对称的宇宙

苗千

对于刚刚从一场大爆炸之中诞生出来的宇宙，所要面对的最严峻问题——在很多物理学家看来——就是如何不马上又消失于无形之中。根据人类用来描述物质世界基本粒子的性质和行为的数学框架——标准模型的描述，宇宙大爆炸应该产生出数量相等的物质与反物质，而这两种物质一旦相遇，就会立即发生湮灭，转化为能量。从这个角度看来，宇宙中或许本来就不应有任何物质存在。问题就在于，任何人都可以通过自身的存在来证明，经过了140多亿年的演化之后，宇宙中仍然存在着大量的物质，而相比之下，反物质则显得极为稀少，至今也没有对人类的生存造成任何威胁。

物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德，他是当今理论物理学界的领军人物

反物质究竟在哪里？是已经通过湮灭几乎消失殆尽，还是大量存在于宇宙的某个区域？在宇宙诞生之初，为什么物质与反物质并没有同时消失？长久以来，这个问题困扰着物理学家们。一方面标准模型的有效性已经得到了充分的验证，它可以描述宇宙中的大部分物理现象，另一方面它又为物理学设置了一个又一个的悖论。就连宇宙自身的存在也显示出标准模型并不完备，人类的探索仍未完成。

宇宙并未消亡于诞生之初，而且在目前看来物质远多于反物质。一些物理学家认为这是因为物质与反物质之间存在着极其细微的差别，正是这种差别让物质逐渐在宇宙中占据上风。这种差别究竟在哪里？物理学家们测量了质子与反质子的质量、电量，都显示完全相同或相反（反质子带有负电荷），呈现出完美的对称。于是一些物理学家把寻找细微差别的希望寄托于两种粒子的磁性上。

想要精确测量单个质子的磁性尚且困难，要测量一个反质子的磁性难度自然更高。在实验室中制造和保存反质子本身就是一项难度极高的工作，在测量的过程中更是不能让其与任何物质相遇。因此，尽量精确地测量反质子的磁矩，对于物理学家们来说，本身就是一项难度极高的挑战。最近，欧洲核子中心（CERN）的一组科学家出色地完成了这项实验，把人类对于反质子磁矩的测量精度在此前的记录上又提高了上百倍。2017年10月20日，他们在《自然》（Nature）杂志上发表论文《对于反质子磁矩的十亿分率精度的测量》（A Parts-per-billion Measurement of the Antiproton Magnetic Moment），展示出人类对微观世界中单个粒子的超强操控能力，同时这个结果也加深了人类对于反物质的迷惑。

在欧洲核子中心“重子-反重子对称实验合作项目”（BASE Collaboration）工作的物理学家克里斯琴·斯莫拉（Christian Smorra）说：“我们所有的观察都显示出了物质与反物质之间的完美对称，这就是为什么宇宙真的不应该存在的原因。”这样的评论透出一些无奈，但在这种无奈之中也有着实验物理学家的自豪。

在BASE合作项目工作的科学家们于2014年首先精确测量了质子的磁矩，他们把一个质子限制在磁场中，然后再施加外部磁场对质子自身的磁矩进行测量。随后他们需要对反质子进行同样的测量操作：研究者们在2015年制造出了反质子，之后一直把它悬浮存储在一个特质的容器中，使其不与任何物质相碰。因为容器的设计极其精妙，使反质子始终没有发生湮灭，被创纪录地保存了405天，这样稳定的储存环境也使研究者们有条件对其进行精确的测量。随后BASE合作项目对反质子磁矩的测量精确到了小数点后9位，而除了符号不同之外，它与此前对质子磁矩测量的数值完全相同。

在哥伦比亚大学理论物理学家皮特·沃伊特（Peter Woit）看来，这次对反质子磁矩的精确测量算是一次漂亮的实验，但无关宇宙本身的存在与否。这个测验可以算是人类对电荷-宇称-时间对称性定理（CPT Symmetry）的一个实验验证，与电荷-宇称不变性（CP Symmetry）无关，其结果也符合理论的预测。只是通过标准模型的预测，人类并不知道在宇宙诞生之初，物质是否大大多于反物质。

问题不仅限于物质与反物质之间。在形式上非常完美，已经由实验充分验证的标准模型，已经成为人类理解自然界深层次美感的典范，但这个完美的结构也让物理学家感到深深地迷惑，因为它在某种意义上断绝了物理学继续向前发展的可能。在标准模型所预言的所有基本粒子都被实验发现之后，物理学家的目标就迅速转变为发现新粒子，以此作为超越基本模型的突破口。

至今为止，全世界所有的高能物理学家都还被限制在标准模型之内。正因为如此，每发现一个新粒子的疑似信号都会令物理学家们激动不已。从2015年12月开始，欧洲核子中心的ATLAS和CMS探测器分别探测到了异常信号，这可能是出现某种新粒子的征兆。尽管这种异常与真正的发现距离尚远，在一年多的时间里，物理学家们就已经发表了500多篇试图分析解释这种新粒子的论文。

经过反复的验证之后，物理学家们意识到此前发现的高能量光子信号只是异常，此前的激动也只是空欢喜一场——物理学又回到了原地。令人气馁的情况还不只如此，在欧洲核子中心的ATLAS 和CMS探测器，每个研究组都有超过3000名高能物理学家在工作，他们分析着大型重子对撞机进行的每一次粒子对撞，几年的时间里人们没有发现暗物质的痕迹，没有发现希格斯玻色子的表亲，没有发现时空更多的维度，也没有发现超对称理论所预言的各种各样的超粒子。

人类的物理学正面临着前所未有的空虚和迷茫，在圆满的标准模型之外，物理学家们看到的是前所未有的荒芜，这种荒芜是否蕴含着某种深刻？对于物理学家们近几年来在高能物理学领域的失败，目前理论物理学界的领军人物尼玛·阿卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）感到有些难以置信：众多物理学家做出了各种预测，居然没有一个正确。

除了暗物质和暗能量的真实身份需要被解开之外，物理学中还有一些基本问题也需要超出基本模型的理论给出解释。例如希格斯玻色子的质量在物理学家们看来非常的“不自然”，是出于某种对称，还是在宇宙诞生之后被“塑造”至此？在粒子对撞实验中迟迟无法发现新粒子，這是否会为物理学家们带来某种灵感，转而发现关于宇宙整体的某种结构？（本文写作参考了《自然》和《Quanta》杂志的报道）