为何相对于其他力万有引力这么小—理论物理史中悬而未决的难题

基本粒子和力的标准模型已经接近我们所能想象的最完整的模型。每一种基本粒子都可以在实验室中生成，并通过测量确定其特性。顽固分子——顶夸克和反夸克，微中子和反中微子，最后是希格斯玻色子，科学家逐渐一步步完成了对它们的测量。

特别是最后一个——希格斯粒子——它已经困扰了科学家很久:最后，我们可以自信地解释这些基本粒子的性质!

图片来源:E. 西格尔，摘自他的新书《银河系之外》。

这很好，但即使我们已经解答出了这部分的谜题，也并不意味着科学的终结。相反，还有一些重要的后续问题，我们总是可以问，接下来会发生什么？当谈论起标准模型，我们仍然存有疑惑。对于大多数物理学家来说，有一点特别突出：为了找到它，我想让你们考虑一下标准模型的以下性质。

图片来源:NSF, DOE, LBNL，和当代物理教育项目(CPEP)。

一方面，弱作用力、电磁和强作用力的力都是相当重要的，它们取决于相互作用的能量和距离。

但万有引力呢?并非如此。

如果你曾幸读过丽莎·蓝道尔写的这本精彩的书，她写了很多关于这个难题的东西，我认为这是理论物理学中最大的未解决的问题:等级问题。

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——任意质量的粒子和它们相互作用的任何力——然后发现引力实际上比宇宙中所有已知的力弱40个数量级。例如，即使它们不是基本粒子，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的40次方倍。或者把它写出来，我们需要增加万有引力的强度10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000，从而使它的强度与其他已知的力相等。

我们无法仅仅“制造”一个重量是正常情况下10^20倍的质子；然而，这就是使两个质子克服电磁力聚集在一起所需要的力。

图片来源:维基媒体共享用户韦伦。

相反，如果想让上面的反应自发进行，则需要10^56个质子，才能使质子克服电磁排斥的现象发生。只有通过收集这么多的粒子，在它们共同的重力作用下，才能实现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成功恒星的最小质量。

这是对我们宇宙运行方式的描述，但我们不明白这其中的原理。为什么重力比其他所有的力都弱？为什么“引力电荷”（即质量）比电荷或色荷，甚至比弱电荷弱得多？

这就是级列问题，在很多方面的类似问题都是物理学中最大的未解决的问题。我们不知道答案，但也不是完全一无所知。理论上讲，我们对于解决方案有一些好的想法，并且有一个工具来帮助我们验证这些可能性是否正确。

图片来源：欧洲核子研究所

迄今为止，大型强子对撞机是有史以来开发的能量最高的粒子对撞机，它实现了在地球实验室条件下产生大能量。它使科学家能够收集大量数据，精确地重建碰撞点发生的情况。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)、我们熟悉的老标准模型粒子(夸克、轻子和规范玻色子)。还可能产生标准模型之外的任何其他粒子。

有四种可行的方法来解决级列问题。好消息是，如果这些解决方案中的任何一个是大自然选择的，大型强子对撞机就可以找到它！（如果没有，则需要继续搜索新的解决办法）

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外，大型强子对撞机没有再发现新的基本粒子。(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有力地表明，在标准模型之外还观察到了任何新的模型。对一个合成的希格斯粒子来说不是，对多个希格斯粒子来说不是，对非标准模型式的衰变来说不是，对任何这类的东西都不是。

但我们开始尝试以更高的能量观测，从只有一半的能量到13/14 电压，试图找出更多的能量。考虑到这一点，我们准备探索的层次结构问题有哪些可能的、合理的解决方案

图片来源：汉堡的黛西。

1)。超对称性，简称SUSY。超对称性是一种特殊的对称性，它会导致任何粒子的正常质量——这些粒子的质量足够大足够大，以至于重力的强度与其他力相当——被抵消，且能达到很高的精度。对称性还意味着，标准模型中的每个粒子都有一个超粒子伙伴，并且(未显示)有5个希格斯粒子(为什么会有5个希格斯粒子)和5个希格斯超级伙伴。如果这种对称性存在，那么它一定是被打破了。否则超伴星的质量就会和正常粒子的质量完全一样，我们早就发现它们了。

如果SUSY要以适当的规模存在以解决等级问题，LHC一旦达到14 TeV的全部能量，我们就应该至少找到一个超级伴侣，以及至少第二个希格斯粒子。否则，超级合作伙伴的存在将会产生另一个令人困惑的等级问题，一个没有好的解决方案的问题。(对于那些想知道的人来说，SUSY粒子在所有能量下的缺失将足以使弦理论失效，因为超对称性是包含粒子标准模型的弦理论的一个必要条件。)

