理论物理学中最大的未解之谜:为什么引力如此微弱
基本粒子和力的标准模型目前已经快要达到我们所想象的“完成”状态。每种不同形式的基本粒子，都是在实验室里被创造出来，并在测量后被确定性质。最后的顽固分子——顶夸克和反夸克，微中子和反中微子，以及希格斯玻色子，也都落入了我们的探测陷阱。
特别是最后的希格斯粒子，解决了物理学中一个长期存在的问题：现在，我们可以自信地解释这些基本粒子的静止质量从何而来!
图片来源:E. Siegel，摘自他的新书《银河系之外》。
这确实很棒，但这并不意味着我们完成谜题的一部分后科学就此结束。相反，这还有一些重要的后续问题。比如我们总是在问，“接下来会发生什么?”但当说到标准模型时，我们却还没将它完全搞清楚。对于大多数物理学家来说有一件事特别重要，为了找到它，希望先思考一下标准模型的下列性质。
图片来源:NSF, DOE, LBNL，和当代物理教育项目(CPEP)。
一方面，弱力、电磁力和强力都是相当重要的，这取决于相互作用的能量和距离。
但万有引力呢?并非如此。
如果你曾有机会读过Lisa Randall写的一本精彩的书，会发现其中有很多内容都是关于这个难题，而这个难题我认为是理论物理学中最大的未解决的问题，即级列问题。
图片来源:维基百科共用用户Zhitelew，粒子质量的标准模型粒子。
我们所能做的是取任意两个基本粒子，其具有任意质量和任意相互作用力，然后发现引力实际上比宇宙中其他已知的力弱40个数量级。这意味着引力比其他三种力弱10的40次方倍。例如，即使它们不是基本粒子，如果你把两个质子放在一公尺远的地方，它们之间的电磁斥力大约是万有引力的10^40倍。或者，在这我把它写出来一次，我们需要把重力的强度增加10000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000，以便使它的强度可以与其他已知的力相比较。
你不能让一个质子的重量是正常情况下的10^20倍，这将使引力把两个质子聚集在一起，从而克服了电磁力。
图片来源:维基共享用户Wereon的公共领域作品。
相反，如果你想让上面的反应自发进行，让质子克服它们的电磁排斥，你需要10^56个质子。只有通过收集这么多的粒子，在它们共同的引力作用下，你才能克服电磁力把这些粒子聚集在一起。事实证明，10的56次方质子大约是一颗完整恒星的最小质量。
这是对宇宙运行方式的描述，但我们不明白其原因。为什么引力比其他力弱这么多?为什么是“引力电荷”(质量)比电荷或彩色电荷弱得多，甚至比弱电荷弱得多?
这就是级列问题，这个问题在很多方面都是物理学中最大的未解之谜。我们不知道答案，但我们也不是完全一无所知。从理论上讲，我们有一些关于解决办法的好主意，并且有一个工具来帮助我们调查这些可能性是否正确。
图片来源:Maximilien Brice (CERN)。
迄今为止，大型强子对撞机——有史以来开发的能量最高的粒子对撞机，在地球上的实验室条件下已经达到了前所未有的能量，收集了大量的数据，精确地重建了在碰撞点发生的事情。这包括创造从未见过的新粒子(如大型强子对撞机发现的希格斯介子)，以及我们熟悉的老式标准模型粒子(夸克、轻子和规范玻色子)，如果它们存在，它可以产生任何可能存在于标准模型之外的粒子。
有四种可能的方式——这是我所知道可以解决级列问题的四个方法。实验的好消息是，如果这些解决方案中有一个是自然选择的，LHC（大型强子对撞机）应该会找到它! 如果没有，我们需要继续寻找。
图片来源:CMS合作，“希格斯玻色子双光子衰变的观测及其性质的测量”，(2014)。
除了三年前宣布发现的单个希格斯玻色子，LHC没有发现新的基本粒子。不仅如此，也没有令人信服的新候选粒子出现。此外，发现的粒子与标准模型希格斯粒子完全一致，没有显著的统计结果来有力地表明，在标准模型之外还观察到了合成的希格斯粒子，多种希格斯粒子，非标准模型式的衰变，任何这类东西的新的物理现象。
但是，我们已经开始以更高的能量获取数据——从原来的一半提高到13 / 14兆电子伏，试图以此去找到更多未知的东西。在此之前，请考虑到这一点，对于我们即将探索的级列问题什么是可能的、合理的解决方案?
