我们的宇宙并不符合物理学家制定的严格而优雅的标准。是时候面对现实了：我们可能生活在一个丑陋的宇宙中。
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翻译 | 张克文
吴飞校对
物理学家保罗·狄拉克希望以美为指导，他并不害怕承认这一点。在 1963 年的一篇论文中，他回顾了自己发现的奇怪但真实的量子理论定律（狄拉克方程）。他写道：“公式的美比它与实验的一致性更重要。”这听起来可能很奇怪，毕竟实验是公式能否解释自然现象的关键。但对于像狄拉克这样的理论物理学家来说，实验有时会产生误导，只有美才是不可腐蚀的。
追求美是基础物理学理论研究者的共同信念，尽管美的标准会随着时间而改变。理论物理学家特别追求的一种美是自然性原则。简单来说，这意味着自然规律应该是令人惊奇和自洽的，而不是暂时的和随机的。
但是，如果自然法则并非理论家们所认为的那样呢？在 2012 年发现希格斯玻色子之后，越来越多的物理学家开始考虑这种令人不安的可能性。欧洲核子研究中心大型强子对撞机发现的新粒子证实了长期以来关于粒子如何获得质量的理论。但与此同时，希格斯粒子的发现可能会对我们看待现实的方式产生深远的影响。加州大学圣克鲁斯分校的理论物理学家戴恩说：“我们可能会发现自然并不像我们想象的那样。”
即使在寻找新粒子的物理学家中，“自然”一词也有不同的含义。从广义上讲，它意味着宇宙应该是合理的，而不是奇异的宇宙轮盘赌的结果。剑桥大学理论物理学家本说：“自然主义认为一切存在都不是偶然的，一切都有其背后的原因。它认为事情不能全靠运气。”
这听起来可能有些模糊，但理论物理学家有一个更准确的专业定义：“技术自然性”（）。20世纪80年代，荷兰乌得勒支大学的't Hooft提出了这一定义。提出标志着宇宙的存在取决于某种隐藏的巧合如何建立物理学家，简单来说就是理论和模型所包含的常数不应该相差太大，除非有一个更宏大、更全面的理论能解释如此巨大的差异，决定宇宙演化的所有数字不应该相差超过10倍。
这不应该是巧合。
所以，不难理解为什么物理学家会对不合逻辑的数字产生怀疑。想想看：如果你在轮盘赌上连续一百次得到相同的数字，你会怀疑游戏是否公平。结果太荒谬了，需要解释：也许球里有磁铁，或者有一根未被发现的绳子？同样的逻辑也适用于意想不到的强或弱力，或质量。粒子非常低或高：一定有一些未被发现的原因。
某种程度上，现代物理学一直沿着这条路前行，为我们最复杂的宇宙寻找越来越简单的解释。但近年来，粒子物理学几乎没有取得任何进展。事实上，粒子物理学家的标准是：该模型是成功的，用一组简单的公式，它可以描述所有已知的粒子和四种基本力中的三种。但它无法描述引力或暗物质，这表明更强大的理论将取代它。
此外，我们可能对标准模型抱有盲目乐观的态度。就在标准模型的公式似乎近乎自然的时候，一些奇怪的例外出现了。真空中的能量密度，或者说宇宙常数，比我们预期的要高。“至少看起来大自然并没有按照我们设想的方式运作，”霍夫特说。
为了履行其作为宇宙质量给予者的职能，希格斯粒子被认为通过希格斯场与其他已知粒子相互作用。这是一个非常复杂的过程，这应该会给希格斯粒子带来约 10-8 千克的质量，以粒子物理单位计算约为 1.38 千克。然而，我们测量的结果是希格斯粒子只有 1.38 千克。其中一个奇怪的解释是，它的固有质量是一个巨大的负数，大到足以相互抵消。作用提供的额外质量相互抵消，只剩下 。但这提出了一个不自然的问题：为什么两个如此大的、看似毫无关联的数字会如此干净利落地抵消？
答案是把这些数字放在一起。最主要的候选理论是超对称理论 (SUSY)，它为每一个已知粒子引入了一个超重伴星。引入的超粒子可以将希格斯粒子的质量降低到目前的质量，完善现有的方程，使希格斯粒子的质量在技术上变得自然。SUSY 在数学上也很美，它统一了三种力，同时也解释了暗物质。
寻找超粒子
面对如此出色的多面手，大多数物理学家相信超对称超粒子能够取得成功。他们希望超粒子能够立即出现在比希格斯粒子更高的能量尺度上，这样物理学家就可以宣告胜利了。然而，事情进展得并不顺利。研究人员使用包括强大的 LHC 在内的三代加速器都没有发现任何超粒子的踪迹。
当然，这些粒子可能仍然潜伏在某个地方。LHC 的最终搜索将在今年年底结束，但科学家们在对撞机最近的运行中还没有找到它们的任何踪迹。这意味着我们遇到了瓶颈。除非我们从一开始就重新安排寻找超对称物质的逻辑。“超对称理论预测的粒子应该在 LHC 中被看到如何建立物理学家，这让我怀疑我们在探索自然性方面走错了路，”他说。“我还不确定，但我对超对称持怀疑态度。”
自然宇宙由简单的定律构建出复杂的结构
