2016年,物理学家感到焦躁不安。四年前,大型强子对撞机(LHC)找到了希格斯玻色子——粒子物理学标准模型的最后一块拼图。在巨大成功后,物理学家把希望都寄托在了LHC上,希望它能够继续发现其它新的粒子,因为自然界需要这些粒子的存在。但是,到目前为止,他们所收集的数据都暗示着他们的期待似乎只是幻想。
标准模型和广义相对论在微观和宏观上都出色的发挥着各自的作用,但是物理学家知道这两个理论并不是终极的。至少他们认为他们知道:理论是不完备的。不仅仅是因为两个理论之间的不相容,它们还导致了一些无法治愈的悖论。大自然特别的喜欢隐藏自己的真实面目,而物理学家的目标就是找出背后的答案。他们知道肯定有一些线索还没被发现,但问题是,究竟在哪里?
物理学家逐渐的在缩小他们寻找的范围,而下面对下面几个方面的研究或许能打开新物理学的大门:
弱耦合:在加速器中(比如LHC),将两束粒子加速获得极高的能量后进行对撞,这样就可以产生许多的粒子。但是,产生的新粒子的量取决于它们与对撞粒子(就LHC而言,对撞粒子为质子,或是组成它的夸克和胶子)的耦合强度。如果一个粒子的耦合非常弱,那么产生它的可能性也比较低,因此它就很难被发现。
高能量:如果粒子不是弱相互作用的类型,那么它们应该早就被发现了,除非它们的质量超过了目前粒子加速器所能达到的能量。在这种情况,物理学家的首要目标是寻找超对称伴粒子,由于超对称破缺,这些粒子比标准模型中的粒子要重的多。
高精度:对标准模型的高精度试验完全是高能测量的互补。这些试验对来自虚粒子的最微小效应都极其灵敏。相关例子有:质子衰变、中子-反中子振荡、μ介子g-2、中子电偶极矩以及K中介子振荡。它们各自都有相应的实验在寻找超越标准模型的现象,而且这些实验测量的精度一直在不断的提高。
过去:在早期宇宙中的物质比我们能够在粒子加速器达到的要致密及炽热的多。因此,这个时期遗留下来的任何信号可以传达许多的信息。微波背景辐射(CMB)中的温度起伏就是一个很好的线索。它可以被用来检验暴涨模型或者它的替代者;也可以用来检验宇宙是否是由大爆炸开始,或者是经历了大反弹。
遥远的:有一些新物理的信号出现在长距离上。其中一个重要的问题是宇宙究竟是什么形状的?它是否真的是无限大?
如果是,为什么会是这样?回答这些问题的答案只能通过观察宇宙微波背景辐射温度起伏的模式。如果我们是生活在一个多重宇宙中,会有一定的概率两个相邻的宇宙会相互碰撞,这就会在CMB上留下痕迹。另一个科幻般的现象在长距离上能够被察觉的是第五种相互作用。它会有各种各样的效应,从违反等效原理到演化的暗能量。因此,有许多的实验仍然在不断的检验等效原理和暗能量是否随着时间演化。
就在这里:并不是所有的实验都是巨大和昂贵的,还有许多小型的实验也在进行。例如,对量子力学基本原理的不断检验。随着科技的发展,纳米级别的设备,单光子源和噪声控制技术的进步使许多以前无法进行的实验都得以实现。或许有一天,仅仅通过测量,物理学家就可以停止对量子力学的“正确”诠释的争论。
19世纪末,开尔文爵士断言:“物理学已经走到了尽头”,但事实是不仅没有走到尽头,而是打开了全新的世界:相对论和量子力学。同样,现在的物理学还远远未结束。基本理论越来越难以检验,但是物理学家不断的推进实验的极限。我们能确定新的物理就在那里;而我们现在能做的就是利用越来越高的能量以及精度察觉那些微妙的效应。
如果大自然对我们足够仁慈,或许在不久的将来我们就能看到超越粒子标准模型,超越宇宙标准模型的新物理出现。