除希格斯玻色子外,大型强子对撞机(LHC)还没有发现新的基本粒子。
这对粒子物理学家来说无疑非常失望,因为他们相信这个巨型的粒子加速器应该能找到更多的新粒子、额外的空间维度、微型黑洞、新的对称性、暗物质,或者其他完全不同的东西。然而,这些期望全都落空。之所以粒子物理学家相信,大型强子对撞机能发现除希格斯玻色子之外的东西,是因为目前最好的物理学理论——粒子物理标准模型,不是“自然的”。
论点大致是这样的:希格斯玻色子有别于标准模型中的其他粒子。其他粒子的自旋位1或或者1/2,但希格斯粒子的自旋为0。正因为如此,量子涨落对希格斯粒子的质量做出了更大的贡献。这让粒子物理学家认为,一旦碰撞能量足够高,在制造出希格斯粒子的同时,一定会有别的东西随之出现。
在物理学中,自然性(Naturalness)是指物理理论中出现的自由参数或物理常数之间的无量纲比值应该取“1数量级”的值。也就是说,一个自然理论的参数比应该是2.34,而不是234000或0.000234。从这个意义上来讲,令人满意的物理学理论应该是“自然的”,这一要求是上世纪60年代在粒子物理学领域兴起的一种思潮。它是一种美学标准,而非物理学标准。
然而,粒子物理标准模型在技术上是不自然的观点并没有实际意义,因为这些被认为是麻烦的量子贡献是无法观测到的。因此,自然性的缺乏完全是一个哲学上的难题,关于它的辩论源于一个根本性的困惑:什么东西一开始需要用科学解释?如果不能观测到,那就没有什么好解释的了,为什么我们还要谈这个?
数十年来,总有人会相信自然论。但事实上,基于自然论的大型强子对撞机预测并没有奏效。那么,粒子物理学家最终会抛弃自然性的观点吗?
然而,粒子物理学家对他们此前所做出的明显失败的预测保持沉默。除了欧洲核子研究组织(CERN)理论小组负责人、自然论最有力的倡导者之一Gian Francesco Giudice在2017年发表了一篇承认有问题的论文之外,没有人愿意承认有什么地方出了严重的问题。
也许粒子物理学家只是希望没有人会注意到他们的错误,更不用说这些错误已经在所有出版的文献中出现了。一些粒子物理学家正忙于发明新的自然论,预测新的粒子只会出现在下一个更大的对撞机上。
对于粒子物理学家而言,这可能是一个不好的情况,但对于哲学家而言,这是一个很好的情况,因为他们对别人的问题最感兴趣。南加州大学(University of Southern California)的物理哲学家David Wallace认为,大型强子对撞机已经打破了物理学。为此,他最近写了一本名为《自然性与涌现》(Naturalness and Emergence)的书。
关于粒子物理学家预测的失败,Wallace在书中写道:
“我认为,任何这种自然性的失败,都有可能破坏我们对理论间还原的整个理解结构,因此,物理领域的危机可能比人们有时认为的要严重得多。”
在科学哲学中,“理论间还原”是指在一定条件下,一个适用范围更广的理论可以还原为形式更为简洁的理论。例如,在速度远小于光速的情况下,狭义相对论可以还原为牛顿力学。
Wallace在书中进一步写道:
“如果自然论在粒子物理学和宇宙学中完全失败,则就没有可靠的方法论论据来假设它们无处不在(比如在统计力学中)。”
迄今为止,粒子物理标准模型已经成功地解释了来自大型强子对撞机的每一个数据片段。不管怎样,这个理论都是非常成功的理论。如果有人使用一个标准来评估理论的好坏,那么,出问题的会是提出标准的人,而不是理论本身。