描述这个宇宙需要26个常数(或者更多)

作者: 王丢兜

来源: 煎蛋

发布日期: 2015-09-02 09:22:16

描述宇宙需要26个无量纲常数,包括粒子质量、相互作用强度等。这些常数能帮助复制一个与我们的宇宙在本质上不可区分的宇宙。然而,仍有四个问题可能需要额外常量来解决,包括物质-反物质不对称、宇宙暴涨、暗物质和强CP-不守恒问题。

当我们在基础层面思考我们的宇宙时,我们思考其中所有的粒子和所有的力,以及它们之间发生的相互作用。如果你能描述这些力、相互作用和粒子的性质,你就拥有了复制我们的宇宙所需的一切,或至少是一个整体上和我们的宇宙在本质上不可区分的宇宙。

因为如果你了解物理定律,引力、量子力学、电磁学、核力,等等,你所需要的就是告诉你“是多少”的相互关系,只要你使用相同的初始条件,你就会得到一个宇宙,具有从原子到星系团的相同结构,从电子跃迁到恒星爆发的相同过程,同样的元素周期表,以及从氢气到蛋白质和烃链的相同化学组合,加上大量的其它相似之处。

当你遇到这个“多少”的问题时,你可能想到引力由万有引力常数G确定,以及“粒子的能量”由其静止质量确定,如电子的质量me。你想到光速c,以及对于量子力学有普朗克常数?。但物理学家们在描述宇宙时并不喜欢使用这些常量,因为这些常量有着任意的维度和单位。但是像米、千克和秒这样的单位并没有固有的重要性;事实上当涉及到宇宙时,根本没有理由强迫我们自己去定义像“质量”或“时间”或“距离”这样的东西。

如果我们给出正确的描述宇宙的无量纲常数,其中不带米、千克、秒或任何其它“维度”,我们就应该能自然地得出我们的宇宙本身。这包括诸如粒子质量、它们相互作用的强度、宇宙的速度极限,甚至时空本身的基本性质!事实证明,需要26个无量纲常数来尽可能简洁和完整地描述宇宙,这是一个相当小的数量,但还不像我们喜欢的那么小。如果你给我物理定律和这26个常量,我就能把它们丢进一台计算机并叫它去模拟我的宇宙。

而非同寻常的是,我所得到的看起来和我们今天的宇宙几乎无法区分,从最小的亚原子尺度一路直到最巨大的宇宙尺度。但即使这样,仍然还有四个难题,可能要求额外的常量来解决。这些问题包括物质-反物质不对称问题、宇宙暴涨问题、暗物质问题和强CP-不守恒问题。我们的宇宙是一个复杂、神奇的地方,然而,我们对统一理论——万物理论——的最大指望理应减少我们所需的基本常数个数。

但我们对宇宙了解越多,我们就知道更多要充分描述它所需要的参数。尽管认识到我们在哪里,以及在今天要描述已知的全部所需要的参数,非常重要,同样重要的是继续寻找一种更完整的范式,不但给我们宇宙所有的一切,而且使之尽可能简洁。

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