這六個物理學的前沿研究，哪個會叩響新物理的大門？

在過去的一個世紀，物理學家從六個原理出發逐漸發展出了標準宇宙學模型和粒子物理學的標準模型。它們雖然成功地描述著這個世界是如何運作的，但也面臨著六個急需解決的大問題。這些問題困擾著許多物理學家，但並沒有使他們退縮，而是迎難而上，提出了六個最吸引人的解決方案。

在逐一討論這六個方案前，我們用一張圖回顧下前兩期的內容：

- 方案 1 -

修正引力理論

引力是我們都很熟悉的一個概念，畢竟是它使我們的腳牢牢的定在地面上，以及維持住地球的大氣層。而廣義相對論是已知最精確的一個引力理論，到目前為止它經受住了所有的檢驗。而在弱引力場和非相對性運動（運動速度較慢）的情況下，廣義相對論可以近似為牛頓引力。

在《新科學家雜誌》中，Mark Anderson撰寫了一篇題為「為什麼是時候重新思考引力是如何工作的」 的文章【1】。（圖片來源：Julien Pacaud）

我們知道，在太陽系的範圍內，以及黑洞合并輻射出的引力波中，廣義相對論都有著非常出色的表現。但是在宇宙尺度下，廣義相對論依然適用嗎？如果我們選擇相信它，那麼為了解釋星系和星系團的高速自轉，就必須發明一種全新的物質形態：暗物質。同樣地，為了解釋宇宙正在加速膨脹，我們也必須提出另一種神秘的力量——暗能量。

但我們真的需要暗物質和暗能量嗎？或許它們根本就不存在？只是我們需要重新思考什麼是引力。其實在愛因斯坦發表廣義相對論不久後，愛丁頓、外爾、克魯扎和克萊因等人就已經開始尋找其它的替代理論。廣義相對論的替代理論被統稱為「修正引力理論」（Modified Gravity）。近一個世紀以來，物理學家已經提出了許多相關理論，下面這張圖表列出了大部分的修正引力理論：

修正引力理論的一些途徑。對這些理論有興趣的讀者推薦閱讀Timothy Clifton撰寫的一篇綜述【2】。（圖片來源：Tessa Baker）

例如，在1981年，Moti Milgrom提出的「修正牛頓動力學」（MOND）就可以解釋星系的自轉曲線。但是，目前沒有一個理論能夠脫穎而出，它們都多多少少面臨一些問題需要克服。

擴展閱讀：《新的引力理論通過第一道檢驗》

-方案2 -

超對稱理論

物理學家認為自然界中存在著一種對稱性，能夠把玻色子（比如光子等）和費米子（比如電子等）聯繫起來。在對稱變換中，費米子會轉變為玻色子，反之亦然。這種對稱性被命名為超對稱。

左邊為標準模型粒子，右邊為超對稱粒子。（DESY）

在超對稱理論中，所有已知的費米子（比如夸克和輕子）都有個未知的玻色子超對稱夥伴（比如超夸克和超輕子），以及所有已知的玻色子（比如光子和膠子）都有個未知的費米子超對稱夥伴（比如光微子和超膠子）。粒子瞬間加倍了，當然樂趣也加倍了。

超對稱理論之所以受到物理學家的熱捧是因為它很優美，而且可以同時解決六個問題中的三個：

微調問題：解釋了為什麼希格斯玻色子的質量這麼低；

力的統一：計算表明，當能量越來越高的時候，電磁力、弱核力、強核力會在高能下統一；

暗物質：最輕的超對稱粒子——中性微子，是暗物質的天然候選者。

粒子翻倍，樂趣也翻倍了。（圖片來源：Sandbox Studio）

只要把粒子數量翻倍我們就能解決這些大問題讓許多人為之著迷。但問題是，如果超對稱粒子的確存在，它們應該早在大型強子對撞機中被探測到。但目前我們完全沒有看到任何可疑的信號，這讓許多人輸了賭局。也許是因為超對稱粒子比我們想像的更重，又或者是我們需要更加細心的去分析數據，我們不知道。但越來越多的人感到不安，或許超對稱並不是我們想要的答案。

擴展閱讀：《超對稱的崛起與衰落》，《雙重迷霧：零結果的陰影籠罩物理學》

-方案3 -

第五種力

有沒有可能存在著一種未被發現的第五種力？（圖片來源：The Day）

引力、電磁力、弱核力和強核力......這是目前已知的四種基本力，但這個數字看起來很隨機。為什麼不能有更多的基本力？第五種力很有可能是一種微弱、且長程的力，有點像引力，但很可能會跟它相互作用。它或許會抵消掉一點引力的作用，解釋為什麼宇宙的膨脹率在加速（暗能量）。或許它也可以跟引力的作用疊加提供額外的引力，解釋暗物質的問題。這第五種力肯定是非常擅長偽裝自己，使我們感受不到它的存在。有一個看法認為，是太陽系中的高密度環境保護我們感受不到它的效應，而在宇宙尺度（低密度）環境下它才變得顯著起來，這也是為何我們如此難以檢驗這個想法。

鈹-8的衰變會是第五種力存在的證據嗎？（圖片來源：Flip Tanedo）

第五種力伴隨著量子粒子也被提出來解釋粒子物理學的微調問題，可是在這個尺度下幾乎沒有絲毫證據表明存在這種新的基本力。但是，去年科學家在實驗中觀測到元素鈹-8的罕見衰變，被認為是第五種力的存在證據，一旦這一結果被進一步驗證，將打開一個全新的局面。

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