耗資100億美元，一個40年前的問題仍懸而未決，迫使物理學家重新思考

作者：Natalie Wolchover

譯者：李玉婷

三十年來，研究人員一直在徒勞地尋找新的基本粒子，以解釋為什么自然界會是這樣的。當物理學家面對這一失敗時，他們正在重新審視一個長期存在的假設：任何一個物體都是由更小的東西組成的。

在《科學革命的結構》中，科學哲學家 Thomas Kuhn 觀察到，科學家花很長時間緩慢前進。他們提出并解決難題，同時在一個固定的世界觀或理論框架內統(tǒng)一地解釋所有數(shù)據，庫恩稱其為范式。不過，遲早會有事實出現(xiàn)，與已有的范式發(fā)生沖突。危機隨之而來?？茖W家們絞盡腦汁，重新審視他們的假設，并最終革命性地轉向一個新的范式，對自然界有一個完全不同和更真實的理解。然后又恢復了漸進式的進展。

幾年來，研究自然界基本構件的粒子物理學家們一直處于教科書式的庫恩危機之中。

這一危機在 2016 年變得不可否認，當時，盡管進行了一次重大升級，日內瓦的大型強子對撞機仍然沒有產生任何理論家?guī)资陙硪恢逼诖男禄玖Ｗ?。這些額外的粒子將解決關于一個已知粒子的重大難題，即著名的希格斯玻色子。層次問題，正如該謎題所稱，問的是為什么希格斯玻色子如此輕巧--比自然界中存在的最高能量標尺的質量要小一億倍。相對于這些更高的能量，希格斯質量似乎被不自然地調低了，就好像決定其數(shù)值的基礎方程中的巨大數(shù)字奇跡般地全部抵消了。

額外的粒子本來應該可以解釋微小的希格斯質量，恢復物理學家所說的他們方程的“自然性”。但是，在大型強子對撞機——第三個也是最大的一個對撞機——對它們的尋找也是徒勞之后，似乎關于自然界中什么是自然的邏輯可能是錯誤的。歐洲核子研究中心（CERN，大型強子對撞機所在的實驗室）理論部負責人 Gian Giudice 在 2017 年寫道：“我們面臨著需要重新考慮幾十年來用于解決有關物理世界最基本問題的指導原則。”

起初，科學界對此感到絕望。

“你可以感受到那種悲觀情緒”加州大學圣巴巴拉分?？ǜダ锢碚撐锢硌芯克牧Ｗ永碚摷?Isabel Garcia Garcia 說，當時她還是一名研究生。耗資 100 億美元的質子粉碎機不僅未能回答一個 40 年前的問題，而且長期以來指導粒子物理學的信念和策略也不再值得信任。人們比以前更迫切地想知道，宇宙是否就是不自然的，是微調的數(shù)學抵消的產物。也許有一個由多個宇宙組成的多元宇宙，所有的希格斯質量和其他參數(shù)都是隨機的，而我們發(fā)現(xiàn)自己在這里，只是因為我們宇宙的特殊屬性促進了原子、恒星和行星的形成，從而形成了生命。這種“人擇原理”盡管可能是正確的，但令人沮喪的是無法證實。

許多粒子物理學家轉移到其他研究領域，“那里的難題還沒有變得像層次問題那么難，”加州大學洛杉磯分校的理論物理學家 Nathaniel Craig 說。

圖 | Nathaniel Craig 和 Isabel Garcia Garcia 探究了引力如何幫助調和自然界的巨大不同的能量尺度。（來源：Jeff Liang）

一些留下來的人開始仔細研究幾十年前的假設。他們開始重新思考自然界中那些看似是不自然微調的顯著特征——希格斯玻色子的小質量，以及一個看似不相關的問題，關于空間本身不自然的低能量?！罢嬲母締栴}是自然性的問題，”Garcia Garcia 說。

他們的反省正在產生結果。研究人員正越來越多地將目光投向他們認為是關于自然性的傳統(tǒng)推理中的一個弱點。它建立在一個看似正確的假設上，這個假設自古希臘以來就一直被納入科學的視野。大的東西由更小、更基本的東西組成——這種說法被稱為還原論。“還原論范式......是自然性問題固有的，”新澤西州普林斯頓高等研究院的理論家 Nima Arkani-Hamed 說。

