宇宙基本的理論是不含「長度」和「質量」這些概念的嗎？

2023-04-01 04:46:05 1

儘管地球上的大象比螞蟻重得多，星系看起來比原子大得多，但一些物理學家開始懷疑物質的長度和質量的差異僅僅是一種幻覺。他們認為描述宇宙的最基本理論不包含「長度」和「質量」的概念。自然界沒有長度和質量。

標準型號的問題

今天的物理學家普遍認為基本粒子的質量來自希格斯粒子。希格斯粒子是由英國物理學家彼得·希格斯和他的同事在50多年前提出的。人們認為其他基本粒子，如電子、傳遞弱相互作用的粒子、夸克等。，可以通過它們與希格斯粒子的相互作用賦予質量。希格斯粒子是由希格斯場的振蕩產生的。2012年，這個粒子最終在日內瓦的大型強子對撞機上被發現。

然而，物理學家發現，根據標準模型，當希格斯粒子與其他粒子相互作用時，它自身的質量很容易變得越來越大，這反過來又使其他粒子的質量變大。一般來說，這種量子效應試圖使所有粒子相等，最終它們會有相同的質量。

麻煩還不止這些。物理學家還推測，宇宙中有一個所謂的「普朗克質量」，大約是質子質量的1000億倍——10-5克，相當於一個塵埃粒子的質量。這是粒子質量的最大極限(如果它更大，重力會把粒子變成黑洞)。希格斯粒子和其他粒子之間的相互作用將使所有粒子逐漸接近普朗克質量。

但事實上，這種事情根本沒有發生。相反，在自然界中似乎有一個未知的原因阻止輕質標準模型粒子變成普朗克質量的粒子。

標準模型無力處理這個問題，所以一些科學家認為，如果描述已知粒子及其相互作用的方程的長度和質量以某種方式被刪除，會發生什麼。

尺度對稱性的破壞

這種瘋狂的想法是基於比例對稱的原則。比例對稱是指物體的一些物理量，如長度和能量，在增加或減少後保持不變。在我們的日常生活中，大多數事物都沒有觀察到尺度的對稱性，但是有一個著名的順應例子，那就是分形圖像。例如，海岸線是分形的，如何放大和縮小它具有相同的性質。

一些物理學家認為，自然界的底層並不區分尺度。根據尺度對稱性，物理學家已經建立了一個描述一組無質量粒子的基本方程。每個粒子只有少數幾個特徵，即它是粒子還是反粒子，它是帶正電荷還是帶負電荷，等等。因為這些粒子相互吸引和排斥，它們會自發地產生多米諾骨牌效應，規模的對稱性將被破壞，規模將變得有意義，質量將「增長」。

事實上，宇宙中99%的質量都是由這種效應產生的。我們知道質子和中子是由三個夸克組成的，把它們結合在一起的能量形成了一個大的束縛質量，相當於每個夸克質量總和的100倍。然而，根據之前所說的，一些質量是由與希格斯粒子的相互作用產生的。物理學家認為這不是根本原因。這應該用一個更基本的原因來解釋，那就是尺度對稱性的破壞。換句話說，物理學家認為包括希格斯粒子在內的所有粒子的質量應該是由尺度對稱性的自發破壞引起的。

這樣的理論可靠嗎？

最近，義大利比薩大學的物理學家創造了一個「無標度引力」理論。這個理論將所有尺度的物理定律編織成一幅圖畫。這個理論可能是目前關於尺度對稱性最完美的理論。這裡，希格斯粒子的質量和普朗克質量是由不同的機制產生的，所以希格斯粒子的質量不能增加。此外，有趣的是，無標度引力也可以解釋宇宙為什麼會爆炸。根據這一理論，在大爆炸之後，尺度對稱性的破壞將導致空之間的指數膨脹，然後導致通貨膨脹。

然而，這個理論有一個致命的缺陷:它需要一些幽靈粒子實體的存在。這個幽靈要麼有負能量，要麼有負概率，這與量子力學相衝突。這些物理學家認為，只有當這些幽靈對其他粒子沒有影響時，這個理論才是可行的。雖然缺陷沒有被完全修復，但他們認為這並不難。

與此同時，其他研究小組也提出了其他不同的尺度對稱性理論。那麼這樣的理論可靠嗎？幸運的是，這樣的理論預測了一些超出標準模型的新粒子，而且大型強子對撞機可能不久就能探測到它們的存在。