在四月下旬一个阴沉的下午，物理学教授和学生们挤满了哥伦比亚大学一间镶木板的演讲厅，聆听来自新泽西州普林斯顿附近高级研究所的高级理论家尼玛·阿尔卡尼-哈米德的演讲。阿尔卡尼-哈米德把深色的及肩头发梳到耳后，阐述了欧洲大型强子对撞机最近的实验结果所具有的双重、看似矛盾的含义。
他宣称：“宇宙是必然的。” “宇宙是不可能的。”
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2012年7月，希格斯玻色子的惊人发现证实了一个近50年前的理论，即基本粒子如何获得质量，从而使它们能够形成星系和人类等大型结构。“在几乎我们预期找到它的地方看到它，这对于实验来说是一场胜利，对于理论来说是一场胜利，这也表明物理学是有效的，”阿尔卡尼-哈米德告诉听众。
然而，为了使希格斯玻色子的质量（或等效能量）具有意义，大型强子对撞机还需要找到大量的其他粒子。结果一个也没有出现。
随着只有一个粒子的发现，大型强子对撞机实验加深了物理学中一个酝酿了几十年的深刻问题。现代方程式似乎以惊人的准确度捕捉到了现实，正确地预测了许多自然常数的值以及希格斯粒子等粒子的存在。然而，一些常数——包括希格斯玻色子的质量——与这些可信赖的定律所表明的应该有的值呈指数级差异，除非宇宙是由无法解释的微调和抵消所塑造的，否则这将排除任何生命存在的可能性。
“自然性”的概念岌岌可危，这是阿尔伯特·爱因斯坦的梦想，即自然规律是崇高、美丽、必然和自洽的。没有它，物理学家将面临严峻的前景，即这些定律只是空间和时间结构中随机波动产生的任意、混乱的结果。
大型强子对撞机将于2015年恢复质子碰撞，以期进行最后的答案搜索。但在论文、演讲和采访中，阿尔卡尼-哈米德和许多其他顶尖物理学家已经在面对宇宙可能不自然的这一可能性。（但是，对于证明这一点需要什么，存在广泛的分歧。）
“在十到二十年前，我坚定地相信自然性，”内森·塞伯格说，他是研究所的一名理论物理学家，爱因斯坦从1933年到1955年去世前在这里任教。“现在我不太确定了。我希望仍然有一些我们没有想到的东西，一些其他机制可以解释所有这些事情。但我不知道它会是什么。”
物理学家认为，如果宇宙是不自然的，其基本常数极其不可能，使生命成为可能，那么就必须存在大量的宇宙，才能实现我们这种不可能的情况。否则，我们为什么会如此幸运？不自然性将极大地推动多元宇宙假说，该假说认为我们的宇宙是无限且不可访问的泡沫中的一个气泡。根据一种流行但两极分化的框架，称为弦理论，多元宇宙中可以涌现出的宇宙可能类型的数量约为 10^500。在其中一些宇宙中，偶然的抵消会产生我们观察到的奇怪常数。
在这种图景中，关于这个宇宙的一切都不是必然的，使其无法预测。该研究所的弦理论家爱德华·威滕通过电子邮件说：“如果多元宇宙的解释不正确，我个人会很高兴，部分原因是它可能会限制我们理解物理定律的能力。但是，在创造宇宙时，我们都没有被咨询过。”
加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索说：“有些人讨厌它，他帮助开发了多元宇宙场景。“但我认为我们不能在情感的基础上分析它。这是一种逻辑上的可能性，在大型强子对撞机缺乏自然性的情况下，它越来越受欢迎。”
大型强子对撞机在下次运行中发现或没有发现的东西可能会支持以下两种可能性之一：要么我们生活在一个过于复杂但独立的宇宙中，要么我们居住在多元宇宙中一个非典型的气泡中。“由于大型强子对撞机，我们将在五到十年后变得更加聪明，”塞伯格说。“所以这很令人兴奋。这是可以实现的。”
宇宙巧合