現(xiàn)在，越來越多的粒子物理學家認為，自然性問題和大型強子對撞機的無效結果可能與還原論的崩潰有關?！斑@會不會改變游戲規(guī)則？"Arkani-Hamed 說。

在最近的一系列論文中，研究人員已經把還原論拋到了九霄云外。他們正在探索大小距離尺度可能協(xié)調的新方法，產生的參數(shù)值從還原論的角度看是不自然微調的。

“有些人稱它為危機。這兒有一種悲觀的氣氛，但我沒有那種感覺，”Garcia Garcia 說。這是一個我覺得我們正在進行意義深遠的事情的時候。"

什么是自然性

大型強子對撞機確實取得了一個關鍵性的發(fā)現(xiàn)：2012 年，它最終發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這是有50年歷史的一套被稱為粒子物理學標準模型理論的基石，該模型描述了 17 種已知的基本粒子。

希格斯的發(fā)現(xiàn)證實了一個寫在標準模型理論中的引人入勝的故事。

宇宙大爆炸后的瞬間，一個滲透到空間的被稱為希格斯場的實體，突然被注入了能量。這個希格斯場裂開產生了希格斯玻色子，這些粒子因為該場的能量而擁有質量。當電子、夸克和其他粒子在空間移動時，它們與希格斯玻色子相互作用，在這種方式下，它們也獲得了質量。

標準模型于 1975 年完成后，其設計師幾乎立即注意到一個問題。

當希格斯賦予其他粒子質量時，它們也會馬上回饋；粒子的質量會一起晃動。物理學家可以為希格斯玻色子的質量寫一個方程，其中包括與它相互作用的每個粒子的關系。

所有大質量的標準模型粒子都對該方程做出了貢獻，但這些并不是唯一的貢獻。希格斯玻色子還應該在數(shù)學上與更重的粒子混合，包括普朗克尺度現(xiàn)象，這是一個與引力的量子性質、黑洞和大爆炸有關的能量水平。普朗克尺度現(xiàn)象對希格斯質量的貢獻應該是巨大的——幾乎比實際希格斯質量大一億倍。

自然而然地，你會期望希格斯玻色子和它們一樣重，從而使其他基本粒子也得到加強。粒子會因為太重而無法形成原子，而宇宙將是空的。

對于希格斯玻色子來說，盡管它依賴于巨大的能量，但最終卻如此之輕，你必須假設普朗克對其質量的貢獻有正有負，而且它們都擁有恰到好處的數(shù)量，從而完全抵消。

這種抵消除非有某種原因，否則它就會很可笑——就像氣流和桌子的振動相互抵消以保持鉛筆尖的平衡一樣不可能。這種微調的抵消，物理學家認為是“非自然的”。

在幾年內，物理學家們找到了一個令人滿意的解決方案：超對稱理論，假設自然界的基本粒子具有雙重性。超對稱理論認為，每一個玻色子（兩種類型的粒子之一）都有一個伙伴費米子（另一種類型），反之亦然。玻色子和費米子分別為希格斯質量貢獻正負項。

因此，如果這些項總是成對出現(xiàn)，它們將總是抵消。

對超對稱伙伴粒子的探索始于 20 世紀 90 年代的大型正負電子對撞機。研究人員假設這些粒子比它們的標準模型伙伴稍重一些，需要更多的原始能量來實現(xiàn)，因此他們將粒子加速到接近光速，將它們砸在一起，并在碎片中尋找重物的出現(xiàn)。

與此同時，另一個自然性問題浮出水面。

空間結構，即使在沒有物質的情況下，似乎也應該擁有能量——所有流經它的量子場的凈活動。

當粒子物理學家把對空間能量的所有推定貢獻加起來時，他們發(fā)現(xiàn)，就像希格斯質量一樣，來自普朗克尺度現(xiàn)象的能量注入應該把它炸毀。

愛因斯坦認為，空間的能量——他稱之為宇宙學常數(shù)——具有引力排斥作用，它使空間膨脹得越來越快。如果空間被注入普朗克密度的能量，宇宙在大爆炸后的瞬間就會自我撕裂。但這并沒有發(fā)生。