图片来源:DESY在汉堡。
1)超对称性，简称超对称性。超对称性是一种特殊的对称性，它会导致任何粒子的正常质量大到与重力的强度与其他力相当然后被抵消，而且精度很高。对称性还意味着，标准模型中的每个粒子都有一个超粒子伙伴，并且有5个希格斯粒子和5个希格斯超级伙伴。如果这种对称性存在，那么在此它一定是被打破了，否则超伴星的质量就会和正常粒子的质量完全一样，以至于无法像现在这样被我们所发现。
如果SUSY要以适当的规模存在以解决等级问题，那么LHC一旦达到14 TeV的全部能量后，应该至少找到一个超级合作伙伴，以及至少第二个希格斯粒子。否则，超级合作伙伴的存在会产生另一个困惑且没有解决方案的等级问题。(对于那些想知道答案的人来说，如果在所有能量下都没有SUSY粒子那么弦理论将失效，因为超对称性是包含粒子标准模型的弦理论的一个条件。)
这是第一个可能解决级列问题的方法，目前还没有依据支持。
图片来源:J.R. Andersen等人(2011)，LHC发现彩色颗粒的第一份黑色报告。
2) 彩色印片（technicolor）。这不是指20世纪50年代的卡通; 彩色印片（technicolor）是一个术语，指那些需要新的规范相互作用的物理学理论，以及那些要么没有希格斯粒子，要么不稳定/不可观测希格斯粒子的理论。如果 彩色印片（technicolor）是正确的，它还需要大量有趣的可观测粒子。虽然这在原则上可能是一个合理的解决方案，但发现的希格斯介子在合适的能量下似乎是一个基本自旋为0的标量，将使这个级列问题的可能解决方案无效。唯一的出路是，如果希格斯玻色子最终不是一个基本粒子，而是一个由其他更基本的粒子组成的复合粒子。LHC即将以13/14 TeV的增强型能量全面运行，这应该足以让我们一探究竟。
还有另外两种可能性，一种比另一种更有希望，这两种都涉及到额外维度。
图片来源: Flip Tanedo, via http://www.physics.uci.edu/~tanedo/docs.html.
3)扭曲的额外维度。这个理论由前面提到的Lisa Randall和Raman Sundrum提出，认为重力和其他力一样强大，但在我们的三维宇宙中不是这样。它生活在一个不同的三维宇宙中，它与我们所在的第四维度宇宙之间的距离只有10^(- 31)米。(或者，如上图所示，在第五维度中，包含了时间。)这很有趣，因为它是稳定的，而且它可以提供一个可能的解释关于为什么我们的宇宙一开始膨胀得如此之快(扭曲的时空可以做到这一点)，所以它有一些可信的好处。
它还应该包括一组额外的粒子;不是超对称粒子，而是卡鲁扎-克莱因粒子，它是存在额外维度的直接结果。值得注意的是，一项太空实验表明，可能存在一个质量相当于希格斯介子5倍，能量约为600 GeV的卡鲁扎-克莱因粒子。尽管我们目前的对撞机还无法探测到这些能量，但新的大型强子对撞机应该能够制造出足够多的能量来探测它们——如果它们存在的话。
图片来源:J. Chang等人(2008)，《自然》，来自高级薄电离量热计(ATIC)。
然而，这个新粒子的存在绝不是必然的，因为这个信号只是在预期的背景下观察到的电子过剩。不过，有一点值得牢记，在大型强子对撞机最终达到满负荷运转时，几乎任何质量低于1000gev的新粒子都应该在这台机器的范围内。
并且最终......
图片来源:Caroline Collard(2004)，摘自她在大学间高能研究所的一次演讲。
4)大的额外维度。有别于被扭曲的，额外的维度可以是“大的”，大只是相对于扭曲的维度大，在尺度上是10^(-31)米。“大的”额外维度大约是毫米大小，这意味着新的粒子将在LHC能够探测的范围内出现，同样也会有新的卡鲁扎-克莱因粒子，这可能是解决级列问题的一个办法。
但是这个模型的一个额外结果是引力会在一毫米以下的距离从根本上偏离牛顿定律，这是很难测试的。然而，现代实验主义者已经能够应付这种挑战了。
图片来源:低温氦湍流和流体动力学活动。
微小的、过冷的悬臂梁上装载着压电晶体(当它们的形状改变/被扭曲时释放电能的晶体)，它们之间只有几微米的间隔就可以被制造出来，如上所示。这项新技术允许我们设置限制，如果有“大的”额外维度，它们将小于5-10微米。换句话说，就广义相对论的预测而言，引力是正确的，其尺度远小于一毫米。所以如果有更大的额外维度，它们的能量是LHC无法达到的，更重要的是，它们不能解决级列问题。
当然，要么有完全不同的解决级列问题的办法，即有一个不会出现在我们目前条件下的对撞机，要么这可能只是大自然的现象，没有任何解释，根本就没有解决级列问题的办法，。但是，如果我们不去尝试，科学就永远不会进步，这就是这些想法和探索的意义:我们试图推动我们对宇宙的认识向前发展。和往常一样，大型强子对撞机运行II已经开始了，我迫不及待地想看看除了已经发现的希格斯玻色子之外，还会发现什么!
作者: Ethan Siegel Senior Contributor
FY: 别的柱子
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