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宇宙其实很简单:颠覆物理学的下一场革命你来

用某位世界知名理论物理学家的话说,宇宙其实非常简单,只是人类的宇宙理论过于庞杂,庸人自扰罢了。

这一结论 乍听起来似乎有悖常理。毕竟,想要完全理解自然的复杂性,需要有宏观的考量和对事物抽丝剥茧的研究,在方程中添加新的变量,创造出“新的”和“不同寻常 的”物理学。最终,我们会发现暗物质是什么;最终,我们会找到引力波的蛛丝马迹——只要我们的理论模型更先进,更……复杂。

加拿大安大略的圆周理论物理研究所(译者注:在我们第十期理解未来讲座上作为对话嘉宾出席的著名物理学家文小刚老师就是这个研究所的艾萨克·牛顿首席研究员)所长尼尔 · 图洛克却告诉我们:并非如此。依照图洛克的理论,无论从宏观还是微观的角度,宇宙都在告诉人们一件事:它其实简单得不可思议。然而想要理解个中真意,我们需要一场物理学界的革命。​

这就是我们所处的由气体、等离子体及尘埃组成的银河系。图片来自欧洲太空总署普朗克任务

简单的宇宙

在Discovery News的一次访谈中,图洛克指出,近几十年来最伟大的发现已经从宇宙学和量子的层面上证实了宇宙的结构。

“从 最大的层面上说,我们已经对整个苍穹进行了绘制,也测量了宇宙的演化——它变化的方式、扩张的方式等等。这些发现揭示了宇宙不可思议的简单性。”他说道。 “换句话说,你可以对宇宙的结构进行描述,它的几何结构,物质的密度……你只用一个数字就能对所有这些进行基本的描述。”

这一论断最引人入胜之处在于仅用一个数字就能描绘宇宙的结构。这竟然比人类已知最简单的原子——氢原子的数值表征还要简单。氢原子的几何形状需要动用3个数字来描述,这3个数字来自于围绕质子的电子的量子特性。

“这个数字告诉我们,宇宙是平滑的,除了一点小波动。这就是全部了。宇宙是我们所知的最简单的东西。”

加拿大28群,升级后的哈博望远镜拍摄的宇宙

从相反的微观角度来说,当物理学家们用人类有史以来建造的最复杂的机器——大型强子对撞机探测希格斯场的时候,发生过类似的事情。2012年,物理学家们历史性地发现了介导希格斯场的粒子——希格斯玻色子。这种玻色子也是物理标准模型描述的最简单的一种希格斯子。

“大自然的答案是最简单的,它用你能想象到的最少的机制予粒子以质量、电荷及其他种种。”图洛克说。

20世纪的物理学教导我们,随着科学家对量子领域研究的不断深入,会涌现出众多的新粒子。研究结果得出大量量子信息,理论模型会预测出越来越多稀奇古怪的粒子和力。然而现在我们正面临着这样的窘境:很多最先进的物理学理论都不支持那些预测。

“奇怪的是,宇宙不断告诉我们它有多简单,然而近一个世纪以来的物理学却变得越来越复杂、主观和随意。”图洛克说道。

图洛克的评论直指将宇宙所有奥秘一勺烩的、所谓“最后的统一理论”的弦理论大爆炸后的宇宙膨胀理论。当科学家们苦苦寻找着实验证据时,却反被将了一军:实验证据和那些复杂得让人抓狂的理论并不吻合。

宇宙起源

图洛克的理论工作集中在宇宙起源——这一近几月来备受关注的主题上。

去年,用位于南极的望远镜研究宇宙微波背景(CMB)的BICEP2团队宣布发现了宇宙大爆炸回声中的原初引力波信号。这不啻为宇宙学中“圣杯”级的发现 ——大爆炸产生的引力波肯定了宇宙膨胀理论。遗憾的是,BICEP2团队的“发现”宣布得太早了。同样在测绘宇宙微波背景的欧洲普朗克太空望远镜证实这一 信号是由银河系尘埃引起的,而并非上古时期的引力波。

宇宙微波背景辐射图

如果永远也找不到引力波呢?很多寄希望于大爆炸导致宇宙膨胀的理论学者可能会失望。图洛克却表示:“这恰恰有力地证明了经典意义上的宇宙大爆炸也许并不是宇宙的绝对开端。”同时,他补充道:“对于我来说,最大的挑战是从数学上来描述大爆炸本身。”

或许宇宙演化的周期模型能够更好地符合人们的观察。这种模型并不需要造出原初引力波。如果这些波没有被探测到,也许我们的宇宙膨胀论需要被推翻或是修改一下了。

至于现代宇宙中大质量物体高速运动产生的引力波,图洛克相信已有的引力波探测器会很快将其探测到,进而证实爱因斯坦的预言。图洛克声称,“在未来的5年中,对于黑洞碰撞产生的引力波,我们翘首以待。”

下一场革命?

无论宏观还是微观,宇宙似乎都是“无尺度可言”的。换言之,不管从何种空间或能量的尺度上看,没有什么尺度是“特殊”的。这一发现正可表明,宇宙比现有理论所阐释的要简单得多。

“是的,这会带来一场危机,不过这并不是坏事。”图洛克说道。

那么,在解释宇宙起源,谈到诸如暗物质、暗能量这些宇宙中最令人费解的谜题时,我们也许需要换一种眼光来看待宇宙。但是这需要一场物理学界的革命。这场革命的颠覆性将不亚于百年前爱因斯坦构想出的广义相对论。

“基础物理需要一种截然不同的观点。该是激进的新想法登场的时候了。”图洛克指出,人类历史正处于让年轻人涉足理论物理领域的伟大时代,我们的宇宙观将由下一代改变。

文章来源:Discovery News

文章作者:Ian O’Neill

编译: 未来论坛 商白

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