨著嚴峻的考驗。宇宙還在人類探索的道路上,留下了三個尚未解開的謎團。

謎團一:反物質的離奇失蹤能量轉化為物質時,必須等量地產生物質與反物質。大爆炸初期,宇宙理應產生同等數量的兩者。 然而詭異的是,當我們觀察可觀測宇宙時,發現它大體上完全由普通物質構成。反物質去哪了? 科學家推測,在早期的宇宙中,物質和反物質的生成過程中出現了極其微小的不對稱。大約宇宙里每存在10億個反物質粒子,就有1000000001個物質粒子。那10億對粒子同歸于盡互相湮滅了,剩下的那“1”個,最終構成了浩瀚星空和我們如今的世界。到底是什么物理機制造成了這種不對稱,至今仍是未解之謎。



謎團三:加速膨脹的暗能量與理論危機曾經,科學家認為宇宙在物質引力的拉扯下,膨脹速度會慢慢減緩,甚至可能發生大坍縮。但在1998年,觀測數據證實宇宙不僅在膨脹,而且膨脹還在加速。 這說明存在一種排斥形式的引力在推動宇宙,人們稱之為“暗能量”。 更讓人頭疼的是,當物理學家用量子場論去計算真空能量密度時,得出的數字比實際測量的暗能量數值大了10的120次方倍(一個1后面跟著120個0)。這被稱為物理學里最糟糕的預言。巨大的理論誤差直接宣告,我們對空間和暗能量的本質,依然缺乏根本性的認知。



實現一個解釋所有能量、物質、空間和時間的終極理論,難度遠超想象。

要想驗證大統一理論,所需的碰撞能量比我們現在能達到的最高能量還要高出1000萬億倍(即10的15次方)。



費米實驗室的粒子物理學家唐·林肯(Don Lincoln)提出了一個生動的比喻:現在的我們,就像是200萬年前在非洲漫步的南方古猿。他可以預測自己走100米、甚至10公里會遇到什么,但如果讓他推測往外走五百英里去預測印度洋,或者往北推測阿爾卑斯山,他的理論會完全不靠譜。

人類目前掌握的觀測尺度,就像那個古猿在非洲的活動范圍。如果我們認為僅憑現在的測量結果,就能直接推演出高出1000萬億倍能量尺度上的“萬物理論”,這是極其傲慢的。

在這個過程中,弦理論雖然提出了微小震動弦的迷人概念,但由于無法給出當前可檢驗的實驗預測,依然停留在假說階段。而圈量子引力理論則在嘗試將引力和空間本身量子化方面,取得了不同的進展。

我們或許還需要50年、100年甚至更久的時間,才能真正靠近那個終極答案。但這正是科學的魅力所在,正如居里夫人所說:“生活中沒有什么可怕的東西,只有需要理解的東西。”。

你認為,在人類開暗能量和反物質的謎團后,我們的科技將會迎來怎樣的飛躍?歡迎在評論區留下你的觀點,一起交流探討!

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