相反，宇宙學家觀察到，空間的膨脹只是緩慢地加速，這表明宇宙學常數(shù)很小。

1998年的測量結果將其數(shù)值定為比普朗克能量低一百萬億次。同樣，在宇宙學常數(shù)的方程式中，似乎所有這些巨大的能量注入和提取都被完美地抵消了，讓空間變得異常平靜。

“引力......混合了所有長度尺度的物理學——短距離、長距離。因為它做到了這一點，所以它給了你這個出路?！薄?Nathaniel Craig

這兩個大的自然性問題在 20 世紀 70 年代末就已經很明顯了，但幾十年來，物理學家們都把它們當作無關緊要的問題。

“這是在人們對此感到分裂的階段?！盇rkani-Hamed 說。宇宙學常數(shù)問題似乎與神秘的、量子方面的引力有關，因為空間的能量僅通過其引力效應被探測到。層次問題看起來更像是一個“討厭的小細節(jié)問題”，Arkani-Hamed 解釋說——這種問題，就像過去的兩三個其他問題一樣，最終會揭示出一些缺失的拼圖碎片?！跋８袼沟娜觞c”，正如 Giudice 所說的它的不自然的輕盈，不是什么是大型強子對撞機的幾個超對稱粒子所不能治愈的。

事后看來，這兩個自然性問題似乎更像是一個更深層問題的表面癥狀。

“思考一下這些問題是如何產生的是很有用的，”Garcia Garcia 在今年冬天從圣巴巴拉打來的 Zoom 電話中說。"層次問題和宇宙學常數(shù)問題的出現(xiàn)，部分是因為我們用來試圖回答問題的工具——我們試圖理解我們宇宙的某些特征的方式。”

恰到好處的還原論

物理學家們用他們有趣的方式誠實地統(tǒng)計希格斯質量和宇宙學常數(shù)的貢獻。

這種計算方法反映了自然界奇怪的嵌套結構。

放大一些東西，你會發(fā)現(xiàn)它實際上是許多更小的東西。

從遠處看，像一個星系的東西實際上是一個恒星的集合；每個恒星是許多原子；一個原子進一步溶入亞原子部分的層次結構。

此外，當你放大到更短的距離尺度時，你會看到更重、更有能量的基本粒子和現(xiàn)象——這是高能量和短距離之間的深刻聯(lián)系，解釋了為什么高能粒子對撞機就像宇宙的顯微鏡。

高能量和短距離之間的聯(lián)系在整個物理學中有許多例子。比如，量子力學認為每個粒子也是一種波，粒子的質量越大，其相關的波長就越短。另一種是，能量必須更密集地擠在一起以形成更小的物體。物理學家把低能量、長距離的物理學稱為“紅外”，把高能量、短距離的物理學稱為“紫外”，這是用紅外和紫外光的波長來做類比。

在 20 世紀 60 年代和 70 年代，粒子物理學巨頭 Kenneth Wilson和Steven Weinberg 指出了自然界層次結構的非凡之處：它允許我們描述一些大的、紅外尺度上的令人關注的性質，卻不知道在更微觀的、紫外尺度上“真正”發(fā)生了什么。例如，你可以用一個流體力學方程來模擬水，把它當作一個光滑的流體，掩蓋其 H2O 分子的復雜動力學。流體力學方程包括一個代表水的粘度的術語——一個單一的數(shù)字，可以在紅外尺度上測量，它總結了所有這些在紫外尺度下發(fā)生的分子相互的作用。物理學家說，紅外和紫外尺度“解耦”，能讓他們有效地描述世界的各個方面，而不用知道在普朗克尺度的深處發(fā)生了什么——最終的紫外尺度，相當于一萬億分之一厘米的十億分之一，或者 100 億億電子伏特（GeV）的能量，時空結構可能在那里溶解成其他東西。

