基础物质的下一个层级?

时间:2024-06-27 11:26:01

哈伊姆·哈拉里(Haim Harari):理论物理学家,魏茨曼科学研究所前主席,著有《来自暴风之眼的观察》(A View from the Eye of the Storm)。

基础物质的下一个层级?

一个科学概念或许优雅,或许正确。如若必须二选其一,那么我们则选择正确。如能二者兼具,则为上佳。

情人眼里出“西施”,而“正确”则来自于科学和大自然通过对实验的结果所作出的终极判断。不同于一般的电视选秀比赛,“优雅”与“正确”不是通过大众票选或一帮只会讥讽嘲笑的评审们所决定的。但科学的概念是否优雅,则往往取决于提出的问题。

万物均由6种夸克和6种轻子组成,它们具有看似随机却又无法阐释的质量,其质量范围横跨十个数量级。无人得知其中的原因,在这12种粒子中,相同的构建模式会重复3次。在特定情况下,其中一些物体,通过一种被称为无法解释的速率,“混合角”(mixing angles),实现相互转换。这些速率的20多个数值和质量看起来像是被大自然或是上帝武断地设定一样。这就是粒子物理标准模型为我们所阐释的原理。这原理优雅吗?看起来并非如此。

然而,高山与蛇,海洋与垃圾,人类与电脑,汉堡与星辰,钻石与大象,以及整个宇宙中的万物,统统是由12种基本粒子构建而成,这样的事实的确让人感到震惊。而这也确实是同样的标准模型所给出的阐释。这样的阐释优雅吗?确实如此。

我非常期待,大自然能够变得更加优雅。这12个粒子以及它们的反粒子电荷均为0,±1/3,±2/3和±1。每一个数值都恰好重复三次。

迄今为止,仍然有许多问题并未得到令人满意的解释,如为什么基本粒子的电荷是电子电荷的1/3?为什么0和1之间的每个数值出现在列表上的次数是一样的?为什么它们的数量从未超过3个?为什么相同的模式会重复3次?为什么轻子的电荷永远都是整数,而夸克的电荷则是非整数?为什么夸克电荷和轻子电荷之间是单比的?

蚊子、椅子和西红柿汁均为电中性的产物,这是因为质子电荷数和电子电荷数的大小有着无法求证的相等关系,由此使得原子呈现为中性。这其中的原因在于,夸克电荷与轻子电荷之间有着相当精准的单比。然而,为什么电子不具有,比如是质子电荷的0.8342倍那样的电荷呢?为什么这二者有着完全相同的电荷值呢?

假如所有的夸克和轻子(由此推及宇宙中的万物)仅是由两个模块所构建而生成,一个是带有1/3电子电荷的模块,另一个是无电荷模块,那么,以上那些困惑已久的难题都将会得到完美的解答。所以,这3个基本物质的全部组合,或许能够精准地创建已知的夸克和轻子模式,并且可以帮助人们娴熟地解答以上那些疑问。尽管关于夸克和轻子的质量,以及转化率的问题依旧会让人感到匪夷所思,但如果我们把讨论转移到动力学层面,也就是将这两个更为基本的基础物质结合,使之转化为一种复合物,而非上帝所赐或是自然所赐的多达20多种的自由基础参数表中的一种,或许就能帮助我们更好地理解那些问题。

此为优雅的理论吗?当然。那么正确与否呢?据我们所知,这未必正确。但你永远都无法证明粒子不是由更为基础的物质构建而成的。在不与任何现有数据相悖的情况下,未来这些更为基本的基础物质或许可见,尤其是在比我们目前所知的更小范围之内、更高的能量之下,抑或是遵循一套全新且怪异的基础物理规则的时候,就会出现一种更崭新的结构。如此简单的一个假设,需要解决层出不穷的难题,有一些难题得以迎刃而解,而有一些问题则会让人束手无策。对绝大多数的粒子物理学家而言,对这个简单的理论所持有的否定态度,其部分合乎情理的原因就在于此。

我认为,创建整个宇宙是从两种构建模块(我称之为“里肖恩”,Rishons或基元)开始的想法,是对众多被观测到的事实的一种阐释,既优雅又动人。在《圣经》中的开篇就讲道:宇宙始于“无形和虚空”,或者用希伯来语表述就是“Tohu Vavohu”。对于这两种基础物质的表述,最为恰当的就是T和V,于是每种夸克和轻子都将包含3个基元,比如TTV或者TTT。这或许是个永恒优雅但错误的认识,或许在未来的某一天,继原子、轻子和夸克之后,它会成为物质结构所呈现的下一个层级。让我们问问大自然吧,只有她知晓什么是“优雅”和“正确”的,但她永远都是笑而不语。