數十年的實驗讓科學家們考慮一種可能性：宇宙的存在沒有意義？

宇宙是自然的還是我們生活在多元宇宙中的非典型泡沫？大型強子對撞機最近的結果迫使許多物理學家面對後者的可能性。

2012年7月，希格斯玻色子的發現證實了一個已有近50年曆史的理論，即基本粒子如何獲得質量，從而能夠形成星系和人類等大型結構。事實上，它或多或少地出現在我們期望的地方，這是實驗的勝利，是理論的勝利，也是物理學成功的一個標誌。

然而，爲了使希格斯玻色子的質量(或等效能量)有意義，大型強子對撞機還需要找到一羣其他粒子。但並沒有出現。

“宇宙是不可能存在的，”41歲的尼瑪·阿卡尼-哈米德在哥倫比亞大學的一次演講中說。

由於只發現了一種粒子，大型強子對撞機實驗加深了一個醞釀了數十年的物理學難題。現代方程似乎以驚人的準確性捕捉到了現實，正確地預測了許多自然常數的值，以及像希格斯玻色子這樣的粒子的存在。然而，一些常數—包括希格斯玻色子的質量—與這些可信的定律所表明的應該是成指數級的不同，除非宇宙是由無法解釋的微波所塑造的，否則這些常數將排除任何生命存在的可能性。

處於危險中的是“自然性”的概念，這是阿爾伯特·愛因斯坦的夢想，他認爲自然法則是崇高美麗的、不可避免的、獨立的。如果沒有它，物理學家將面臨一個嚴峻的前景:這些定律只是空間和時間結構中隨機波動的一種武斷、混亂的結果。

大型強子對撞機將在2015年繼續粉碎質子，爲尋找答案做最後的努力。但是在論文、演講和採訪中，頂尖物理學家已經開始面對宇宙可能是非自然的這種可能性。(然而，對於如何證明這一點，各方存在廣泛分歧。)

“10年或20年前，我是自然的堅定信徒，”該研究所的理論物理學家內森塞伯格說。“現在我不那麼肯定了。我希望還有一些我們沒有想到的東西，一些其他的機制可以解釋所有這些。但我不知道會是什麼。”

物理學家推斷，如果宇宙是非自然的，具有使生命成爲可能的極其不可能的基本常數，那麼，一定存在大量的宇宙，才能實現我們這個不可能的情況。否則，我們爲什麼要這麼幸運呢?非自然性將極大地推動多元宇宙假說。多元宇宙假說認爲，我們的宇宙是無限的、不可接近的泡沫中的一個泡泡。根據一個被稱爲弦理論的流行但兩極分化的框架，多元宇宙中可能出現的宇宙類型大約有10^500個。在其中一些情況下，偶然消去會產生我們觀察到的奇怪常數。

在這樣的圖景中，並不是這個宇宙的一切都是不可避免的，這使得它變得不可預測。該研究所的弦理論家愛德華維滕在電子郵件中說，“如果多元宇宙的解釋不正確，我個人會很高興，部分原因是它可能限制我們理解物理定律的能力。”但宇宙誕生時，我們誰也沒有被諮詢過。”

“有些人討厭它，”加州大學伯克利分校物理學家拉斐爾·布索說。“但我認爲我們不能從情感的角度來分析它。在大型強子對撞機缺乏自然性的情況下，這種可能性越來越受到青睞。”

大型強子對撞機在下一次運行中所做或未發現的事情，可能會爲以下兩種可能性之一提供支持:要麼我們生活在一個過於複雜但獨立的宇宙中，要麼我們生活在一個多元宇宙中的非典型泡泡中。塞伯格說:“由於大型強子對撞機的出現，我們將在5年或10年後變得聰明得多。”這是觸手可及的。”

宇宙巧合

愛因斯坦曾經寫過，對於一個科學家來說，“宗教情感採取了對自然法和諧的狂熱驚奇的形式”，“這種感覺是他生活和工作的指導原則。”的確，整個20世紀， 對“自然”的信仰已被證明是發現真理的可靠指南。