Kenneth Wilson，美國粒子和凝聚態(tài)物理學家，活躍于 20 世紀 60 年代至 21 世紀初，他開發(fā)了一種正式的數(shù)學方法來描述一個系統(tǒng)的屬性如何根據其測量的規(guī)模而變化。（來源：康奈爾大學教師傳記檔案，#47-10-3394.康奈爾大學圖書館珍稀和手稿收藏部。）

"瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的理論物理學家 Riccardo Rattazzi 說：“我們可以研究物理學是因為我們可以對短距離發(fā)生的事情保持無知。”

Wilson 和 Weinberg 分別開發(fā)了粒子物理學家用來模擬我們的嵌套世界不同層次框架的碎片：有效場論。正是在有效場論的背景下，自然性問題出現(xiàn)了。

有效場論對一個系統(tǒng)——比如說一束質子和中子——在一定范圍內的尺度進行建模。將質子和中子放大一段時間，它們會一直看起來像質子和中子，你可以用“手性有效場理論”來描述它們在這個范圍內的動力學。但隨后有效場論將達到它的“紫外截止點”，這是一個短距離、高能量的尺度，在這個尺度上有效場論不再是對系統(tǒng)的有效描述。例如，在 1 GeV 的截止點上，手性有效場論停止工作，因為質子和中子不再表現(xiàn)得像單個粒子，而是像夸克的三重奏。一個不同的理論開始發(fā)揮作用。

重點是，有效場論在其紫外截止點處崩潰是有原因的。截止點是必須找到該理論中不包括的新的、高能粒子或現(xiàn)象的地方。

在其有效范圍內，有效場論通過增加代表這些未知效應的“修正”來說明截止點以下的紫外物理。這就像一個流體方程有一個粘度項來捕捉短距離分子碰撞的凈效應。物理學家不需要知道在截止點處有什么實際的物理現(xiàn)象來寫這些修正，他們只是用截止點的尺度作為對有效性范圍的粗略估計。

通常情況下，當你在感興趣的紅外尺度上計算某些東西時，紫外修正很小，與截止點相關的（相對較小）長度尺度成正比。但是，當你用有效場論計算像希格斯質量或宇宙學常數(shù)這樣的參數(shù)時情況就變了，因為這些參數(shù)有質量或能量單位。對參數(shù)的紫外修正會很大，因為（為了有正確的單位）修正與能量相協(xié)調，而不是與截止點相關的長度相協(xié)調。當長度很小的時候，能量就很高。這樣的參數(shù)被叫做“紫外敏感的”。

自然性的概念在 20 世紀 70 年代與有效場論自身一起出現(xiàn)，作為識別有效場論必須停止的地方的策略。

因此，新物理學必須存在。其邏輯是這樣的。如果一個質量或能量參數(shù)有一個高截止點，它的值自然應該是大的，被所有的紫外修正推地更高。因此，如果該參數(shù)很小，那么截止能量必須很低。

一些評論家認為自然性僅僅是一種審美偏好。但其他人指出，這種策略揭示了關于自然精確的、隱藏的真相?！斑@種邏輯是有效的，”Craig 說，他是最近重新致力于這種邏輯的領先者。自然性問題“一直是情況變化和新事物應該出現(xiàn)的標志”。

自然性能夠做什么

1974 年，在“自然性”一詞出現(xiàn)的幾年前，Mary K. Gaillard 和 Ben Lee 驚人地利用這一策略預測了一個當時被稱為粲夸克的假想粒子的質量。Craig 說：“她的成功預測及其與層次問題的相關性在我們的領域中被嚴重低估?！?/span>

1974 年的夏天，Gaillard 和 Lee 正為兩個高子粒子——夸克的合成物——的質量差異而感到困惑。測量的差異很小。

但是當他們試圖用有效場論方程來計算這個質量差時，他們看到其數(shù)值有爆炸的危險。因為高子質量差有質量單位，它對紫外敏感，接收來自截止點的未知物理學的高能修正。該理論的截止點并不為人所知，但當時的物理學家推斷它不可能很高，否則所產生的高子質量差相對于修正值來說會小的奇怪——正如物理學家現(xiàn)在所說的那樣，這是不自然的。

