ckn是什么意思(女生打ckn会打出什么)

三十年来，研究人员一直在徒劳地寻找新的基本粒子，以解释大自然为什么会这样。当物理学家面临这一失败时，他们正在重新审视一个长期存在的假设:任何物体都是由更小的东西组成的。

娜塔莉·沃尔乔弗

译者:李玉婷

在《科学革命的结构》中，科学哲学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)观察到，科学家花很长时间取得缓慢的进展。他们提出并解决难题，同时在一个固定的世界观或理论框架内统一解释所有数据，库恩称之为范式。但是，迟早会出现与现有范式相冲突的事实。危机随之而来。科学家们绞尽脑汁，重新审视自己的假设，最终革命性地转向新的范式，对自然有了完全不同的、更真实的认识。然后又恢复了渐进。

几年来，研究自然基本成分的粒子物理学家一直处于教科书式的库恩危机中。

这一危机在2016年变得不可否认，当时，尽管进行了重大升级，日内瓦的大型强子对撞机仍然没有产生理论家们期待了几十年的任何新的基本粒子。这些额外的粒子将解决一个关于已知粒子的主要问题，即著名的希格斯玻色子。正如谜题所说，问题是为什么希格斯玻色子如此之轻——比自然界最高能量尺度的质量还要小1亿倍。与这些更高的能量相比，希格斯质量似乎被不自然地降低了，仿佛决定其价值的基本方程中的巨大数字被奇迹般地抵消了。

额外的粒子应该能够解释微小的希格斯质量，并恢复物理学家所谓的方程的“自然性”。然而，在大型强子对撞机——第三个也是最大的对撞机——徒劳地寻找它们之后，似乎关于自然界中什么是自然的逻辑可能是错误的。欧洲粒子物理研究所(CERN，大型强子对撞机所在的实验室)理论部门负责人吉安·朱迪切在2017年写道:“我们面临着需要重新考虑几十年来用于解决关于物理世界最基本问题的指导原则。”

起初，科学界绝望了。

“你可以感受到这种悲观情绪，”伊莎贝尔·加西亚·加西亚说，她是加州大学圣巴巴拉分校卡夫瑞理论物理研究所的粒子理论家，当时她还是一名研究生。价值100亿美元的质子粉碎机不仅未能回答一个40年前的问题，而且长期以来指导粒子物理学的信念和策略也不再值得信赖。人们比以前更迫切地想知道，宇宙是不是非自然的，是不是微调数学抵消的产物。也许存在一个由多个宇宙组成的多元宇宙，所有希格斯质量和其他参数都是随机的，我们发现自己在这里只是因为我们宇宙的特殊性质促进了原子、恒星和行星的形成，从而形成了生命。虽然这个“人择原理”可能是正确的，但令人沮丧的是，不可能证明它。

许多粒子物理学家已经转向其他研究领域。加州大学洛杉矶分校的理论物理学家纳撒尼尔·克雷格说:“那里的难题还没有变得像等级问题那样困难。

图 | Nathaniel Craig 和 Isabel Garcia Garcia 探究了引力如何帮助调和自然界的能量尺度。（来源：Jeff Liang）Nathaniel Craig和Isabel Garcia Garcia探索重力如何帮助协调自然界的能量等级。(来源:梁杰夫)

一些留下来的人开始仔细研究几十年前做出的假设。他们开始重新思考自然界中那些看似非自然微调的显著特征——希格斯玻色子的小质量，以及一个看似无关的关于空之间非自然低能量的问题。“真正的根本问题是自然的问题，”加西亚·加西亚说。

他们的自省正在开花结果。研究人员越来越多地关注他们认为的关于自然的传统推理中的弱点。它建立在一个看似正确的假设上，这个假设从古希腊开始就被纳入科学视野。大的东西是由更小更基本的东西组成的——这种说法叫做简化论。“简化主义范式.....新泽西普林斯顿高等研究院的理论家尼玛·阿卡尼·哈姆德说。

