宇宙基本的理论是不含“长度”和“质量”这些概念的吗？

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尽管地球上的大象比蚂蚁重很多，一个星系看上去比一个原子大很多，但是一些物理学家开始怀疑，物质的长度和质量的差异不过是一场幻觉。他们认为，描述宇宙最为基本的理论是不含“长度”和“质量”这些概念的。大自然的本质里没有什么长度和质量。

标准模型的麻烦

今天的物理学家一般都认为，基本粒子的质量都来源于希格斯粒子。希格斯粒子是50多年前由英国物理学家彼得·希格斯和他的同事提出的，认为其他基本粒子，例如电子、传递弱相互作用的粒子、夸克等，可以通过与希格斯粒子的相互作用赋予质量。而希格斯粒子是由希格斯场的振荡产生的。最终在2012年，位于日内瓦的大型强子对撞机发现了这个粒子。

不过，物理学家发现，根据标准模型来计算，希格斯粒子与其他粒子相互作用时，自身的质量很容易变得越来越大，同时还反过来使得其他粒子的质量变大。通俗地说，这种量子效应试图使得所有的粒子都变得平等起来，而最终它们将具有同样的质量。

麻烦的事情还不止这些。物理学家还推测，宇宙中存在一个所谓的“普朗克质量”，约为质子质量的1千亿亿倍——10-5克，大约相当于一粒灰尘的质量，这是粒子质量的最大上限（如果再大，引力就会使得粒子变成一个黑洞）。而希格斯粒子与其他粒子的相互作用，就会使得所有粒子逐渐接近普朗克质量。

但事实上，这种事情根本没有发生。相反，大自然中好像有一种未知的原因，阻止了轻量级的标准模型粒子变成具有普朗克质量的粒子。

标准模型面对这个问题无能为力，于是有些科学家就想到，对于那些描述已知粒子及其相互作用的方程，如果把长度和质量想办法去掉的话，会发生什么？

尺度对称的破坏

这种有点疯狂的想法，是基于尺度对称这种原理。尺度对称指的是，一个物体的一些物理量，例如长度、能量等增大或减小后，它的性质仍保持不变。在我们日常生活中大多数事物是不遵守尺度对称的，不过有个很著名的例子是遵守的，它就是分形图像。例如海岸线就是分形的，怎么放大和缩小都具有同样的性质。

一些物理学家认为，大自然的最底层，是不区分尺度的。根据尺度对称，物理学家建立了描述一群无质量的粒子的基本方程，每一个粒子只有少量的特性，即它是粒子还是反粒子，具有正电荷还是负电荷等等。这些粒子由于相互吸引和排斥，会自发地产生类似多米诺骨牌的连锁效应，尺度对称就会被破坏，尺度就会变得有意义起来，而质量就会“长出来”。

事实上，宇宙中99%的质量都是通过这种效应产生的。我们知道，质子和中子是由三个夸克构成的，而把它们束缚在一起的能量形成了很大的束缚质量，这种质量相当于每个单独夸克质量之和的100倍左右。不过，根据前面所说的，有一些质量是通过与希格斯粒子的作用而产生的。而物理学家认为，这不是根本原因。它应该可以由更为基本的原因来解释，那就是尺度对称的破坏。也就是说，物理学家认为所有粒子的质量——包括希格斯粒子——都应该可以由尺度对称的自发性破缺而引起。

这样的理论靠谱吗？

最近，来自意大利比萨大学的物理学家创造了一个“无尺度引力”的理论，这个理论把所有尺度下的物理定律都编织在一幅图景中，这个理论可能是目前有关尺度对称最为完善的理论。在这里，希格斯粒子的质量和普朗克质量是由不同的机制产生的，所以希格斯粒子的质量并不能增长。另外，有意思的是，无尺度引力还可以解释宇宙为什么最初会发生暴胀。根据这一理论，宇宙大爆炸之后，尺度对称的破坏将会造成空间指数级的膨胀，进而引发暴胀。

然而，这个理论却有着一个致命的缺陷：它需要一些幽灵一样的粒子性实体的存在。这种幽灵要么具有负能量，要么具有负概率，这都与量子力学冲突。这些物理学家认为，如果这些幽灵与其他的粒子不发生任何作用的话，那么这个理论才可行。尽管还没完美地修补这个缺陷，不过他们认为这并不是什么难事。

与此同时，其他的研究小组也提出了其他不同的有关尺度对称的理论。那么究竟这样的理论靠谱吗？好在这样的理论都预言了一些标准模型之外的新粒子，也许过不了多久大型强子对撞机就可以检测它们是否存在。

原文地址：今日头条