Gaillard 和 Lee 推斷出他們的有效場論的低截止尺度，即新物理學應該出現(xiàn)的地方。他們認為，當時提出的一種被稱為粲夸克的夸克必須被發(fā)現(xiàn)，其質量不超過 1.5 GeV。

三個月后，粲然夸克出現(xiàn)了，重量為 1.2GeV。這一發(fā)現(xiàn)迎來了被稱為十一月革命的認識復興，并迅速推動了標準模型的完成。在最近的一次視頻通話中，現(xiàn)年 82 歲的Gaillard回憶說，消息傳出時她正在歐洲訪問歐洲核子研究中心（CERN）。Lee 給她發(fā)了一份電報：魅力已被發(fā)現(xiàn)。

1974 年，Mary K.Gaillard（圖為 20 世紀 90 年代）和 Ben Lee 使用自然性論證來預測一種被稱為粲夸克的假想基本粒子的質量。幾個月后，魅力已經顯現(xiàn)。（來源：AIP Emilio Segrè 視覺檔案館）

這樣的勝利使許多物理學家確信，層次問題也應該預示著新粒子不會比標準模型的粒子重很多。

如果標準模型的分界線在普朗克尺度附近（研究人員確信標準模型在這里失敗了，因為它沒有考慮到量子引力），那么對希格斯質量的紫外修正將是巨大的，會使其輕度變得不自然。在希格斯玻色子本身的質量之上不遠處設置一個截止點，將使希格斯的質量與來自截止點的修正一樣重，而且一切都會看起來很自然。

“在過去的 40 年里，這個方法一直是試圖解決層次問題的工作的起點，”Garcia Garcia 說?！叭藗兲岢隽藗ゴ蟮南敕?，如超對稱性、【希格斯】的合成性，我們還沒有看到它們在自然界中實現(xiàn)?！?/span>

2016 年，GarciaGarcia 在牛津大學攻讀粒子物理學博士。幾年時間里，她清楚地意識到需要進行清算?！澳菚r候我開始對這個缺失的部分更感興趣，我們在討論問題時通常不考慮這個部分，也就是引力。比起有效場論，這個問題在量子引力中可以看出更多?！?/span>

引力把一切都混在一起

理論家們在 20 世紀 80 年代了解到，引力并不按照通常的還原性規(guī)則行事。

如果你把兩個粒子狠狠地撞在一起，它們的能量在碰撞點變得集中，就會形成一個黑洞——一個任何東西都無法逃脫的極端重力區(qū)域。把粒子更用力地撞在一起，它們就會形成一個更大的黑洞。更多的能量不再會讓你看到更短的距離，恰恰相反，你撞得越厲害，產生的不可見區(qū)域就越大。黑洞和描述其內部的量子引力理論完全逆轉了高能量和短距離之間的常見關系。紐約大學物理學家 SergeiDubovsky 說：“引力是反還原主義的?！?/span>

量子引力似乎在玩弄自然界的架構，對物理學家已經習慣的有效場論嵌套尺度的整齊系統(tǒng)進行嘲弄。Craig 和 Garcia Garcia 一樣，在大型強子對撞機的搜尋一無所獲后不久，就開始思考引力的含義。在試圖思考解決層次問題的新方案時，Craig 重讀了歐洲核子研究中心（CERN）理論家 Giudice 寫于 2008 年的一篇關于自然性的文章。

他開始琢磨 Giudice 的意思：Giudice 寫到宇宙學常數(shù)問題的解決方案可能涉及“紅外和紫外效應之間的一些復雜的相互作用”。如果紅外和紫外有復雜的相互作用，那就會違背通常的解耦，而解耦使有效場理論能夠發(fā)揮作用。“我只是在谷歌上搜索了‘紫外-紅外混合’這樣的東西，”Craig 說，這讓他找到了一些 1999 年的有趣論文，“然后我就開始了?！?/span>

“這是一個我覺得我們正在進行意義深遠的事情的時候?！薄狪sabelGarcia Garcia

紫外-紅外混合有可能通過打破有效場論的還原論方案來解決自然性問題。在有效場論中，當希格斯質量和宇宙學常數(shù)等量對紫外敏感時，自然性問題就會出現(xiàn)，但不知何故沒有爆炸，好像所有紫外物理學之間有一個陰謀，使它們對紅外的影響無效?！霸谟行稣摰倪壿嬛?，我們拋棄了這種可能性，”Craig 解釋說。