现在，越来越多的粒子物理学家认为，大型强子对撞机的自然问题和无效结果可能与还原论的崩溃有关。“这会改变游戏规则吗？"阿尔卡尼-哈迈德说。

在最近的一系列论文中，研究人员将还原论抛到了九霄云外。他们正在探索大小和距离尺度之间可能协调的新方法，生成的参数值从还原论的角度进行了不自然的微调。

“有人称之为危机。这里有一种悲观的气氛，但我不这样认为，”加西亚加西亚说。这是一个我认为我们正在做一些意义深远的事情的时刻。"

什么是自然性

大型强子对撞机确实取得了一个关键发现:2012年，它终于发现了希格斯玻色子，这是一个有50年历史的理论的基石，该理论被称为粒子物理学的标准模型，它描述了17种已知的基本粒子。

希格斯的发现证实了标准模型理论中写的一个迷人的故事。

在BIGBANG之后的瞬间，渗入空之间空间的一个叫做希格斯场的实体突然被注入了能量。希格斯场分裂产生希格斯玻色子，由于场的能量，这些粒子具有质量。当电子、夸克和其他粒子在空之间运动时，它们与希格斯玻色子相互作用。这样，它们也增加了质量。

该模型于1975年完成后，其设计师几乎立即注意到了一个问题。

当希格斯把质量给了其他粒子，它们会立刻回馈；大量的粒子会一起晃动。物理学家可以写出希格斯玻色子的质量方程，其中包括每个粒子与其相互作用的关系。

所有的大质量标准模型粒子都对这个方程有贡献，但这不是唯一的贡献。希格斯玻色子在数学上也应该与更重的粒子混合，包括普朗克尺度现象，这是一个与引力、黑洞和宇宙大爆炸的量子性质有关的能级。普朗克尺度现象对希格斯质量的贡献应该是巨大的——几乎是实际希格斯质量的1亿倍。

很自然，你会认为希格斯玻色子和它们一样重，从而加强了其他基本粒子。粒子会太重而不能形成原子，宇宙会空。

对于希格斯玻色子来说，虽然它依赖于巨大的能量，但最终它是如此的轻。你必须假设普朗克对其质量的贡献是正的和负的，它们都有恰到好处的量，从而完全抵消。

除非这种取消有某种原因，否则这将是荒谬的——就像气流和桌子的振动相互抵消以保持笔尖平衡一样不可能。这种微调偏移被物理学家认为是“不自然的”。

几年之内，物理学家找到了一个令人满意的解决方案:超对称理论，该理论假设自然界中的基本粒子具有二重性。超对称理论认为，每个玻色子(两种类型粒子中的一种)都有一个伙伴费米子(另一种类型)，反之亦然。玻色子和费米子分别对希格斯质量贡献正项和负项。

因此，如果这些项目总是成对出现，它们将总是相互抵消。

对超对称伴子的探索始于上世纪90年代的大型正负电子对撞机。研究人员假设这些粒子比它们的标准模型伙伴略重，需要更多的原始能量才能实现，因此他们将粒子加速到接近光速，将它们撞在一起，并在碎片中寻找重物的外观。

与此同时，另一个自然问题也浮出了水面。

空之间的结构，即使在没有物质的情况下，似乎也有能量——所有量子场流过其中的净活动。

当粒子物理学家将空之间所有假定的能量贡献加起来时，他们发现，就像希格斯质量一样，普朗克尺度现象的能量注入应该会使它爆炸。

爱因斯坦认为空之间的能量，他称之为宇宙常数，存在引力排斥效应，使得空膨胀得越来越快。如果在空之间注入普朗克密度的能量，宇宙会在大爆炸后的瞬间自我撕裂。但这并没有发生。

相反，宇宙学家观察到空之间的膨胀只是缓慢加速，这表明宇宙常数非常小。

1998年的测量结果将其值定为比普朗克能量低100万亿倍。同样，在宇宙常数的方程中，似乎所有这些巨大的能量注入和提取都完美抵消，使得空异常平静。

“重力......混合了所有长度尺度的物理学-短距离，长距离。因为它这样做了，它给了你这条出路。”——纳撒尼尔·克雷格

这两大自然问题在20世纪70年代末显而易见，但几十年来，物理学家一直将其视为无关紧要的问题。

“这是人们对此感到分歧的阶段。”阿尔卡尼-哈迈德说。宇宙常数问题似乎与神秘的量子引力有关，因为空之间的能量只有通过它的引力效应才能探测到。Arkani-Hamed解释说，层次问题看起来更像是一个“令人讨厌的小细节问题”——这种问题，就像过去的两三个其他问题一样，最终会揭示出拼图中缺失的一些部分。“希格斯的弱点”，正如朱迪切所说，它的不自然的轻，不是大型强子对撞机的几个超对称粒子所能治愈的。