“自然有着良好的記錄，”Arkani-Hamed在接受採訪時說。在實踐中，要求物理常數（粒子質量和宇宙的其他固定屬性）直接來自物理定律。一次又一次，每當一個常數出現微調時，好像它的初始值被神奇地撥打以抵消其他影響一樣，物理學家懷疑他們遺漏了一些東西。他們會尋找並不可避免地找到一些實質性地撥打常數的粒子或特徵，從而避免了微調的取消。

這一次，宇宙的自我修復能力似乎失敗了。希格斯玻色子的質量爲126千兆電子伏特，但與其他已知粒子的相互作用應增加 其質量約10,000,000,000,000,000,000 千兆電子伏特。這意味着希格斯的“裸質量”或其他粒子影響它之前的起始值恰好是天文數字的負值，導致近乎完美的消除，只留下希格斯的暗示：126千兆電子伏特。

物理學家經歷了三代粒子加速器尋找新粒子，這種新粒子被一種稱爲超對稱的理論所假定，它將使希格斯質量下降的程度與已知粒子驅動它一樣多。但到目前爲止，他們空手而歸。

升級後的大型強子對撞機將在下一次運行中探索更高的能量等級，但即使發現了新的粒子，它們也幾乎肯定會過於沉重，無法以正確的方式影響希格斯質量。希格斯看起來仍然至少要輕10或100倍。物理學家不同意這是否在自然的，獨立的宇宙中是可接受的。哈佛大學教授麗莎蘭德爾表示，“稍微調整一下也許就是這樣。” 但是在Arkani-Hamed看來，“稍微調整一下就像是懷孕了。它根本不存在。“

如果沒有新的粒子出現並且希格斯仍然在天文學上進行微調，那麼多元宇宙假設將成爲衆人矚目的焦點。“這並不意味着它是正確的，”多元宇宙圖片的長期支持者Bousso說，“但這確實意味着它是城裡唯一的遊戲。”

一些物理學家—特別是伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的喬·萊克肯。意大利比薩大學的亞歷山德羅·斯特魯米亞提出了第三種選擇。他們說，物理學家可能錯誤地估計了其他粒子對希格斯粒子質量的影響，如果計算方法不同，希格斯粒子的質量似乎是自然的。當額外的粒子(如暗物質的未知成分)被計算在內時，這種“修正的自然性”就會減弱—但同樣的非正統路徑可能會產生其他想法。“我不想提倡，但只是討論後果，”斯特魯米亞本月早些時候在布魯克海文國家實驗室的一次演講中說。

然而，修正後的自然性並不能解決物理學中存在的一個更大的自然性問題:宇宙在大爆炸之後並沒有立即被自身的能量湮滅。

意大利國家核物理研究所物理學家亞歷山德羅·斯特魯米亞，討論了斯特魯米亞的“改良自然性”理念，該理念質疑瞭如何計算自然的長期假設希格斯玻色子質量的值。

黑暗困境

構建在空間真空中的能量(被稱爲真空能量、暗能量或宇宙常數)是一個令人困惑的萬億、萬億、萬億、萬億、萬億倍，比它的自然價值(儘管是自毀的)還要小。沒有任何理論能夠自然地解決這個巨大的差距。但很明顯，宇宙常數必須經過極大的微調，才能防止宇宙迅速爆炸或坍縮到一定程度。爲了讓生命有機會，它必須進行微調。

爲了解釋這一點荒謬的運氣，多元宇宙的想法在過去幾十年裡已經成爲宇宙學領域的主流。1987年，諾貝爾獎得主史蒂文說我們的宇宙是最不協調的。“如果宇宙常數比觀測值大得多，比如說10倍，那麼我們就沒有星系了，”塔夫茨大學宇宙學家、多元宇宙理論家亞歷山大·維倫金解釋說。“很難想象在這樣一個宇宙中生命是如何存在的。”