還原論告訴我們，紅外物理學來自于紫外物理學——水的粘度來自于它的分子動力學，質子從它們的內部夸克得到它們的屬性，解釋隨著放大以顯現(xiàn)——而不是相反。紫外并不受紅外的影響或解釋，“所以【紫外效應】不可能有一個陰謀，使希格斯的事情在一個非常不同的尺度上得到解決。”

Craig 現(xiàn)在提出的問題是：“有效場理論的這種邏輯會不會被打破？”也許解釋真的可以在紫外和紅外之間雙向流動?！?/span>

這并不完全是異想天開，因為我們知道引力就是這樣的，”他說。“引力違反了正常的有效場論推理，因為它混合了所有長度尺度的物理學，包括短距離和長距離。因為它這樣做，所以它給了你這個出路?！?/span>

紫外-紅外混合如何拯救自然性

對紫外-紅外混合以及它如何可能解決自然性問題的幾項新研究提到了 1999 年出現(xiàn)的兩篇論文。伊利諾伊大學香檳分校的教授 Patrick Draper 說：“人們對這些更奇特的、非有效場論式的解決問題方法越來越感興趣，他最近的工作是在 1999 年的一篇論文中進行的。

Draper 和他的同事研究了 CKN 約束，該約束是以 1999 年論文作者 Andrew Cohen、David B. Kaplan 和 Ann Nelson 命名的。他們認為，如果你把粒子放在一個盒子里并加熱，在盒子坍塌成一個黑洞之前，你只能增加粒子的能量這么多。

他們計算出，在盒子坍塌之前，你能容納的高能粒子狀態(tài)的數(shù)量與盒子的表面積提高到四分之三次方，而不是你可能認為的盒子的體積。

他們意識到，這代表了一種奇怪的紫外-紅外關系。盒子的大小，設定了紅外尺度，嚴重限制了盒子內高能粒子狀態(tài)的數(shù)量——紫外尺度。

然后他們意識到，如果其相同約束適用于整個宇宙，那么它就解決了宇宙學常數(shù)問題。在這種情況下，可觀測宇宙就像一個非常大的盒子。它所能包含的高能粒子狀態(tài)的數(shù)量與可觀測宇宙的表面積的四分之三次方成正比，而不是宇宙的（大得多的）體積。

這意味著通常宇宙學常數(shù)的有效場論計算太簡單了。

這種計算告訴人們，當你放大空間結構時，高能現(xiàn)象應該出現(xiàn)，應該有炸毀空間的能量。但是 CKN 約束意味著可能存在比有效場論計算所假設的少得多的高能活動，這意味著可供粒子占據的高能狀態(tài)少得可憐。Cohen、Kaplan 和 Nelson 做了一個簡單計算，對于像我們宇宙這樣大小的盒子來說，他們的約束或多或少地準確預測了觀察到的宇宙學常數(shù)的微小值。

他們的計算表明，大小尺度可能以一種方式相互關聯(lián)，當你看整個宇宙的紅外屬性，如宇宙學常數(shù)時，這種關聯(lián)會變得很明顯。

Draper 和 NikitaBlinov 去年在另一個粗略計算中證實，CKN 約束預測了觀察到的宇宙學常數(shù)。他們還證實，這不會破壞有效場論在小尺度實驗中的許多成功。

CKN 約束并沒有告訴你為什么紫外和紅外是相關的，即為什么盒子（紅外）的大小嚴重限制了盒子（紫外）內高能狀態(tài)的數(shù)量。對于這一點，你可能需要了解量子引力。

其他研究人員已經在量子引力的一個特定理論中尋找答案：弦理論。去年夏天，弦理論家 Steven Abel 和 Keith Dienes 展示了弦理論中的紫外-紅外混合如何解決層次和宇宙學常數(shù)問題。

