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10 全新的创世纪（第1页）

10全新的创世纪

努力探索多元宇宙

欧洲核子研究组织，2009年6月3日

今天由我和约翰·埃利斯主持，我们接待了一位非常特殊的国家元首。他来自一个只有836名居民、占地面积0。44km2的国家，是所有国家中面积最小的，但在世界上扮演着重要角色—梵蒂冈。该代表团由乔瓦尼·拉霍洛率领，他是梵蒂冈的总督，相当于代表教皇行使行政权力的总理。这次访问既有公务价值，也有科学价值。乔瓦尼·拉霍洛由日内瓦的工作人员以及梵蒂冈的两位顶尖科学家陪同：著名的梵蒂冈天文台主任何塞·加布里埃尔·富内斯和天文台陨石收藏馆馆长盖伊·康索马格诺，这是世界上最重要的天文馆之一。访问的目的还包括初步讨论梵蒂冈以观察员身份参加欧洲核子研究组织的可能性，这是可能实现新的有效成员加入的第一阶段。这就是代表团级别如此高的原因，这次访问除了签署议定书的手续外，还包括对共同关心的科学问题的深入讨论。上午，我们参观了紧凑渺子线圈和欧洲核子研究组织的计算机中心。午饭后，我们来到了一个用于小型研讨会的房间：61号楼A室。

梵蒂冈有一个围绕天文学和宇宙学组织的研究基础设施。梵蒂冈天文台管理着两架望远镜—位于教皇夏宫甘多尔福堡的Specola望远镜和位于美国亚利桑那州格雷厄姆山的VATT（梵蒂冈高级技术望远镜），格雷厄姆山是北美最好的天文观测点。VATT是一个现代望远镜，主镜约2m，是国际天文台的第一个光学红外望远镜。

梵蒂冈天文台是至今仍在运行的最古老的天文台之一。它建于16世纪下半叶，当时教皇格里高利十三世为了改革以他命名的历法，需要精确的计算。他向罗马学院求助，那里有杰出的物理学家、天文学家和数学家。为了便于观察，他建造了一座73m高的塔，现在被称为“风之塔”。在时代的变迁中，梵蒂冈天文台配备了越来越复杂的仪器，这些仪器安装在风之塔及罗马大学。20世纪，当这座城市的光污染变得极其严重时，教宗庇护十一世决定将天文台转移到距离罗马25km的阿尔班山上的甘多佛堡，现在天文台仍在那里。我们现在围坐在椭圆桌旁讨论物理。首先，我们讨论的是暗物质。富内斯和康索马格诺想知道我们有什么程序可以直接探测超对称粒子，从而找到中性中微子。约翰·埃利斯描绘了最简单的超对称模型，我解释了我们正在不遗余力地组织研究。然后我们继续讲大爆炸、电弱、膨胀。富内斯神父接连追问，而莱奥罗主教只是倾听和点头。约翰和我一开始都很谨慎，我们知道话题是敏感的，一点小细节就足以冒犯到我们到对话者。我们想避免哪怕是最轻微的尴尬，因此我们继续谨慎回答；但是我们不能回避这个直接的问题：“您如何看待多元宇宙？”我们突然明白，之前的所有讨论都只是为了达到这个目的的一个借口。面对这样一个假设，即我们的宇宙不是唯一拥有生存特权的宇宙。这个问题很容易想象，如果以积极的方式解决，不仅会产生科学上的影响，而且还会产生神学上的影响。出于尊重，我们试图回避的一点，实际上是他们最感兴趣的一点。从那一刻起，讨论变得更加深入，我们花了整整一个小时讨论弦理论的优缺点、永恒膨胀、真空状态和十维宇宙。我们的耶稣会同事非常了解这些问题，他们掌握了最困难的细节，他们只是想把自己的观点与我们的观点进行比较。他们想要用真正的研究人员所拥有的对知识的热情来验证技术的现状，不需要犹豫，不需要自我审查，完全自由地讨论。

会议结束时，在寒暄中，我不知道为什么突然蹦出一句：“这是一次精彩的讨论。如果伽利略看到我们今天这样对话，他会很高兴的。”当拉霍洛主教和我握手时，他给了我最大的惊喜：“说到伽利略，你愿意到梵蒂冈来探望我们吗？我很乐意给你展示我们档案馆里伽利略亲笔签名的信件，这是为少数人保留的特权。”