大多數粒子物理學家希望能找到一個對宇宙常數問題更經得起檢驗的解釋。沒有。現在，物理學家說，希格斯玻色子的不自然使宇宙常數的不自然變得更加重要。Arkani-Hamed認爲這些問題甚至可能是相關的。他說:“我們對宇宙中一個基本的、不同尋常的事實沒有一個瞭解。”“它很大，裡面有很大的東西。”

2000年，理論物理學教授喬·波欽斯基發現了一種機制，可以產生平行宇宙的全景圖時，多元宇宙就不僅僅是一場揮揮手的爭論了。弦理論是一種假設的“萬物理論”，認爲粒子是無形的小振動線，假設時空是10維的。在人類的尺度上，我們只經歷了三維空間和一維時間，但弦理論學家認爲，在我們的4-D現實結構的每一點上，都有6個額外的維度緊密相連。鮑索和波欽斯基計算出，這六個維度有大約10500種不同的打結方式(所有的打結方式都消耗了不同數量的能量)，這使得一個難以想象的廣闊而多樣的宇宙陣列成爲可能。換句話說，不需要自然。沒有一個單一的、不可避免的、完美的宇宙。

布索說:“對我來說，這絕對是一個了不起的時刻。但這篇文章引發了衆怒。

“粒子物理學家，尤其是弦理論學家，夢想着獨一無二地預測所有的自然常數，”鮑索解釋說。“所有的東西都會從數學和圓周率和2中得出。我們走進來說，‘看，這不會發生，這是有原因的。我們用完全錯誤的方式思考這個問題。’”

生活在多元宇宙中

在多元宇宙的場景中，是一個波動。一個緊密的、六維的結，在現實的結構中構成一針突然變形，釋放能量，形成空間和時間的泡沫。這個新宇宙的性質是由偶然決定的：在漲落過程中釋放的能量。絕大多數以這種方式爆發的宇宙都充滿了真空能量，它們要麼膨脹得太快，要麼崩潰得太快，以至於生命無法在其中出現。但是一些非典型宇宙，其中一個不可能的抵消產生一個極小的宇宙學常數的值，很像我們的宇宙。

在多元宇宙的場景中，大量多樣的氣泡宇宙在更大的真空中波動而存在。宇宙中有一小部分具有有利於生命存在的物理特性。

布索認爲，希格斯粒子的質量在多元宇宙中也有意義。他們發現，氣泡宇宙中含有足夠多的可見物質(與暗物質相比)，足以支持生命存在，而這些物質往往具有超對稱粒子，超出了大型強子對撞機的能量範圍，以及一個經過微調的希格斯玻色子。類似地，其他物理學家在1997年指出，如果希格斯玻色子的重量是它的五倍，這將抑制氫以外原子的形成，從而通過另一種方式，在一個沒有生命的宇宙中產生。

儘管有這些看似成功的解釋，但許多物理學家擔心，採用多元宇宙的世界觀會收效甚微。平行宇宙是無法測試的;更糟的是，一個非自然的宇宙抗拒理解。“沒有自然，我們將失去尋找新物理學的動力，”美國高等研究院物理學家科菲爾·布魯姆說。“我們知道它就在那裡，但沒有強有力的理由說明我們爲什麼應該找到它。蘭德爾說:“我寧願宇宙是自然的。”

但是理論可以在物理學家身上成長。在花了十多年的時間使自己適應多元宇宙之後，Arkani-Hamed現在發現這是可行的——也是一條理解我們世界的方式的可行途徑。他說:“在我看來，最妙的一點是，大型強子對撞機的任何結果基本上都將以不同程度的力量引導我們沿着這些不同的道路前進。”“這種選擇非常非常重要。”

自然是可以克服的。或者這可能是多元宇宙中一個奇怪但舒適的口袋裡的一個虛假的希望。