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物理哲學家:大型強子對撞機已經打破了物理學

除了希格斯玻色子之外,大型強子對撞機(LHC)還沒有發現任何新的基本粒子。這對粒子物理學家來說無疑非常失望,因為他們相信這個巨型的粒子加速器應該能找到更多的新粒子、額外的空間維度、微型黑洞、新的對稱性、暗物質,或者其他完全不同的東西。然而,這些期望全都落空。

之所以粒子物理學家相信,大型強子對撞機能發現除希格斯玻色子之外的東西,是因為目前最好的物理學理論——粒子物理標準模型,不是“自然的”。

論點大致是這樣的:希格斯玻色子有別於標準模型中的其他粒子。其他粒子的自旋位1或或者1/2,但希格斯粒子的自旋為0。正因為如此,量子漲落對希格斯粒子的質量做出了更大的貢獻。這讓粒子物理學家認為,一旦碰撞能量足夠高,在製造出希格斯粒子的同時,一定會有別的東西隨之出現。

在物理學中,自然性(Naturalness)是指物理理論中出現的自由參數或物理常數之間的無量綱比值應該取“1數量級”的值。也就是說,一個自然理論的參數比應該是2.34,而不是234000或0.000234。從這個意義上來講,令人滿意的物理學理論應該是“自然的”,這一要求是上世紀60年代在粒子物理學領域興起的一種思潮。它是一種美學標準,而非物理學標準。

然而,粒子物理標準模型在技術上是不自然的觀點並沒有實際意義,因為這些被認為是麻煩的量子貢獻是無法觀測到的。因此,自然性的缺乏完全是一個哲學上的難題,關於它的辯論源於一個根本性的困惑:什麽東西一開始需要用科學解釋?如果不能觀測到,那就沒有什麽好解釋的了,為什麽我們還要談這個?

數十年來,總有人會相信自然論。但事實上,基於自然論的大型強子對撞機預測並沒有奏效。那麽,粒子物理學家最終會拋棄自然性的觀點嗎?

然而,粒子物理學家對他們此前所做出的明顯失敗的預測保持沉默。除了歐洲核子研究組織(CERN)理論小組負責人、自然論最有力的倡導者之一Gian Francesco Giudice在2017年發表了一篇承認有問題的論文之外,沒有人願意承認有什麽地方出了嚴重的問題。

也許粒子物理學家只是希望沒有人會注意到他們的錯誤,更不用說這些錯誤已經在所有出版的文獻中出現了。一些粒子物理學家正忙於發明新的自然論,預測新的粒子只會出現在下一個更大的對撞機上。

對於粒子物理學家而言,這可能是一個不好的情況,但對於哲學家而言,這是一個很好的情況,因為他們對別人的問題最感興趣。南加州大學(University of Southern Califor年)的物理哲學家David Wallace認為,大型強子對撞機已經打破了物理學。為此,他最近寫了一本名為《自然性與湧現》(Naturalness and Emergence)的書。

關於粒子物理學家預測的失敗,Wallace在書中寫道:

“我認為,任何這種自然性的失敗,都有可能破壞我們對理論間還原的整個理解結構,因此,物理領域的危機可能比人們有時認為的要嚴重得多。”

在科學哲學中,“理論間還原”是指在一定條件下,一個適用範圍更廣的理論可以還原為形式更為簡潔的理論。例如,在速度遠小於光速的情況下,狹義相對論可以還原為牛頓力學。

Wallace在書中進一步寫道:

“如果自然論在粒子物理學和宇宙學中完全失敗,則就沒有可靠的方法論論據來假設它們無處不在(比如在統計力學中)。”

迄今為止,粒子物理標準模型已經成功地解釋了來自大型強子對撞機的每一個數據片段。不管怎樣,這個理論都是非常成功的理論。如果有人使用一個標準來評估理論的好壞,那麽,出問題的會是提出標準的人,而不是理論本身。

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