未曾出现的“峰值”

尽管有诱人的暗示,但一种其存在会表明一种先前未知的自然力的粒子,最终还是不存在的

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本文发表在《大众科学》的前博客网络中,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


格雷戈里(苏格兰场侦探):“您是否还有其他想引起我注意的地方?”

福尔摩斯:“夜里狗的奇怪事件。”

格雷戈里:“狗在夜里什么也没做。”


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福尔摩斯:“那才是奇怪的事件。”

《银色马》,阿瑟·柯南·道尔,1892年

本周,一条科学新闻出现,对许多人来说似乎是“非新闻”:欧洲核子研究中心大型强子对撞机的两项大型实验报告称,他们没有发现新的粒子。

如果每次科学实验没有取得新发现都进行新闻报道,那么报纸会比现在厚得多。

那么是怎么回事呢?嗯,正如上面夏洛克·福尔摩斯的题词所表明的那样,有时候观察到什么都没有是相当重要的。 在这种情况下,如果大型强子对撞机确认了去年获得的数据中看到的初步“峰值”的存在,这表明存在一种比最近发现的希格斯粒子重六倍的完全出乎意料的新基本粒子,那将是半个世纪以来粒子物理学中最重大的发现。

在过去的四十年里,每次在粒子加速器上进行的实验都以越来越高的精度证实了理论物理学家在1960年代中期到1970年代中期这十年的显著发现中所做的所有预测。在那段时间里,我们建立了对自然界四种已知力中的三种的量子力学层面的完整理解,而引力仍然是唯一的异常值。

所谓的标准模型建立在19世纪和20世纪所有关键发展的基础上,从我们对电磁学的理解到相对论和量子力学,并依赖于一个数学框架,该框架指导物理学家寻求将所有已知力统一于一个理论中。它可以被描述为科学所产生的最伟大的理论建筑。

标准模型的一个缺失成分是一个被预测存在但从未被观察到的新粒子。为了找到它,科学家们必须建造有史以来最复杂的设备,即大型强子对撞机,并且在2012年7月4日,发现了希格斯粒子。

尽管这是一个值得庆祝的理由——证明大自然实际上服从理论家开发的描述奇怪而异域的基本现实的数学描述——希格斯的发现也给科学带来了一个新的难题。

虽然对理论的证实很棒,但科学为了进步所需要的是实验发现,这些发现可以指导理论家尝试辨别物理学家认为美丽的观点是否真实。这就是科学的魅力。大自然并不关心哪些观点对人类来说是自然的或引人注目的。科学与宗教的根本区别在于,它要求我们迫使我们的信仰符合现实的证据,而不是反过来。

问题就在这里。除非大型强子对撞机有新的发现,否则我们将不知道目前指导物理学家构建模型的观点是否正确,这些模型旨在进一步加深我们对自然界最小尺度的理解。特别是,标准模型为什么具有现在的形式,以及为什么希格斯粒子首先存在这一根本问题仍然没有答案。

因此,去年在大型强子对撞机发现希格斯粒子的两项实验发现了新的基本粒子的初步证据,这引起了物理学界的极大兴趣。这一发现如此令人兴奋的原因是,任何建立在标准模型基础上的新理论都没有预测到这样的粒子。如果它存在,似乎需要在自然界中存在一种新的基本力,超出已知的四种力。

然而,物理学家们已经学会了持怀疑态度。尽管出现了数百篇理论论文,提出可能允许这种革命性的新粒子存在的新想法——其中许多论文需要改变关于基本尺度上可能支配自然界的定律的传统观点——但物理学中的一个格言是,大多数革命性的观测不太可能经受住进一步的审查。如果不是这种情况,那么革命性的发展将会如此普遍,以至于它们将不再是革命性的。

因此,当本周在粒子物理学界的国际会议上公布的新的、更大的数据集显示,之前在大型强子对撞机观察到的诱人“峰值”仅仅是一个统计上的偶然事件时,我们许多理论家并不感到惊讶。正如卡尔·萨根经常重复的那样,非凡的主张需要非凡的证据。而大型强子对撞机的潜在发现,其非凡程度超越了我作为物理学家一生中所经历的任何事情。

尽管如此,来自欧洲核子研究中心的消息仍然是苦乐参半的。虽然作为标准模型一部分建立的卓越知识体系仍然完好无损,但科学中最令人兴奋的事情莫过于大自然给我们抛出一个曲线球,因为它意味着宇宙比我们想象的更加陌生和令人兴奋。

尽管如此,虽然本周来自欧洲核子研究中心的消息不如我们希望的那么令人兴奋,但我们可以从其他方面得到安慰。虽然标准模型的持续成功证明了人类想象力的力量,但如果以史为鉴,大自然的想象力仍然更加伟大。大型强子对撞机仍在强劲运行,我个人会感到非常惊讶,如果有一天我不会感到惊讶的话。

劳伦斯·克劳斯的新书《有史以来最伟大的故事......目前为止》涵盖了这一主题及更多内容。 该书将于2017年3月发布

Lawrence M. Krauss is Foundation Professor in the School of Earth and Space Exploration and the physics department and inaugural director of the Origins Project at Arizona State University. Author of several popular books and commentaries for national publications, radio and TV, he also lectures widely on science and public policy. Krauss has the unique distinction of having received the highest awards from all three U.S. physics societies. In his spare time, he has performed The Planets with the Cleveland Orchestra and served as a Sundance Film Festival judge. He has written many articles and columns for 大众科学 and serves on its board of advisers.

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