Gian Giudice 談為何我們的宇宙可能處於刀鋒

Gian Giudice: Why our universe might exist on a knife-edge

發現希格斯玻色子最大的驚喜是什麼?就是沒有驚喜。Gian Giudice闡述一個理論物理學問題:如果希格斯場以超密度狀態存在意味著所有原子物質的崩潰,會發生什麼情形?藉由充滿機智、引人入勝的演講,Giudice描繪出一個嚴酷的命運-以及為什麼我們目前還不需要擔心。

講者介紹

Gian Giudice

Gian Giudice是理論物理學家,對粒子物理學及宇宙學新知的探索貢獻良多。

Gian Giudice是CERN(歐洲核子研究組織)理論物理組永久成員。他的研究主題包括超對稱、額外維度及暗物質,曾提出描述宇宙最初階段的理論,將目前對粒子世界的知識應用在較小的距離。 Giudice為暢銷書《A Zeptospace Odyssey》作者,致力於將大型強子對撞機的複雜作用傳遞給大眾。為了讓一般讀者瞭解,這本書闡述了建造LHC(大型強子對撞機)的創新需求,以及需藉此證明的理論。藉由希格斯玻色子的發現,Giudice發現一個令人驚訝的結果:如果標準模型繼續維持在非常短的距離,宇宙必

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Gian Giudice 談為何我們的宇宙可能處於刀鋒

  • 去年七月四日,藉由大型強子對撞機實驗,我們發現了希格斯玻色子(又稱上帝粒子);這是歷史性的一天。毫無疑問地,從此之後,人們記憶中的七月四日不再是發表《獨立宣言》的日子,而是發現希格斯玻色子的日子。好吧,至少對CERN(歐洲核子研究組織)來說。

    但對我來說,那天最大的驚喜就是沒有驚喜。在理論物理學家看來,希格斯玻色子能巧妙解釋某些基本粒子如何獲得質量,但似乎並非令人滿意且完整的答案,許多問題尚未得到解答。希格斯玻色子不具備和其他基本粒子相同的美感、對稱性和優雅,因此大多數理論物理學家認為希格斯玻色子無法提供完整解釋。我們期待伴隨希格斯玻色子出現的新粒子和新現象,然而目前為止,LHC(大型強子對撞機)測量結果並未顯示新粒子或新現象存在的跡象。

    當然,這並非蓋棺論定的結論。到了2015年,LHC將使進行碰撞的質子能量翻倍,這種更強烈的碰撞將使我們能進一步探索粒子世界,我們肯定能得到更多資訊。

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  • 但目前,既然我們尚未發現新現象存在的證據,我們不妨假設目前已知的粒子,包括希格斯玻色子,是自然界中僅有的基本粒子,甚至擁有比我們目前所知高出許多的能量,我們看看這個假設會讓我們發現什麼。我們會發現宇宙令人驚訝和有趣之處,為了解釋我的觀點,首先我得告訴各位何謂希格斯粒子。為了說明,我們必須回到宇宙大爆炸後百億分之一秒。根據希格斯理論,那一刻宇宙中發生了一件驚天動地的大事-時空經歷相變過程,十分類似水在攝氏零度以下結冰的相變過程,但這個例子中的相變並非物質內部分子排列的變化,而是時空構造發生改變。

    在相變過程中,空間被某種物質填充,我們稱之為希格斯場。或許我們無法看見這種物質,但它具有物理現實性,它時時環繞在我們四周,就像我們在這個房間裡呼吸的空氣。某些基本粒子與這種物質發生交互作用,於過程中獲得能量,這個固有能量就是所謂的粒子質量。藉由發現希格斯玻色子,LHC最後證明這種物質確實存在,因為希格斯玻色子是這種物質的組成要素。簡言之,這就是希格斯理論的重點。

    但故事內容比這有趣得多。藉由研究希格斯理論,理論物理學家發現-並非藉由實驗,而是藉由數學的力量-希格斯場並非只以我們目前觀測到的形式存在,正如物質可以液態或固態存在。因此希格斯場,即填充整個時空的物質,亦可以兩種狀態存在。除了已知的希格斯場,尚存在第二種狀態的希格斯場,其密度比我們目前觀察到的高數十億倍。另一種希格斯場狀態的存在衍生了一個潛在問題:因為根據量子力學,兩種狀態的轉換是可行的,即使兩種狀態間存在能量障壁,這種現象恰如其分地被稱為量子隧道。由於量子隧道的存在,我可以從這個房間消失,出現在隔壁房間,也就是穿牆而過。但別指望我真的能在各位面前表演這個把戲,因為我穿牆而過的可能性微乎其微,在我成功之前,各位得等待很長一段時間。但相信我,量子隧道是真實現象,已在許多系統中觀測到,例如穿隧二極體,一種使用於電子產品的元件,因量子隧道奇蹟而得以運作。