作為引力和其他一切事物的基本理論的候選者，弦理論認為，所有的粒子，近看都是小的振動弦。像光子和電子這樣的標準模型粒子是基本弦的低能量振動模式。但弦也可以更有能量地擺動，從而產生了具有越來越高能量的無限的弦態(tài)譜。在這種情況下，層次問題問的是，如果沒有超對稱性這樣的東西來保護希格斯，為什么這些弦態(tài)修正不會使它膨脹。

Dienes 和 Abel 計算出，由于弦理論的一個不同的對稱性，即模塊不變性，從紅外到紫外的無限光譜中所有能量的弦態(tài)修正將以恰到好處的方式相互抵消，使希格斯質量和宇宙學常數(shù)都很小。研究人員指出，低能量和高能量弦態(tài)之間的這種共謀并不能解釋為什么希格斯質量和普朗克能量一開始就有這么大的差距，只能說明這種差距是穩(wěn)定的。不過，在 Craig 看來，“這確實是個好主意?！?/span>

新的模型代表了越來越多的紫外-紅外混合思想。Craig 的研究角度可以追溯到另一篇1999年的論文，由高等研究院著名理論家 Nathan Seiberg 和兩位合著者撰寫。他們研究了有一個背景磁場填充空間的情況。為了了解這里的紫外-紅外混合是如何產生的，想象一對由彈簧連接的帶電粒子在空間飛行，垂直于磁場。當你提高磁場的能量時，帶電粒子加速分開，拉伸了彈簧。在這個場景中，更高的能量對應于更長的距離。

“引力是反還原主義的?！薄猄ergei Dubovsky

Seiberg 他們發(fā)現(xiàn)，這種情況下的紫外修正具有特殊特征，說明還原論可以逆轉，即紅外影響到紫外中發(fā)生的事情。這個模型并不現(xiàn)實，因為真實的宇宙并沒有一個強加背景方向性的磁場。不過，Craig 一直在探索類似的東西是否可以作為層次問題的解決方案。

Craig，Garcia Garcia 和 Seth Koren 還共同研究了關于量子引力的一個被稱為弱引力猜想的論點。如果成真，可能會施加自然需要希格斯質量和普朗克尺度之間巨大分離的一致性條件。

至少從 2013 年開始，紐約大學的 Dubovsky 就一直在琢磨這些問題，當時已經很清楚，超對稱粒子在大型強子對撞機上非常遲緩。那一年，他和兩位合作者發(fā)現(xiàn)了一種新的量子引力模型，解決了層次問題：在該模型中，還原論的箭頭從一個中間尺度同時指向紫外和紅外。盡管聽起來很吸引人，但該模型只在二維空間起作用，而且 Dubovsky 沒有頭緒如何將其展開。他轉向了其他問題。去年，他再次遇到了紫外-紅外混合。他發(fā)現(xiàn)，在研究碰撞的黑洞時出現(xiàn)的自然性問題被一種“隱藏”的對稱性所解決，這種對稱性將黑洞形狀的低頻和高頻變形聯(lián)系起來。

像其他研究人員一樣，Dubovsky 似乎不認為迄今為止發(fā)現(xiàn)的任何具體模型具有明顯的庫恩革命跡象。有些人認為整個紫外-紅外混合概念缺乏前景?！澳壳斑€沒有有效場論崩潰的跡象，”約翰霍普金斯大學的理論物理學家 David E. Kaplan（與 CKN 論文的作者沒有關系）說?！拔艺J為那里沒有東西?！?/span>

為了說服所有人，這個想法需要實驗證據，但到目前為止，現(xiàn)有的紫外-紅外混合模型在可測試的預測方面嚴重不足。它們通常旨在解釋為什么我們沒有看到超出標準模型的新粒子，而不是預測我們應該看到什么。但是在宇宙學中，即使不是從對撞機中，也總是有希望得到未來的預測和發(fā)現(xiàn)。

綜合來看，新的紫外-紅外混合模型說明了舊范式的弱點——一個完全基于還原論和有效場理論的范式，而這可能只是一個開始。

“當你進入普朗克尺度時，你就失去了還原論，所以引力是反還原論的，”Dubovsky 說，“我認為，從某種意義上說，如果這一事實對我們觀察到的事物沒有深刻影響，那將是不幸的?！?/span>

參考文獻：

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