事后看来，这两个自然问题似乎更像是一个更深层问题的表面症状。

“思考这些问题是如何产生的是有益的，”加西亚·加西亚在今年冬天从圣巴巴拉打来的电话中说。"等级和宇宙常数的问题出现，部分是因为我们用来尝试回答问题的工具--我们尝试了解我们宇宙的一些特征的方式。"

恰到好处的还原论

物理学家诚实地以他们有趣的方式计算希格斯质量和宇宙常数的贡献。

这种计算方法反映了自然界中奇怪的嵌套结构。

把某个东西放大，你会发现其实是很多更小的东西。

从远处看，看起来像星系的东西实际上是恒星的集合；每颗恒星都有许多原子；一个原子进一步分解成亚原子部分的等级结构。

此外，当你放大到更短的距离尺度时，你会看到更重、更高能的基本粒子和现象——这是高能和短距离的深层联系，这解释了为什么高能粒子对撞机就像是宇宙的显微镜。

整个物理学中有很多高能和短距离关系的例子。比如量子力学认为每个粒子也是波，粒子质量越大，其关联波长越短。另一个是能量必须更密集地挤压在一起才能形成更小的物体。物理学家称低能长距离物理为“红外线”，高能短距离物理为“紫外线”。这是红外和紫外波长之间的类比。

在20世纪60年代和70年代，粒子物理学的巨人肯尼斯·威尔逊和史蒂芬·温伯格指出了等级结构的非凡性质:它允许我们在大的红外尺度上描述一些有趣的属性，但不知道在更微观的紫外尺度上到底发生了什么。例如，您可以使用流体动力学方程来模拟水，将它视为平滑的流体，并掩盖其H2O分子的复杂动力学。流体动力学方程包括一个表示水的粘度的项，这是一个可以在红外尺度上测量的单一数字，它总结了所有这些发生在紫外尺度上的分子相互作用。物理学家表示，红外和紫外尺度是“解耦”的，这使得他们可以有效地描述世界的方方面面，而无需知道普朗克尺度深处发生了什么——最终的紫外尺度，相当于一厘米的十亿分之一万亿分之一，或100亿电子伏特(GeV)，其中空结构可能会溶解到其他东西中。

（来源：康奈尔大学教师传记档案，#47-10-3394.康奈尔大学图书馆珍稀和手稿收藏部。）(资料来源:康奈尔大学教师传记档案，#47-10-3394。康奈尔大学图书馆珍本和手稿收藏部。)

"瑞士洛桑联邦理工学院的理论物理学家里卡多·拉塔齐(Riccardo Rattazzi)说，“我们可以研究物理，因为我们可以对短距离内发生的事情保持无知。”

威尔逊和温伯格分别发展了有效场理论，粒子物理学家用它来模拟我们嵌套世界中不同层次框架的碎片。自然性问题就是在有效场论的背景下产生的。

有效场论在一定的尺度范围内模拟一个系统，比如一束质子和中子。如果质子和中子被放大一段时间，它们看起来永远像质子和中子。你可以用“手征有效场论”来描述它们在这个范围内的动力学。但随后有效场理论会到达它的“紫外截止点”，这是一个短距离、高能量的尺度。在这个尺度上，有效场论不再是系统的有效描述。例如，在1 GeV的截止点，手征有效场理论停止工作，因为质子和中子的行为不再像单个粒子，而是像三个夸克。一种不同的理论开始发挥作用。

关键是，有效场理论在其紫外线截止点崩溃是有原因的。分界点是必须发现新的高能粒子或现象的地方，而这些粒子或现象并不包含在这个理论中。

在其有效范围内，有效场论通过添加代表这些未知效应的“修正”来解释截止点以下的紫外物理。这就像一个带有粘性项的流体方程，用来捕捉短距离分子碰撞的净效应。物理学家写这些修正并不需要知道分界点存在什么实际的物理现象，他们只是用分界点的标度作为有效性范围的粗略估计。