事实上，越来越多的物理学家开始动摇，甚至那些将整个职业生涯都奉献给这一原理的物理学家也是如此。理论物理学本身正处于一个转折点。
在德国法兰克福高等研究院看来，解决这一矛盾的方法只有一个：抛弃自然性。在即将出版的《迷失在数学中：它会带来什么后果》一书中，他们不仅质疑它的无用性，还质疑它的逻辑一致性。自然性要求，就像一个被操纵的轮盘一样，希格斯粒子的测量质量是无理的。但对于这个轮盘，我们一生的经验告诉我们，同样的结果会一次又一次地出现。这有多不可能？这就是物理学家所说的概率分布。我们只有一个宇宙，它没有什么可以与之比较。
那么，为什么自然性受到如此广泛的推崇呢？“我个人认为这是一种认知偏差，”施密特说，而物理学非常擅长消除这种偏差。
但并非所有人都乐于接受这一新原则。首先，放弃以美作为指导原则，危险地接近了人择原理的循环逻辑，人择原理认为宇宙之所以具有其属性，是因为我们是一个活生生、有思想的宇宙。对许多人来说留学之路，这是一种逃避。“人择原理的问题在于它回避了科学研究，”他说。“它假设我们无法找到最终答案。”
她认为，放弃技术的自然性并不一定会让我们走上人择原理的道路，而人择原理会让科学失去活力。“承认你的常数在不同阶段有不同的值并没有什么错，”她说。
即便如此，大多数理论物理学家还没有准备好放弃自然性。例如，当他和他的同事对缺乏支持超对称的证据感到失望时，他并不认为该领域距离接受自然性作为基本原则还很远。事实上，一些科学家，比如戴恩，仍然相信超对称粒子可能存在于比预测更高的能量中，超出任何对撞机可以达到的能量。
但对于那些厌倦了相信自然性、不再对 SUSY 感兴趣的人来说，另一种理论的出现转移了他们的注意力。与为了寻求希格斯粒子质量的解释而引入新粒子不同，它的解决方案更加优雅：引入数十亿个宇宙。
多重宇宙的概念并不新鲜。宇宙学家早就提出，大爆炸后不久，宇宙的指数级膨胀将不同的区域分裂成独立的宇宙。具体有多少个宇宙尚不清楚。据估计，最多有 10500 个，每个都有自己独特的物理特性。
我们的宇宙可能只是数十亿个宇宙中的一个吗？
当然，没有证据表明这样的场景存在，更不用说有多少个宇宙以及它们的属性是什么。即便如此，如此大量的可能配置的存在可能代表一种概率分布，因此批评者可以指责这是自然必然的。当宇宙中绝大多数希格斯粒子具有更合理的质量时，我们只能分析偏离它们的数据。戴恩：“能够解释为什么希格斯粒子的质量和宇宙常数唯一真实的模型是景观模型。”
这似乎是人择原理的死胡同：也许，在所有不同的宇宙中，我们的宇宙是唯一一个拥有如此轻的希格斯玻色子的宇宙，它能够支持最终产生生命的所有力的形成。但大多数理论物理学家仍然想要一个更强大的理论。他们想要一种机制来确保希格斯玻色子以他们想象的方式存在于隔壁的宇宙中。即使景观模型可能不是最终答案，它也指向了正确的方向。“它让我有希望找到一个合理的解释，”戴恩说。
事实上，一些理论家认为我们已经找到了它。或许，这些数十亿个希格斯玻色子并不是分散在数十亿个宇宙中，而是全部出现在我们自己的宇宙中，某种未知的机制选择了我们今天看到的一切？这就是普林斯顿高等研究院的尼玛-哈米德领导的团队所研究的内容，他们提出了一种新理论：N自然性（）。该理论引入了N个标准模型的副本，N是一个很大的数字，代表在同一个宇宙中同时存在的副本数量。这些副本的性质几乎完全相同，除了希格斯粒子的质量不同。因此，每个副本样本中其他粒子的质量也会受到影响。
给我们一个存在的正当理由
因此，在我们今天看到的轻希格斯粒子复制品中，一定发生了某种选择过程。根据哈默德和他的同事的说法，这将导致一种假设的粒子：宇宙中的所有能量。能量太高，所以寿命很短，它最终会衰变成更轻的粒子，包括重新为宇宙注入能量的低质量希格斯粒子。当我们观察到希格斯粒子的质量是它可能达到的最小值时，我们宇宙的粒子家族被优先选择。
“早期宇宙的再加热过程在所有复制品中选择了标准模型，”哈米德的合作者、普林斯顿大学的戴维·哈米德说。他认为，未来建造的望远镜可以获得这一选择过程的证据。它是在宇宙大爆炸的余辉（微背景辐射）中探测到的。
如果你觉得这与不可思议的精确调谐惊人地相似，而这种调谐会自然地抵消我们想要避免的事情，那么你并不孤单。“它们更接近于宗教解释，你可以引入一个你无法观察到的天使。”
如今，自然性就像美一样，取决于旁观者的眼光：一个人的简洁结论可能是另一个人的洛可可式怪物。但像狄拉克一样，大多数理论家仍然希望，如果这意味着他们必须更新他们的美的概念以适应不断变化的时代，或者完全放弃它，那就这样吧。“物理学中最深刻的突破是矛盾的出现迫使研究人员重新审视他们的假设，”他说。“关于自然性的问题应该被视为一个机会，而不是撤退的理由。”
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