标准模型|理论物理学中最大的未解之谜：为什么引力如此微弱
基本粒子和力的标准模型目前已经快要达到我们所想象的“完成”状态 。 每种不同形式的基本粒子 ， 都是在实验室里被创造出来 ， 并在测量后被确定性质 。 最后的顽固分子——顶夸克和反夸克 ， 微中子和反中微子 ， 以及希格斯玻色子 ， 也都落入了我们的探测陷阱 。
特别是最后的希格斯粒子 ， 解决了物理学中一个长期存在的问题：现在 ， 我们可以自信地解释这些基本粒子的静止质量从何而来!
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图片来源:E. Siegel ， 摘自他的新书《银河系之外》 。
这确实很棒 ， 但这并不意味着我们完成谜题的一部分后科学就此结束 。 相反 ， 这还有一些重要的后续问题 。 比如我们总是在问 ， “接下来会发生什么?”但当说到标准模型时 ， 我们却还没将它完全搞清楚 。 对于大多数物理学家来说有一件事特别重要 ， 为了找到它 ， 希望先思考一下标准模型的下列性质 。
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图片来源:NSF, DOE, LBNL ， 和当代物理教育项目(CPEP) 。
一方面 ， 弱力、电磁力和强力都是相当重要的 ， 这取决于相互作用的能量和距离 。
但万有引力呢?并非如此 。
如果你曾有机会读过Lisa Randall写的一本精彩的书 ， 会发现其中有很多内容都是关于这个难题 ， 而这个难题我认为是理论物理学中最大的未解决的问题 ， 即级列问题 。
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图片来源:维基百科共用用户Zhitelew ， 粒子质量的标准模型粒子 。
我们所能做的是取任意两个基本粒子 ， 其具有任意质量和任意相互作用力 ， 然后发现引力实际上比宇宙中其他已知的力弱40个数量级 。 这意味着引力比其他三种力弱10的40次方倍 。 例如 ， 即使它们不是基本粒子 ， 如果你把两个质子放在一公尺远的地方 ， 它们之间的电磁斥力大约是万有引力的10^40倍 。 或者 ， 在这我把它写出来一次 ， 我们需要把重力的强度增加10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 ， 以便使它的强度可以与其他已知的力相比较 。
你不能让一个质子的重量是正常情况下的10^20倍 ， 这将使引力把两个质子聚集在一起 ， 从而克服了电磁力 。
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图片来源:维基共享用户Wereon的公共领域作品 。
相反 ， 如果你想让上面的反应自发进行 ， 让质子克服它们的电磁排斥 ， 你需要10^56个质子 。 只有通过收集这么多的粒子 ， 在它们共同的引力作用下 ， 你才能克服电磁力把这些粒子聚集在一起 。 事实证明 ， 10的56次方质子大约是一颗完整恒星的最小质量 。
这是对宇宙运行方式的描述 ， 但我们不明白其原因 。 为什么引力比其他力弱这么多?为什么是“引力电荷”(质量)比电荷或彩色电荷弱得多 ， 甚至比弱电荷弱得多?
这就是级列问题 ， 这个问题在很多方面都是物理学中最大的未解之谜 。 我们不知道答案 ， 但我们也不是完全一无所知 。 从理论上讲 ， 我们有一些关于解决办法的好主意 ， 并且有一个工具来帮助我们调查这些可能性是否正确 。
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图片来源:Maximilien Brice (CERN) 。
迄今为止 ， 大型强子对撞机——有史以来开发的能量最高的粒子对撞机 ， 在地球上的实验室条件下已经达到了前所未有的能量 ， 收集了大量的数据 ， 精确地重建了在碰撞点发生的事情 。 这包括创造从未见过的新粒子(如大型强子对撞机发现的希格斯介子) ， 以及我们熟悉的老式标准模型粒子(夸克、轻子和规范玻色子) ， 如果它们存在 ， 它可以产生任何可能存在于标准模型之外的粒子 。
有四种可能的方式——这是我所知道可以解决级列问题的四个方法 。 实验的好消息是 ， 如果这些解决方案中有一个是自然选择的 ， LHC（大型强子对撞机）应该会找到它! 如果没有 ， 我们需要继续寻找 。
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图片来源:CMS合作 ， “希格斯玻色子双光子衰变的观测及其性质的测量” ， (2014) 。
除了三年前宣布发现的单个希格斯玻色子 ， LHC没有发现新的基本粒子 。 不仅如此 ， 也没有令人信服的新候选粒子出现 。 此外 ， 发现的粒子与标准模型希格斯粒子完全一致 ， 没有显著的统计结果来有力地表明 ， 在标准模型之外还观察到了合成的希格斯粒子 ， 多种希格斯粒子 ， 非标准模型式的衰变 ， 任何这类东西的新的物理现象 。
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