通常，当您在感兴趣的红外标度上计算某些东西时，UV校正很小，并且与截止点相关的(相对较小的)长度标度成比例。然而，当你使用有效场论来计算像希格斯质量或宇宙常数这样的参数时，情况就变了，因为这些参数有质量或能量单位。参数的UV校正将是巨大的，因为(为了具有正确的单位)校正与能量相协调，而不是与截止点相关的长度。长度小时，能量高。这样的参数被称为“紫外线敏感”。

自然的概念在20世纪70年代与有效场理论本身一起出现，作为一种策略来确定有效场理论必须在哪里停止。

因此，新物理必须存在。逻辑如下。如果质量或能量参数具有高截止点，其值自然应该很大，并被所有UV校正推得更高。因此，如果这个参数很小，截止能量一定很低。

一些批评家认为自然只是一种审美偏好。但其他人指出，这种策略揭示了关于自然的精确和隐藏的真相。“这种逻辑行得通，”克雷格说，他是一位最近重新投身于这种逻辑的领导人。自然问题“一直是事物在变化，新事物应该出现的标志”。

自然性能够做什么

1974年，在“自然性”一词出现的前几年，玛丽·k·盖拉德和李志希惊人地利用这一策略预测了一种当时被称为魅力夸克的假想粒子的质量。克雷格说，“在我们的领域，她对成功的预测及其与等级问题的相关性被严重低估了。”

1974年夏天，盖拉德和李对两种高粒子-夸克化合物的质量差异感到困惑。测量的差异非常小。

但当他们试图用有效场论方程计算质量差时，看到它的值有爆炸的危险。因为高质子质量差有质量单位，对紫外光敏感，在分界点接受未知物理的高能修正。这个理论的分界点不得而知，但当时的物理学家推断它不可能很高，否则得到的高质子质量差相对于修正值来说会很小很奇怪——就像物理学家现在说的，这是不自然的。

盖拉德和李推导出了他们有效场论的低截止尺度，也就是新物理应该出现的地方。他们认为必须找到当时提出的一种叫做粲夸克的夸克，它的质量不应该超过1.5 GeV。

三个月后，Canranquark出现，重1.2GeV，这一发现迎来了一场被称为十一月革命的认知复兴，并迅速推动了标准模型的完成。在最近的一次视频通话中，82岁的Gaillard回忆说，当消息传出时，她正在欧洲的CERN访问。李给她发了一封电报:魅力被发现了。

（来源：AIP Emilio Segrè 视觉档案馆）(资料来源:AIP Emilio Segrè视觉档案)

这一胜利让许多物理学家相信，等级问题也应该表明新粒子不会比标准模型的粒子重多少。

如果标准模型的分割线在普朗克尺度附近(研究人员确信标准模型在这里失败了，因为它没有考虑量子引力)，那么希格斯质量的紫外修正将是巨大的，使其略显不自然。在希格斯玻色子本身的质量之上不远处设置一个截止点，会让希格斯的质量变得和截止点的修正一样重，一切都会看起来很自然。

“在过去的40年里，这种方法一直是试图解决等级问题的努力的起点，”加西亚·加西亚说。“人们提出了伟大的想法，比如超对称和[希格斯]的合成，我们还没有看到它们在自然界实现。”

2016年，GarciaGarcia在牛津大学攻读粒子物理学博士学位。几年之内，她清楚地意识到清算的必要性。“那时，我对这缺失的部分更感兴趣了。我们讨论问题的时候通常不考虑这部分，这是引力。与有效场论相比，这个问题在量子引力中可以看到更多。”

引力把一切都混在一起

在20世纪80年代，理论家们了解到重力并不按照通常的还原规则运行。

如果你用力将两个粒子撞在一起，以至于它们的能量集中在碰撞点，就会形成一个黑洞——一个任何东西都无法逃离的极端重力区。如果你更用力地把粒子撞在一起，它们会形成一个更大的黑洞。更多的能量不再会让你看到更短的距离。相反，你打得越狠，隐形面积就会越大。而描述黑洞内部的量子引力理论完全颠倒了高能和短距离的普遍关系。纽约大学的物理学家SergeiDubovsky说，“引力是反还原论者的。”

