见著知微:宇宙学对撞机闲话

CosmicCollider
© Paul Shellard

(按:本文略经修改后发表于《环球科学》2017年12月号。转载请联系《环球科学》。)

星系、星系团、超团,这些浮游于时空中的巨无霸,刻画了宇宙在极大尺度下的结构。在另一个极端,微观世界的基本粒子和相互作用塑造了自然界的基本物理规律。研究者近来意识到,精确测量宇宙极大尺度下物质分布的结构,或许有助于发现极小尺度下的未知基本粒子和基本物理定律。

人类对自然界中的“极大”与“极小”有着古老而持久的兴趣。一大一小,代表了对外部世界认知的边界,历来都激发出人们强烈的好奇心和无穷的想象力。《庄子》在开篇《逍遥游》中描画了一幅异想天开的图景,不同大小的生物在各自生活的尺度内生息自如,并行不悖。综观《庄子》全书,小大之辩往往可见。终篇《天下》更借惠施之口道出“至大无外”、“至小无内”这样的命题,在头脑中充塞着现代物理学概念的人读来,别有意趣。

自然界的极大与极小,如今已成为宇宙学和粒子物理学的前沿阵地。得益于近几十年里物理理论与实验观测技术的快速进步,物理学家现在能够在这两种极端的尺度下做相当精确的测量和细致的理论研究。随着这些研究的积累,大家正逐渐意识到,通过观测宇宙大尺度结构来理解自然在极小尺度下的基本物理规律,也许并非天方夜谭。本文将介绍研究者近来围绕“宇宙学对撞机”这个主题,将两个极端尺度下的物理现象合炉同冶的一点理论尝试。

“宇宙学对撞机”这个说法,是Nima Arkani-Hamed和Juan Maldacena两位物理学家在2015年的一篇文章中首先提出的 [1]。乍看上去,这或许会让人联想到“天地大冲撞”之类的灾难情景。可是要以“碰撞”的温度而论,宇宙学对撞机要比彗星撞地球高出许多量级。这个想法将整个宇宙比作一间硕大无朋的高能粒子物理实验室,颇有以天地为栋宇的浪漫情怀。不过要说清楚宇宙学对撞机究竟是怎样一回事,还需拆而解之,先说什么是宇宙学,再介绍什么是对撞机。 继续阅读

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