麗薩·蘭道爾

希格斯玻色子只是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)的冰山一隅，并非大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的唯一搜尋目標(biāo)?？茖W(xué)家研究弱尺度的最主要的原因，可能是沒(méi)有人認(rèn)為希格斯玻色子是遺留的唯一問(wèn)題。物理學(xué)家希望希格斯玻色子只是一個(gè)有著更多內(nèi)涵的模型中的一個(gè)元素，而該模型可以告訴我們關(guān)于物質(zhì)乃至?xí)r空本身更多的性質(zhì)。

只存在希格斯玻色子而沒(méi)有其他新元素的事實(shí)導(dǎo)致了另一個(gè)巨大的謎團(tuán)，即所謂的等級(jí)問(wèn)題。等級(jí)問(wèn)題關(guān)心的是，為什么粒子的質(zhì)量（特別是希格斯粒子的質(zhì)量）是其實(shí)際具有的那個(gè)數(shù)值。決定基本粒子質(zhì)量的弱能量標(biāo)度是另一個(gè)質(zhì)量標(biāo)度——決定引力強(qiáng)度的普朗克質(zhì)量——的10-16。為什么引力比我們所知的其他基本作用力弱這么多？

普朗克質(zhì)量與弱作用的質(zhì)量標(biāo)度相差如此巨大，是引力如此微弱的原因。引力的相互作用依賴(lài)于普朗克質(zhì)量的倒數(shù)。如果普朗克質(zhì)量如我們所知的那樣巨大，引力必然極其微弱。

事實(shí)上，引力是迄今人們所知的最弱的相互作用力，之所以看起來(lái)沒(méi)有那么微弱，是因?yàn)檎麄€(gè)地球的質(zhì)量都在吸引著你。兩個(gè)電子之間的電磁力要比它們之間的引力大43個(gè)數(shù)量級(jí)。引力對(duì)基本粒子的作用完全可以忽略不計(jì)。

粒子物理學(xué)家不喜歡解釋大數(shù)字，比如普朗克質(zhì)量與弱作用質(zhì)量之比。但是該問(wèn)題比僅從審美的角度反對(duì)神秘的大數(shù)字來(lái)得嚴(yán)重。根據(jù)量子場(chǎng)論（將量子力學(xué)與狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)的理論），這里不應(yīng)該有任何差別。對(duì)所有理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，解決等級(jí)問(wèn)題的緊迫性都是不言而喻的。

在量子場(chǎng)論中，普朗克能標(biāo)具有重要意義。不僅因?yàn)樵谠撃軜?biāo)上引力變得極強(qiáng)，而且因?yàn)樵诖四軜?biāo)上引力與量子力學(xué)都至關(guān)重要，而我們已知的物理定律都失效了。然而，在低能標(biāo)時(shí)，我們知道如何使用量子場(chǎng)論進(jìn)行粒子物理學(xué)計(jì)算，而量子場(chǎng)論也做出了很多成功的預(yù)測(cè)，讓物理學(xué)家相信它是正確的。實(shí)際上，在所有科學(xué)領(lǐng)域中，測(cè)量值與預(yù)言值最符合的結(jié)果就來(lái)自量子場(chǎng)論。這樣的一致性絕非偶然。

當(dāng)我們將相同原理應(yīng)用于結(jié)合量子力學(xué)的虛粒子，并給出希格斯粒子的質(zhì)量時(shí)，結(jié)果卻出人意料地混亂。理論上，任何粒子的虛效應(yīng)似乎都可以給希格斯粒子一個(gè)與普朗克質(zhì)量相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量。在這種情形下，弱相互作用伴隨的對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺的能標(biāo)也將是普朗克能標(biāo)，即比現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到的能標(biāo)高16個(gè)數(shù)量級(jí)。

我們認(rèn)為，不同質(zhì)量標(biāo)度之間差異的等級(jí)問(wèn)題，暗示了一個(gè)更大更好的基本理論?，F(xiàn)在，還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的模型可以完全給出該問(wèn)題的答案。唯一有希望的方案是將標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展，使其包含一些顯著的性質(zhì)。

我和拉曼·桑卓姆找到了一種看起來(lái)更好的方法，大多數(shù)物理學(xué)家都會(huì)同意其更有可能在自然中存在。請(qǐng)注意，這并不意味著大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為它是對(duì)的。許多人懷疑是否真的有人可以如此幸運(yùn)，能正確預(yù)言大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將揭示的東西，或者給出一個(gè)無(wú)須更多實(shí)驗(yàn)證據(jù)的、完全正確的模型。但是，作為一個(gè)占盡先機(jī)的想法，它很可能是正確的，并且與許多好的模型一樣呈現(xiàn)出清晰的策略，使得理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以更全面地挖掘大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的可能性，甚至發(fā)現(xiàn)該方法的證明。