可惜的是，在这些复杂的岁月里，我还没有找到时间跟进那份珍贵的邀请，但迟早我会的。

至于像富内斯一样的阿根廷人，他们属于一个非常特殊的派别，具有开放和智慧的悠久传统。在访问紧凑渺子线圈期间，富内斯用完美的意大利语向我讲述了他的成长经历、他在科尔多瓦获得的学位和在意大利帕多瓦获得的博士学位。在谈到教会内部对科学的兴趣时，富内斯跟我讲了一个阿根廷民众的故事。他有意大利血统，曾是科尔多瓦的审查官。富内斯和他就物理学进行了长时间的讨论，因为他是为数不多的拥有科学知识的成员之一。他先获得化学学位，然后才获得神学学位。富内斯兴致勃勃地谈起他，好像说他是个伟大的人物，但我在那儿并没有注意到这一点。几年后，当枢机主教贝尔格里奥当选为教皇方济各时，我又想起了那次谈话。

如果我们真的发现了“上帝粒子”呢？

我从来都不喜欢这个绰号，我一直认为它不合适。然而，我知道莱德曼的书不仅成了畅销书，现在也进入了集体的想象。无论一个人多么努力地尝试，无论一个人多么坚持它不过是一个物质粒子，似乎每个人，记者和公众，都离不开这个表达。

坦白地说，每当我发现自己在一群提到“上帝粒子”的听众中辩论时，我几乎无法掩饰我的烦恼。此外，我觉得这个表达有所冒犯。我不是信徒，但我对那些有信仰的人怀有深深的敬意。当我讨论宇宙生命的最初时刻时，我总是尽量不冒犯那些人。他们把物质世界想象成造物的结果，或者是超智能的显现。我知道，科学观察在我们每个人可以自由地做出这种信仰行为之前暂停了片刻，我不允许自己去评判。

然而，我必须承认，科学界最近对希格斯玻色子作用的反思可能会打开一个全新的视角。这样一来，如果得到证实，他们就真的可以证明他们取的绰号是正确的。事实上，根据一些假设，仅希格斯玻色子就可以解决现代物理学的三大难题：正反物质的不对称、暴胀的起源和暗能量。

第一个问题关涉我们作为物质的存在。没有理由认为在大爆炸中产生了不同数量的物质和反物质，而且我们知道，如果两种如此不同的物质相互接触，它们会在一瞬间湮灭。那么，为什么反物质完全消失了，而在宇宙中，只有构成我们的普通物质和我们周围的一切还保留着？

宇宙背景辐射告诉我们，所有落到我们这里的物质只是原始物质的很小一部分。早期宇宙的物质和反物质通过发射光子自我湮灭，其数量之大，我们今天仍然可以在我们周围的宇宙中观察到。由于一种尚不清楚的机制，在最初时刻存在的十亿个物质粒子中，有一部分在第一次致命的碰撞中存活了下来。在随后的演化过程中，我们所知道的一切都是从这个小遗迹演化而来的，因此，物质相对于反物质的成功是由我们的存在所证明的：一个细节，一个小细节，我们就在这里。

几十年来，人们一直认为这一切都是由于物质和反物质行为上的不同。一个微妙的异常，打破了原来完美的对称，这是一切的基础。人们已经进行了详细的研究，事实上，已经发现了几种机制，这些机制对于物质在粒子和反粒子的衰变过程中的影响很小。这些差异在标准模型中是可以预见的，但物质的偏差太小，不足以解释我们周围观察到的过量现象。

近年来出现了一种新的假设。即使在这种情况下，当电弱相变发生时，一切都可以确定。这取决于这个相变是如何发生的，在那个精确的时刻，大爆炸后的十亿分之一秒，我们的命运被决定了。在一个物质和反物质等价的宇宙中，在任何时候，它们都可以恢复为纯能量。希格斯玻色子的一个非常轻微的偏好，可能就足以与物质而不是反物质耦合，这就是它，产生了环绕我们的物质宇宙。或者说相变发生的方式是决定性的。也许一切都是在标量场占据整个宇宙之前决定的，在那个奇异空隙中形成的第一批微小气泡中，弱相互作用与电磁作用最终分离。在这些迅速膨胀的气泡表面，物质和反物质之间会产生非常轻微的不对称性，如果相变非常迅速，就会幸存并变成一种普遍的性质。

这就是它，一个微小的缺陷，一个微妙的不完美，一切诞生都源于它。一种异常现象产生了一个物质宇宙，这个物质宇宙可以演化数十亿年。

如果一切都是从那里来的，那么就有必要了解每一个细节的关键时刻，以慢动作和不同的角度逐帧地重建它，就像观察世界锦标赛决赛的进球一样。要做到这一点，有必要建造一个比大型强子对撞机更强大的新加速器。像未来环形对撞机这样的机器，其质心为100TeV，将是研究希格斯玻色子的潜在理想工具。自大爆炸以来，希格斯玻色子一直处于远离平衡的状态。这将需要几年，也许几十年，但迟早我们能够在我们的历史上写下另一个至关重要的篇章。