爱因斯坦曾经写道，对于一位科学家来说，“宗教情感采取了一种对自然规律的和谐感到狂喜的惊奇形式”，并且“这种感觉是他生活和工作的指导原则。” 事实上，在整个 20 世纪，人们深信自然规律是和谐的——对“自然性”的信仰——已被证明是发现真理的可靠指南。
“自然性是有历史记录的，”阿尔卡尼-哈米德在一次采访中说。实际上，它是要求物理常数（粒子质量和宇宙的其他固定属性）直接从物理定律中产生，而不是由不可能的抵消产生。一次又一次，每当一个常数出现微调时，仿佛其初始值被神奇地拨动以抵消其他影响时，物理学家都会怀疑他们遗漏了一些东西。他们会寻找并不可避免地找到一些粒子或特征，从而在物质上拨动常数，避免微调的抵消。
这一次，宇宙的自我修复能力似乎正在失效。希格斯玻色子的质量为 126 吉电子伏特，但与其他已知粒子的相互作用应在其质量上增加约 10,000,000,000,000,000,000吉电子伏特。这意味着希格斯的“裸质量”，或者在其他粒子影响它之前的起始值，恰好是那个天文数字的负数，从而导致几乎完美的抵消，只留下希格斯的一点点痕迹：126 吉电子伏特。
物理学家们已经经历了三代粒子加速器，寻找超对称理论所假设的新粒子，这些粒子会将希格斯质量降低到与已知粒子使其升高的程度完全相同。但到目前为止，他们仍然一无所获。
升级后的大型强子对撞机将在下次运行时探索更高能量的尺度，但即使发现了新粒子，它们几乎肯定也太重了，无法以完全正确的方式影响希格斯质量。希格斯看起来至少会轻 10 或 100 倍。物理学家们对这在自然的、独立的宇宙中是否可以接受存在分歧。哈佛大学教授丽莎·兰道尔说：“微调一点——也许它只是发生了。” 但在阿尔卡尼-哈米德看来，“微调一点就像有点怀孕。它根本不存在。”
如果没有出现新粒子，并且希格斯仍然是天文数字上的微调，那么多元宇宙假说将成为焦点。多元宇宙图像的长期支持者布索说：“这并不意味着它是正确的，但这确实意味着它是镇上唯一的游戏。”
一些物理学家——尤其是伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的乔·莱肯和意大利比萨大学的亚历山德罗·斯特鲁米亚——看到了第三种选择。他们说，物理学家可能在错误地衡量其他粒子对希格斯质量的影响，并且当以不同的方式计算时，其质量显得自然。当在计算中包含其他粒子（例如暗物质的未知成分）时，这种“修正的自然性”会失败——但同样的非正统路径可能会产生其他想法。本月早些时候在布鲁克海文国家实验室的一次演讲中，斯特鲁米亚说：“我不想提倡，只是想讨论其后果。”
然而，修正的自然性无法解决物理学中一个更大的自然性问题：宇宙在宇宙大爆炸之后瞬间没有被自身的能量所湮灭。
黑暗的困境
空间真空中内置的能量（称为真空能量、暗能量或宇宙常数）是一个令人费解的万亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿分之一，远小于计算出的其自然的，尽管是自毁的值。没有关于什么可以自然地修复这种巨大差异的理论。但很明显，宇宙常数必须经过巨大的微调，以防止宇宙迅速爆炸或坍缩到一个点。它必须经过微调，以便让生命有机会存在。
为了解释这个荒谬的运气，多元宇宙的想法在过去的几十年里在宇宙学界逐渐成为主流。1987 年，诺贝尔奖获得者、现为德克萨斯大学奥斯汀分校教授的物理学家史蒂文·温伯格计算出我们宇宙的宇宙常数在多元宇宙情景中是可以预期的，这使它获得了可信度。在能够支持生命存在的可能宇宙中——首先也是唯一可以被观察和思考的宇宙——我们的是微调最少的宇宙之一。“如果宇宙常数比观察到的值大得多，比如大 10 倍，那么我们将没有星系，”塔夫茨大学的宇宙学家和多元宇宙理论家亚历山大·维连金解释说。“很难想象生命如何在这样的宇宙中存在。”