我和桑卓姆提出的模型只涉及一個(gè)額外維度，它的尺度不必很大，因此沒(méi)有引入新的涉及該維度尺度的等級(jí)。與大尺度額外維度的情況相反，宇宙的演化與最近的宇宙觀測(cè)自動(dòng)相符。雖然我們的注意力只在這個(gè)單一的新維度上面，但是空間的其他附加維度還是可能存在的，只是在我們的模型中，在解釋粒子性質(zhì)時(shí)，它們沒(méi)有發(fā)揮可以讓人察覺(jué)的作用。因此，當(dāng)我們探究等級(jí)問(wèn)題的答案時(shí)，為了配合有效理論的方法，可以合理地忽略這些維度，而只關(guān)注單一額外維度的效用。

如果我與桑卓姆的想法是正確的，那么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)很快就將給出關(guān)于時(shí)空本質(zhì)的令人目眩的性質(zhì)。原來(lái)，我們假設(shè)的宇宙是高度彎曲的，這與愛(ài)因斯坦提出的出現(xiàn)了物質(zhì)與能量的時(shí)空的情形相符。其意思是，我們從愛(ài)因斯坦方程導(dǎo)出的幾何是“彎曲”的（這確實(shí)是一個(gè)預(yù)先存在的術(shù)語(yǔ)）。這意味著空間與時(shí)間隨著我們感興趣的那個(gè)單一額外維度的變化而發(fā)生改變。它改變的方式是：當(dāng)你從額外維度的一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置時(shí)，時(shí)空以及質(zhì)量、能量都發(fā)生放縮。

彎曲時(shí)空幾何的一個(gè)重要結(jié)果是，雖然希格斯粒子的質(zhì)量在額外維度的其他位置上變得很重，但是它在我們所處的位置上將具有弱尺度質(zhì)量（和應(yīng)該表現(xiàn)出的質(zhì)量完全一致）?？赡苓@聽(tīng)起來(lái)具有任意性，其實(shí)不然。根據(jù)我們的模型，我們生活在一張膜，即弱膜上，而第二張膜（引力聚集的膜）被稱(chēng)為引力膜，有些物理學(xué)家也把它稱(chēng)為普朗克膜。這張膜包含一個(gè)從額外維度來(lái)看與我們隔離開(kāi)來(lái)的宇宙。在這種情景中，第二張膜可能實(shí)際上恰好跟我們相鄰，只與我們相隔一個(gè)無(wú)窮小的距離——比如10-32米。

從彎曲幾何得出的最顯著的性質(zhì)是引力子——傳遞引力的媒介粒子，它在另一張膜上的質(zhì)量遠(yuǎn)比在我們這張上的大。這將使得引力在額外維度的其他位置上很強(qiáng)，而在我們所處的這個(gè)位置上很弱。事實(shí)上，我和桑卓姆發(fā)現(xiàn)引力的強(qiáng)度在距離我們很近的地方比在另一張膜上小，并且呈指數(shù)級(jí)衰減，因此給出了引力如此微弱的一個(gè)解釋。

另一種解釋這個(gè)結(jié)果的方法是通過(guò)時(shí)空幾何，時(shí)空尺度依賴(lài)于第四個(gè)空間維度的位置。在這里，質(zhì)量也呈指數(shù)函數(shù)縮放，這就使得希格斯玻色子的質(zhì)量呈現(xiàn)出它需要的數(shù)值。雖然有人會(huì)爭(zhēng)辯說(shuō)我們的模型依賴(lài)一個(gè)假設(shè)，即兩個(gè)巨大的、平坦的膜限定了額外維度的宇宙，但是一旦你給定由膜和被稱(chēng)為“主體”的額外維度空間所承載的能量時(shí)，該幾何可以直接從愛(ài)因斯坦的引力理論中推導(dǎo)出來(lái)。當(dāng)這樣做時(shí)，我們即可發(fā)現(xiàn)此前提到的幾何（即卷起來(lái)的彎曲空間）的質(zhì)量按照

解決等級(jí)問(wèn)題所需的方式進(jìn)行縮放。

與大尺度額外維度模型不同，基于彎曲幾何的模型不會(huì)將老的等級(jí)問(wèn)題換成新的等級(jí)問(wèn)題（即為什么額外維度如此巨大）。在彎曲幾何中，額外維度并不大。巨大的數(shù)值來(lái)自一個(gè)呈指數(shù)縮放的空間和時(shí)間。指數(shù)縮放使得尺度以及質(zhì)量的比例是一個(gè)巨大的數(shù)字，甚至當(dāng)這些物體在額外維度中相隔不遠(yuǎn)時(shí)，也是如此。

指數(shù)函數(shù)不是編造出來(lái)的，而是來(lái)自我們的模型中愛(ài)因斯坦方程的唯一解。我和桑卓姆計(jì)算得出，在彎曲幾何中引力與弱相互作用的比是兩張膜之間距離的指數(shù)函數(shù)。如果兩張膜的間隔是一個(gè)合理數(shù)值（幾十倍于引力設(shè)定的距離），那么質(zhì)量與相互作用強(qiáng)度的正確等級(jí)就會(huì)自然出現(xiàn)。