希格斯玻色子可以解决的第二个谜题则更加令人着迷：是什么引发了暴胀的过程，使得宇宙规模在生命早期阶段膨胀？

我们知道需要一个标量粒子，即暴胀子，才能触发宇宙膨胀。新发现的希格斯粒子是标准模型的第一个基本标量粒子。如果希格斯玻色子就是暴胀子呢？这种可能性是存在的，并引发了激烈的争论。

新的玻色子125GeV的质量，一个非常特殊的值，某些人认为，这将使希格斯玻色子产生类似于所假设的会产生宇宙膨胀的势能：一座具有最小坡度的山，逐渐增长，然后跳入一个潜在的洞。在某些模型中，标量场的势能甚至可能有两个极小值。一开始，它会朝着最接近的局部最低水平移动，从而引发膨胀式增长。然后，由于量子隧道效应，或者由于其他机制，新粒子会重新开始运动，冲向稳定的平衡点，从而产生弱电真空，而且它现在仍然处于这种状态。现在我们有了希格斯玻色子，它有两种功能：首先，它引发了产生万物的混沌，然后，当这种爆发平息时，它在相互作用之间建立秩序，并组织基本粒子家族—给每个粒子分配其质量的精确值—这样万物就能和谐地发展几十亿年。当然，如果希格斯粒子真的在我们物质宇宙的形成过程中，扮演了如此明确而复杂的角色，我们就很难否认它有权利称自己为“上帝粒子”。

这个问题实际上非常有争议，无论如何暗示，希格斯粒子可能是暴胀子的假设引起了科学界很大一部分人的激烈争论。虽然不能排除希格斯粒子可能在暴胀中发挥了作用，但许多人认为有必要假设存在另一个标量，伴其左右并帮助它，就好像这个任务太大了，它一个人做不到。最后，我们又回到了马上要问自己的问题：希格斯玻色子是唯一的，还是整个新标量粒子家族的第一个成员？

要了解更多，还需要更多的研究。首先，必须精确地测量其势能随能量的变化，而能量的变化又取决于诸如顶夸克质量和强相互作用的耦合常数等参数，这些参数也必须非常精确地测量。希格斯玻色子与自身的耦合是另一个决定性的参数，它可能会带来惊喜。为了测量它，我们将需要研究一个非常罕见的过程，也许我们只能在大型强子对撞机的高亮度阶段瞥见：希格斯玻色子对的产生。要详细研究希格斯玻色子分解成一对其他希格斯玻色子的奇怪机制，有必要建造新的加速器，并且要有足够的耐心。这个过程是如此罕见和复杂，只有通过产生数百万对配对，才有可能重建那几百对配对以进行测量。

即便如此，也可能不足以消除人们对希格斯粒子在暴胀中所扮演角色的担忧。为了真正证实这一假说，有必要验证原始希格斯玻色子那极少的特征，是否在宇宙辐射的背景中留下了印记。

整个宇宙就像一个巨大的微波炉，数十亿年前非常热，至今还没有完全冷却下来。最灵敏的仪器仍在继续研究它的辐射，因为它仍然保留着非常微弱的、经历的所有历史的痕迹。这个光子旋风无处不在，我们从四面八方看到的光子是一个宝贵的信息来源，它关涉在决定性的最初时刻到底发生了什么。为了很好地研究它，有必要避免正常陆地环境的典型干扰。为此，要将仪器送入轨道，或在南极洲最偏远的地区安装非常特殊的探测器。

如果希格斯粒子触发了暴胀，它一定留下了一些痕迹。如果我们试着去计算它，就会发现希格斯玻色子的接触非常微妙。宇宙微波背景的光子在大爆炸38万年后从物质中永久分离。在那个时候，光子和电子不断被物质释放和重新吸收，它们有足够的时间与引力波的海洋相互作用，引力波是由暴胀产生的，在几千年的时间里持续震动着早期宇宙。时空的扰动传递给了与玻色子相互作用的光子，而光子则经历了一种印记：一种特殊的极化、一种特殊的相互作用。接下来的数十亿年里，这种极化的微妙痕迹仍然存在于宇宙辐射背景中。

所有最复杂的实验都在追求这种特殊的极化，但它是一种隐藏在其他现象之下非常小的效应，产生极其微弱的信号。这有点像在138亿年之后，试图听到婴儿微弱哭泣的、非常遥远的回声。如果确实是希格斯粒子触发了暴胀，那么这个信号的灵敏度将远远低于当前实验的灵敏度。

与此同时，我们可能会在希格斯玻色子和第三个千年之初最大的物理学之谜—暗能量之间的关系中发现一些新的东西。