这是第一个可能解决层级问题的方法，目前还没有证据支持它。

图片来源:J.R. 安徒生等人(2011)，关于LHC发现彩色颗粒的第一份黑色报告。

2.）技彩力，Technicolor。这不是20世纪50年代的卡通;技彩力是一个术语，指那些需要新的规范相互作用的物理学理论，以及那些既没有希格斯粒子，也没有不稳定/不可观测(即不存在希格斯粒子)希格斯粒子的理论。如果技彩力是正确的，它还需要大量有趣的可观测粒子。虽然这在原则上可能是一个合理的解决方案，但这一发现的希格斯介子在合适的能量下似乎是一个基本的、自旋为0的标量，似乎使这个层次结构问题的可能解决方案无效。唯一的解决办法是，如果希格斯玻色子被证明不是一个基本粒子，而是一个由其他更基本的粒子组成的复合粒子。大型强子对撞机(LHC)即将以13/14 TeV的增强型能量进行全面运行，这应该足以让我们一探究竟。

还有另外两种可能性，其中一种更有希望，这两种都涉及到额外维度。

图片来源:Flip Tanedo。

3.）扭曲的额外维度。这个理论由前面提到的丽莎·蓝道尔和拉曼·桑卓姆提出，他们认为与在三维宇宙不同，在另一个维度引力和其他力一样强大。在一个与三维宇宙不同的维度中，它与我们自己的宇宙在第四维度的距离只有10^(31)米。(或者，如上图所示，在第五维度中，一旦包含了时间。)这很有趣，因为它是稳定的且可以提供一个比较合理的解释，解释为什么我们的宇宙在一开始膨胀得如此之快(扭曲的时空可以做到这一点)，所以它比较令人信服。

它还应该包括一组额外的粒子;不是超对称粒子，而是卡鲁扎-克莱因粒子，这是额外维度导致的直接结果。值得注意的是，一项太空实验显示，可能存在一个能量约为600 GeV的卡鲁扎-克莱因粒子，相当于希格斯粒子质量的5倍。尽管我们目前的对撞机还无法探测到这些能量，但新的大型强子对撞机应该能够创造出足够多的能量来探测它们的存在。

图片来源:J. Chang等人(2008)，《自然》，来自高级薄电离量热计(ATIC)。

然而，这个新粒子也不是一定就会存在，因为这个信号只有在预期背景下才能观察到。尽管如此，在LHC最终达到满负荷运转时，我们仍有必要记住这一点;几乎任何质量低于1000 GeV的新粒子都应该在这台机器的范围内。

未完待续.....

图片来源:卡洛琳·克莱德(2004)，摘自她在大学间高能研究所的一次演讲。

4.）大的额外维度。维度不仅可以发生扭曲，也有可能发生扩大，大的超过扭曲，在规模上是10^(31)米。这个巨大的额外维度大约是毫米大小，这意味着新的粒子将开始在LHC能够探测的范围内出现。同样，会有新的卡鲁扎-克莱因粒子，这也可能是解决等级问题的一个办法。

但是这个模型的会导致的额外结果是，重力会在1毫米以下的距离从根本上偏离牛顿定律，这是很难测试的。然而，现代的实验设备已足以应付这种挑战。

图片来源:cnrs.fr低温氦湍流和流体动力学活动。

微小的、过冷的悬臂梁上装载着压电晶体(当它们的形状改变/被扭曲时释放电能的晶体)，只有几微米的间隔就才可以制造出来它们，如上图所示。这项新技术允许我们设置限制，如果有“大的”额外维度，它们将小于5-10微米。换句话说，正如广义相对论所预测的那样，精确到比一毫米小得多的尺度下重力才是正确的。所以如果有更大的额外维度，它们的能量是LHC无法达到的，也就是说它们不能解决等级问题。

当然，也可能存在一个完全不同的层次结构问题的解决方案，一个不会出现在我们目前的碰撞机中，或者可能根本没有办法实现的解决方案;这可能只是自然的方式，可能没有任何解释。但是，如果我们不去尝试，科学就永远不会进步。这就是探索的意义:推动对宇宙的认识向前发展。和往常一样，由于大型强子对撞机的运行II已经开始，我迫不及待地想看看除了已经发现的希格斯玻色子之外，还会发现什么。

作者: startswithabang

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