大多数粒子物理学家希望找到对宇宙常数问题进行更可测试的解释。没有找到。现在，物理学家说，希格斯的不自然性使宇宙常数的不自然性更具意义。阿尔卡尼-哈米德认为这些问题甚至可能相关。“我们不了解关于我们宇宙的一个基本非凡的事实，”他说。“它很大，里面有大的东西。”
在2000年，当布索（Bousso）和加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学教授乔·波尔钦斯基（Joe Polchinski）找到一种可以产生平行宇宙全景的机制时，多重宇宙不再仅仅是一个含糊其辞的论点。弦理论，一种假设的“万物理论”，认为粒子是看不见的微小振动线，并假设时空是10维的。在人类尺度上，我们只体验到三个空间维度和一个时间维度，但弦理论学家认为，另外六个维度紧密地缠绕在我们4维现实结构的每一个点上。布索和波尔钦斯基计算得出，这六个维度大约有 10500 种不同的缠绕方式（所有方式都束缚着不同数量的能量），从而使得一个难以想象的巨大且多样化的宇宙阵列成为可能。换句话说，自然性不是必需的。不存在一个单一的、必然的、完美的宇宙。
“这对我来说绝对是一个顿悟时刻，”布索说。但该论文引发了强烈抗议。
“粒子物理学家，特别是弦理论学家，梦想着能够唯一地预测所有自然常数，”布索解释说。“一切都将从数学、π和2中推导出来。而我们进来并说，‘看，这不会发生，而且有理由不会发生。我们思考这个问题的方式完全错了。’”
多重宇宙中的生命
在布索-波尔钦斯基多重宇宙情景中，大爆炸是一种涨落。一个紧凑的、六维的结，构成了现实结构中的一针，突然改变形状，释放能量，形成一个时空气泡。这个新宇宙的属性是随机决定的：涨落期间释放的能量大小。以这种方式爆发的大部分宇宙都充满了真空能量；它们要么膨胀要么坍缩得如此之快，以至于生命无法在其中产生。但一些非典型的宇宙，其中一个不可思议的抵消为宇宙常数产生了一个极小的值，则非常像我们所在的宇宙。
在一篇上个月发布在物理学预印本网站arXiv.org上的论文中，布索和伯克利同事劳伦斯·霍尔（Lawrence Hall）认为，希格斯质量在多重宇宙情景中也说得通。他们发现，包含足够可见物质（相对于暗物质）以支持生命的气泡宇宙，通常在大型强子对撞机（LHC）的能量范围之外具有超对称粒子，以及一个经过精细调整的希格斯玻色子。类似地，其他物理学家在 1997 年表明，如果希格斯玻色子比现在重五倍，这将抑制氢以外的原子形成，从而以另一种方式导致一个毫无生机的宇宙。
尽管有这些看似成功的解释，许多物理学家担心，采用多重宇宙的世界观并没有什么好处。平行宇宙无法进行测试；更糟糕的是，一个不自然的宇宙难以理解。“如果没有自然性，我们将失去寻找新物理学的动力，”高等研究院的物理学家基弗·布鲁姆（Kfir Blum）说。“我们知道它在那里，但没有强有力的论据说明我们为什么应该找到它。”这种情绪一再被回应：“我更希望宇宙是自然的，”兰德尔说。
但理论可以影响物理学家。在花费了十多年时间适应多重宇宙之后，阿卡尼-哈米德现在觉得它似乎是可信的——也是理解我们世界运行方式的可行途径。“就我而言，精彩之处基本上在于，大型强子对撞机的任何结果都会以不同程度的力量引导我们走上一条条不同的道路，”他说。“这种选择非常非常重要。”
自然性可能会坚持下来。或者它可能只是一个多重宇宙中一个奇怪但舒适的口袋里的虚妄希望。
正如阿卡尼-哈米德在哥伦比亚大学向听众说的那样，“请继续关注。”
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