量子引力似乎在玩弄自然的架构，嘲弄物理学家已经习以为常的有效场论嵌套尺度的整洁系统。克雷格和加西亚·加西亚一样，在寻找大型强子对撞机一无所获后不久，就开始思考重力的意义。在试图寻找解决等级问题的新方法时，Craig重读了CERN的理论家朱迪切在2008年写的一篇关于自然的文章。

他开始思考朱迪切的意思:朱迪切写道，宇宙常数问题的解决方案可能涉及“红外和紫外效应之间的一些复杂相互作用”。如果红外和紫外之间存在复杂的相互作用，就会违背通常的解耦，而解耦使得有效场理论起作用。“我刚刚在谷歌上搜索了‘紫外-红外杂交’，”克雷格说，这让他找到了一些1999年的有趣论文。“然后我就开始了。”

“这是一个我觉得我们正在做一些意义深远的事情的时候。”——伊莎贝尔·加西亚

紫外-红外混合可能通过打破有效场论的还原论方案来解决自然问题。在有效场论中，当希格斯质量和宇宙常数对紫外光同样敏感时，自然问题就会出现，但不知何故不爆发。似乎所有的紫外物理都有一个阴谋，要使它们对红外光的影响无效。“在有效场论的逻辑中，我们放弃了这种可能性，”克雷格解释道。

还原论告诉我们，红外物理学来源于紫外物理学——水的粘性来源于它的分子动力学。质子从它们的内部夸克获得它们的特性，解释出现在放大中，而不是相反。紫外线不受红外线的影响，也不能用红外线来解释。“所以[紫外线效应]不可能有一个在非常不同的尺度上解决希格斯物质的阴谋。”

克雷格现在的问题是:“有效场论的这种逻辑会被打破吗？”也许解释真的可以在紫外线和红外线之间双向流动。"

这并不完全是异想天开，因为我们知道重力就是这样的。重力违反了正常的有效场论推理，因为它混合了所有长度尺度的物理，包括短距离和长距离。因为它这样做，它给你这条出路。"

紫外-红外混合如何拯救自然性

一些关于UV-IR混合以及它如何解决自然问题的新研究参考了1999年发表的两篇论文。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授帕特里克·德雷珀(Patrick Draper)说，“人们对这些更奇特、更无效的场论方法解决问题越来越感兴趣。他的最新工作是在1999年的一篇论文中完成的。

德雷珀和他的同事研究了CKN约束，它是以1999年论文的作者安德鲁·科亨、大卫·b·卡普兰和安·尼尔森的名字命名的。他们认为，如果你把一个粒子放在一个盒子里并加热，在盒子坍塌成黑洞之前，你只能增加粒子的能量。

他们计算出在盒子塌缩之前，你能持有的高能粒子态的数量和盒子的表面积增加到了三次方，而不是你可能认为的盒子的体积。

他们意识到这代表了一种奇怪的UV-IR关系。盒子的大小设定了红外标度，严重限制了盒子中高能粒子态的数量——紫外标度。

然后他们意识到，如果同样的约束适用于整个宇宙，就能解决宇宙常数问题。在这种情况下，哈勃体积就像一个非常大的盒子。它所能包含的高能粒子态数量与哈勃体积表面积的四分之三次方成正比，而不是与(大得多的)宇宙体积成正比。

这意味着宇宙常数的有效场论计算通常过于简单。

这种计算告诉人们，当你放大空之间的结构时，高能现象就应该出现，爆破空之间应该有能量。然而，CKN约束意味着高能活动可能比有效场论计算假设的要少得多，这意味着可供粒子占据的高能态非常少。科恩、卡普兰和纳尔逊做了一个简单的计算。对于我们宇宙大小的盒子来说，它们的约束或多或少地准确预测了观测到的宇宙常数的微小值。

他们的计算表明，大小尺度可能以一种方式相互关联，当你观察整个宇宙的红外属性时，这种关联会变得明显，比如宇宙常数。

Draper和NikitaBlinov在去年的另一次粗略计算中证实，CKN约束预测了观测到的宇宙常数。他们还证实，这不会破坏有效场论在小规模实验中的许多成功。

CKN约束并没有告诉你为什么紫外和红外是相关的，也就是为什么盒子(红外)的大小严重限制了盒子(紫外)中高能态的数量。为此，你可能需要了解量子引力。

其他研究人员一直在量子引力的特定理论中寻找答案:弦理论。去年夏天，弦理论学家史蒂文·阿贝尔和基思·迪恩斯展示了弦理论中的紫外-红外混合是如何解决层次和宇宙常数问题的。