在彎曲幾何中，我們受到的引力如此微弱的原因，不是由于它在大尺度額外維度中被弱化了，而是因?yàn)樗痪奂狡渌胤健硪粡埬ど?。我們受到的引力由位于額外維度另一個(gè)位置的、某個(gè)很強(qiáng)的相互作用呈指數(shù)衰減的尾巴來(lái)決定。

我們之所以沒(méi)有看到位于另一張膜上的另一個(gè)宇宙，是因?yàn)檫@兩個(gè)世界共有的作用只有引力，而引力在我們附近已經(jīng)太弱，以至于無(wú)法傳遞可以察覺(jué)的信號(hào)。事實(shí)上，這種情景可被當(dāng)作一個(gè)多重宇宙的例子。在多重宇宙中，我們世界的物質(zhì)和元素與另一個(gè)世界的物質(zhì)之間的作用非常微弱，或者在某些情況下根本沒(méi)有相互作用。

然而，絕大多數(shù)猜想都不能被驗(yàn)證，只能停留在想象的空間中。畢竟，如果物質(zhì)如此遙遠(yuǎn)，連從那里發(fā)出的光在宇宙有限的壽命中都不能到達(dá)地球，因此我們是無(wú)法探測(cè)到它的。不過(guò)，我和桑卓姆提議的多重宇宙的情景不是一般的提議，因?yàn)楣灿械囊梢詫?dǎo)致實(shí)驗(yàn)上可探測(cè)的結(jié)果。我們不是直接接觸另一個(gè)世界，而是在更高維度的內(nèi)部空間中傳播的粒子來(lái)造訪我們。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)即將展開(kāi)的高能實(shí)驗(yàn)可以幫助我們確定，額外維度僅僅是一個(gè)天馬行空的想法，還是一個(gè)關(guān)于宇宙的真實(shí)元素。如果我們的理論正確，那么我們可以預(yù)期大延伸閱讀型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生KK模式。因?yàn)榕c等級(jí)問(wèn)題的聯(lián)系，我們的模型尋找KK模式所需的能標(biāo)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是可以達(dá)到的。這一能標(biāo)應(yīng)該在萬(wàn)億電子伏特的量級(jí)，即弱尺度能標(biāo)上。一旦能量達(dá)到如此之高，這些重粒子就可能出現(xiàn)。KK粒子的發(fā)現(xiàn)將為我們提供關(guān)鍵的證據(jù)，給我們提供擴(kuò)張的世界的

啟示。

事實(shí)上，彎曲幾何中的KK模式有一個(gè)重要且特別的性質(zhì)。雖然引力子本身的強(qiáng)度極其微弱（畢竟它傳播的是極其微弱的引力），但它相互作用的KK 模式強(qiáng)得多——幾乎與弱作用的強(qiáng)度一樣，是引力強(qiáng)度的億萬(wàn)倍。

KK引力子具有如此出人意料的相互作用強(qiáng)度的原因在于它們所處的彎曲幾何。由于時(shí)空強(qiáng)烈地彎曲，引力子KK模式的相互作用比我們感受到的引力子傳播的引力作用強(qiáng)得多。在彎曲幾何中，不僅質(zhì)量被縮放，引力強(qiáng)度也被縮放。計(jì)算表明，在彎曲幾何中，KK引力子的相互作用強(qiáng)度可以與弱尺度上的粒子的相互作用相當(dāng)。

這意味著不同于超對(duì)稱(chēng)模型，也不同于大尺度額外維度模型，我們的模型的實(shí)驗(yàn)證據(jù)不是來(lái)自有趣的粒子逃逸而造成的能量缺失。相反，該證據(jù)將是更干凈也更容易確認(rèn)的信號(hào)——探測(cè)器中的粒子衰變成標(biāo)準(zhǔn)模型粒子時(shí)留下的可見(jiàn)軌跡（KK粒子產(chǎn)生并且衰變成電子—正電子對(duì)）。

這實(shí)際上就是目前實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家找尋所有新的重粒子的方法，他們并不能直接看到粒子，但可以觀測(cè)到那些粒子衰變之后的產(chǎn)物。從原則上說(shuō)，這可以提供比缺失能量更多的信息。通過(guò)研究這些衰變產(chǎn)物的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以得出最初出現(xiàn)的粒子的性質(zhì)。

如果彎曲幾何的情景是正確的，那么我們將很快看到KK引力子模式衰變出來(lái)的粒子對(duì)。通過(guò)測(cè)量末態(tài)粒子的能量、荷以及其他性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將可以推導(dǎo)出KK粒子的性質(zhì)。這些鑒別特征以及粒子衰變成各種末態(tài)的比例，將有助于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家斷定他們是否發(fā)現(xiàn)了KK引力子或者其他新的奇異元素。這些模型讓我們知道需要找尋的粒子的本質(zhì)，也讓物理學(xué)家可以以此來(lái)分辨這

些可能性并做出預(yù)測(cè)。