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  • 我們回到希格斯場。如果超密度希格斯狀態確實存在,那麼由於量子隧道效應,此狀態中的氣泡可在某個時間於宇宙中某個地點突然出現。這類似燒開水時,水的內部產生氣泡,然後膨脹,從液體變成氣體。同樣地,超密度希格斯狀態的氣泡會因量子隧道而出現,這種氣泡將以光速膨脹,佔據整個空間,將希格斯場從原本狀態變成新狀態。

    這有什麼問題嗎?是的,這是個大問題。在日常生活中,我們或許不會意識到,但希格斯場強度對物質結構來說十分重要。只要希格斯場強度高上幾倍,我們將看見原子開始萎縮,原子核內的中子開始衰變,原子核開始分裂,氫將成為宇宙中唯一可能存在的化學元素。而希格斯場,超密度狀態的希格斯場,其密度不僅比目前所知的大上數倍,而是大上數十億倍。如果時空被這種希格斯狀態填充,所有原子物質都將崩潰,任何分子結構都不可能存在,亦不存在生命。

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  • 因此我質疑,未來希格斯場是否可能經歷相變過程,並且-藉由量子隧道,轉變成這種糟糕的超密度狀態?換句話說,我問自己,我們宇宙中的希格斯場命運將會如何?回答這個問題所需的關鍵要素是希格斯玻色子的質量。LHC實驗中發現,希格斯玻色子質量約126 GeV,若以常用單位表示,這是很小的數值,因為這相當於10^–22克。但以粒子物理單位來說則相當大,因為這相當於整個DNA分子結構的重量。

    因此藉由來自LHC的資訊,我和幾位CERN的同事合作,計算我們的宇宙藉由量子隧道轉變成超密度希格斯狀態的可能性,我們發現一個十分有趣的結果。我們的計算顯示希格斯玻色子質量的測量值十分特殊,正好相當於使宇宙在不穩定狀態中維持平衡的數值。希格斯場存在於持續至今的不穩定狀態中,但它終將瓦解。因此根據這些計算,我們就像露營者無意中將帳篷搭在懸崖邊,最終希格斯場將經歷相變,物質將自行崩解。

    因此這就是人類滅絕的方式嗎?我不認為如此。我們的計算顯示,希格斯場的量子隧道效應不太可能發生在未來10^100年間。這是相當長的時間,甚至比義大利組織一屆穩定的政府所花的時間還長。

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  • 儘管如此,到時我們早已不復存在。大約50億年後,太陽將變成紅巨星,膨脹程度遠至地球軌道,地球將徹底毀滅。一兆年後,如果暗能量持續獲得補給,空間膨脹維持目前速率,你甚至無法看見自己的腳趾頭,因為周遭的一切都以超光速膨脹,因此我們實在不太可能親眼目睹希格斯場崩潰。

    但我對希格斯場之轉變感興趣的原因在於我想提出這個問題:為何希格斯玻色子的質量如此特殊?為何它正好使宇宙處於相變臨界點?理論物理學家經常問「為什麼」問題,勝於詢問某種現象如何發生。理論物理學家總是對某種現象為何如此呈現感興趣,我們認為這些「為什麼」問題可給予我們關於自然界基本原則的線索。事實上我的問題的可能答案開闢了新宇宙-如字面上的意思。根據推測,我們的宇宙僅是無數泡泡組成的多重宇宙泡泡中的一個泡泡,每個泡泡代表不同的宇宙,蘊含不同的基本常數和物理定律。在這種脈絡下,你可討論尋找希格斯粒子確定質量的可能性。解開這個奧秘的關鍵或許在於多重宇宙的統計特性,如同海灘上沙丘的情形。一般來說,你預期可在海灘上找到任何坡度的沙丘,然而沙丘的坡度通常介於30至35度左右,原因很簡單:因為風使沙粒堆積,重力使其滑落,結果是大部分沙丘形成接近坍塌臨界值的坡度,多重宇宙中希格斯玻色子質量的情況雷同。在大部分多重宇宙泡泡中,希格斯粒子的質量接近希格斯場導致宇宙崩塌的臨界值,因為存在兩項競爭因素,如同沙丘的例子。

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  • 我的故事沒有結局,因為我們仍不知道故事的結局。這是發展中的科學,為了解開這個奧秘,我們需要更多資料,衷心希望LHC很快就能為這個故事加入新線索。僅僅一個數字,希格斯玻色子的質量,我們就能從中得到許多資訊。我從一個假設開始:遍布宇宙的所有已知粒子甚至存在於我們尚未探索的領域。藉此,我們發現瀰漫在時空中的希格斯場或許正站在刀鋒上,隨時可能導致宇宙坍塌。我們發現這或許是一個提示:我們的宇宙只是多重宇宙這片廣大沙灘上的一顆砂粒。

    但我不知道我的假設是否正確。這就是物理運作的方式:一個簡單的測量結果,可使我們邁向對宇宙產生全新認知的康莊大道,或導致我們走進死胡同。但無論結果如何,我可以肯定一件事:這段旅程將充滿驚喜。

    謝謝。

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