弦理论作为引力和其他一切基础理论的候选理论，认为所有粒子都是近距离的小振动弦。像光子和电子这样的标准模型粒子是基本弦的低能振动模式。但弦也能以更大的能量摆动，产生能量越来越高的无限弦态谱。在这种情况下，层次问题问，如果没有超对称性这种东西来保护希格斯，为什么这些弦态修正不会使它膨胀。

Dienes和Abel计算出，由于弦理论的一种不同的对称性，即模不变性，从红外到紫外的无限光谱中所有能量的弦态修正将以适当的方式相互抵消，使希格斯质量和宇宙常数变小。研究人员指出，这种低能量和高能量弦态的勾结并不能解释为什么希格斯质量和普朗克能量一开始就有这么大的差距，只能说这个差距是稳定的。然而，在克雷格看来，“这确实是一个好主意。”

新模型代表了越来越多的紫外-红外混合思想。克雷格的研究视角可以追溯到1999年的另一篇论文，作者是高级研究所著名理论家内森·塞伯格(Nathan Seiberg)和两位合著者。他们研究了有背景磁场填充空的情况。为了理解UV-IR混合在这里是如何产生的，想象一对由弹簧连接的带电粒子垂直于磁场在空之间飞行。当你增加磁场的能量时，带电粒子加速分离并拉伸弹簧。在这种情况下，较高的能量对应于较长的距离。

"引力是反还原论者的."——谢尔盖·杜波夫斯基

塞伯格发现，这种情况下的紫外修正具有特殊的特征，表明还原论是可以逆转的，即红外影响紫外发生的事情。这个模型是不现实的，因为真实的宇宙没有一个强加背景方向性的磁场。然而，克雷格一直在探索类似的东西是否可以作为等级问题的解决方案。

克雷格、加西亚和塞思·科伦还共同研究了一个关于量子引力的论点，叫做弱引力猜想。如果成真，它可能会强加一个一致性条件，自然需要希格斯质量和普朗克尺度之间的巨大分离。

纽约大学的Dubovsky至少从2013年就开始思考这些问题。当时已经很清楚超对称粒子在大型强子对撞机中速度非常慢。那一年，他和两位合作者发现了一个新的量子引力模型，解决了等级问题:在这个模型中，还原论的箭头从一个中间尺度同时指向了紫外和红外。虽然听起来很吸引人，但是模型只在二维空中起作用，杜波夫斯基根本不知道如何展开。他转向其他问题。去年，他又遇到了UV-IR混合。他发现碰撞黑洞研究中的自然问题是通过一种“隐藏的”对称性解决的，这种对称性将黑洞形状的低频和高频变形联系起来。

和其他研究人员一样，杜波夫斯基似乎并不认为迄今发现的任何具体模型有明显的库恩革命迹象。有些人认为整个紫外-红外混合概念缺乏前景。“目前，有效场论没有崩溃的迹象，”约翰·霍普金斯大学的理论物理学家大卫·e·卡普兰(与CKN论文的作者无关)说。“我觉得那里什么都没有。”

为了说服大家，这个想法需要实验证据，但到目前为止，现有的UV-IR混合模型在可测试预测方面严重不足。它们通常旨在解释为什么我们看不到标准模型之外的新粒子，而不是预测我们应该看到什么。但在宇宙学中，即使不是来自对撞机，未来的预测和发现总是有希望的。

总的来说，新的UV-IR混合模型说明了旧范式的弱点，旧范式完全基于还原论和有效场理论，而这可能只是开始。

“当你进入普朗克尺度，你就失去了还原论，所以引力是反还原论的，”杜波夫斯基说。“我认为，从某种意义上说，如果这个事实对我们观察到的东西没有深远的影响，那将是不幸的。”

参考资料:

https://www . quanta magazine . org/crisis-in-particle-physics-forces-a-rethink-of-what-is-natural-20220301/