粒子物理学家和宇宙学家有哪些共同的目标？

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粒子物理学家和宇宙学家有哪些共同的目标？

2017 年 9 月 12 日 中科院物理所 Amanda Solliday

文：Amanda Solliday

译：二宗主

在粒子物理学领域中，科学家研究构成万物的最小物质单元的性质以及它们之间的相互作用。而物理学的另一分支——天体物理学——则专注于创造和检验描述在浩瀚宇宙中发生一切的理论。

粒子物理学和天体物理学家看似关注的是两个不同极端的现象，但从事这两个领域的科学家实际上需要互相依赖。有许多最前沿的研究都连接了这两者。

宇宙结构的种子

粒子物理学家和天体物理学家都在追问早期的宇宙是如何成长演化的。

Eva Silverstein是斯坦福大学的物理学教授，她总是在办公室计算着宇宙早期经历的一次急速膨胀的数学细节，这个快速成长的时期被称为宇宙暴涨。Silverstein表示：“对我而言，这是个非常有意思的课题，因为你可以理解宇宙中结构的起源。暴胀理论是物理学家能够想象的到的解释结构起源的最简单和漂亮的模型。”

△ 宇宙早期经历了一次指数式的膨胀，被称为宇宙暴胀（Inflation）。

科学家认为在大爆炸之后，宇宙逐渐冷却，粒子开始结合形成氢原子。这个过程会释放之前被困住的光子——即组成光的基本粒子。

那些光的余晖即所谓的微波背景辐射，今天仍遍布宇宙。科学家通过测量微波背景辐射的不同性质来研究大爆炸后的瞬间究竟发生了什么。

根据现有的模型，在亚原子尺度首先形成的模式最终成为了整个宇宙结构的基础。那些拥有密集亚原子粒子的区域会吸引越来越多的物质。随着宇宙逐渐成长，这些密集的区域会形成星系和星系团。从极小成长为极大。

但科学家研究微波背景辐射不仅仅只是为了研究宇宙是如何成长的，他们想要知道的更多，比如寻找暗物质、暗能量和中微子质量的蛛丝马迹。

Silverstein 说：“能够探索约138亿年前发生的事情是非常惊人的，虽然不能事无巨细的了解一切，但我们仍可以掌握相当多与宇宙中的物质和相互作用有关的细节。”

理论物理学家 Stephen Weinberg 在《最初三分钟》中写道：“将宇宙历史追溯到起点的愿望是许多科学家无法抗拒的动力。”这位诺贝尔奖获得者补充说：“从现代科学开始的16，17世纪起，物理学家和天文学家一次又一次地回到宇宙起源这个问题上。”

在黑暗中搜寻

粒子物理学家和天体物理学家都在思考暗物质和暗能量。天体物理学家想知道的是——是什么构成了早期的宇宙，又是什么组成了现在的宇宙。粒子物理学家想知道的是——宇宙中是否还有未发现的粒子和力在等待我们去寻找。

SLAC 理论物理学教授 Michael Peskin 说：“暗物质在组成宇宙的物质中占的比重很大，但在粒子物理学的标准模型中中，还没有已知具备暗物质性质的粒子。暗物质间的相互作用非常弱，它们质量大、移动缓慢，在整个宇宙寿命期间里都相当稳定。”

暗物质存在的证据可通过其对星系和星系群里普通物质的引力效应体现。这些观测的结果表明，宇宙大约由4.9％的普通物质、26.8％的暗物质和68.3％的暗能量构成。但到目前为止，科学家仍未能直接观测到暗能量与暗物质。

△ 宇宙的成分。（图片来源：Naukas.com）

Peskin 说：“这是粒子物理学领域最尴尬的事。不管在宇宙中能看到多少原子物质，相应的就存在其五倍多的暗物质，我们却不知道它们是什么。”

但科学家拥有强大的工具来帮助我们去探索这些未知。SLAC的高级科学家兼理论组负责人 Tom Rizzo 说，过去几年来，解释暗物质的模型的数量一直在增加，与其一同增长的还有各种不同的探测方法的数量。

一些实验试图寻找暗物质存在的直接证据，比如暗物质粒子与探测器中的物质粒子碰撞。另一部分人想通过通过一些间接证据来确认暗物质的存在，比如暗物质粒子对其他过程的干扰，或隐藏在宇宙微波背景中。如果暗物质具有的性质是正确的，那么科学家或许能在如大型强子对撞机（LHC）这样的粒子加速器中创造它。

物理学家也在积极寻找暗能量的信号。通过观测宇宙中可以看到的最远距离的星系团的运动，我们可以测量暗能量的性质。

布兰戴斯大学的教授兼暗能量巡天计划的研究人员 Marcelle Soares-Santos 说：“每次新的探测技术产生，都会带来许多的惊喜。我们可以利用这些观测宇宙的新方法来更好地了解宇宙学和物理学的其他领域。”

力的作用

粒子物理学家与天体物理学家还有一个共同的兴趣，就是对引力的研究。对粒子物理学家而言，引力是标准模型无法很好解释的一个自然界中的基本力。天体物理学家想要了解的是引力在宇宙的形成中扮演的角色。

在标准模型中，每一种力都具有所谓的载力粒子或玻色子，如电磁力中的光子，强力中的胶子，弱力中的W和Z玻色子。当粒子通过力相互作用时，它们就会交换这些载力粒子，转移少量被称为量子的信息，科学家通过量子力学来描述这些作用。

△ 宇宙中已知的四种基本相互作用。从左至右分别是：作用于带电荷的粒子之间的电磁力；制约着放射性现象的弱核力；强核力负责将质子和中子紧紧地束缚在一起；在引力的作用下，苹果会落在地上，地球会绕着太阳转，星系才不会分崩离析。（图片来源：Maharishi University of Management）

广义相对论解释了引力在大尺度上是如何作用的：地球会吸引我们的身体，行星物体间会相互牵引。但引力是如何通过量子粒子进行作用的仍是一个谜题。

发现一种传递引力的亚原子载力粒子将有助于解释引力在微观尺度上的运作，并且启发物理学家发展出将广义相对论和量子力学结合的量子引力理论。

与其他基本相互作用力相比，引力与物质间的相互作用非常弱，但作用的强度会随着能量的增加而迅速变大。理论家预测，在宇宙初期时出现的极高能量下，量子引力效应与其他的力旗鼓相当。引力在宇宙从微波背景的小尺度模式过渡到现在的大尺度模式中起到了重要作用。