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掌控宇宙的无量纲常数有哪些?还有哪些常数没有被发现?

这些常数对宇宙的演化起到了啥作用

在可观测宇宙的尺度上,物质以丝状结构聚集在一起,在最密集的部分形成了星系、恒星和行星,它们都是孤立的集群,并且在更大尺度上聚集成了星系团、超星系团。

虽然不同的空间区域和物质结构模拟在细节上会略有不同,但星系聚集的模式总是相同的;如果我们回溯到物理定律所允许的最早时间,我们将得到一个与我们的宇宙几乎没有区别的宇宙。

如果让宇宙重新开始,诞生一个新的宇宙,并与我们的宇宙一样古老(138亿年),这两个宇宙在很多重要的方面看起来都是一样的:

有相同数量的星系,相同质量的星系,以相同的方式聚集在一起,

新宇宙中元素的比例将与今天的元素丰度相同,

新宇宙将拥有与我们的宇宙质量分布相同的恒星和行星数量,

暗能量、暗物质、普通物质、中微子和辐射的比例与我们的宇宙相同,

最重要的是,所有的基本常数都有相同的值。

最后一点非常重要,因为从同样的初始条件出发,才能保证新的宇宙看起来和我们今天的宇宙一样,那么这些常数是什么?

什么是无量纲常数

我们比较熟悉的常数,如光速C,普朗克常数h(或ħ),牛顿引力常数G。这些常数都是有量纲的,这意味着它们的数值依赖于测量它们的单位,例如米、秒、公斤等。但是很明显,宇宙并不会关心我们使用哪种测量单位!所以我们可以创造无量纲常数,或者说这些物理常数的组合,只是数字,用来描述宇宙中不同部分之间的联系。

科学的目标之一是用最简单的术语来描述自然。就我们今天对宇宙的理解而言,需要多少这样简单的描述才能完全描述宇宙中的粒子、相互作用和规律?相当多!至少26个。我们来看看这些无量纲常数是什么?

1、精细结构常数

即电磁相互作用的强度。就我们更熟悉的一些物理常数而言,这是基本电荷(比如电子)的平方与普朗克常数乘以光速的比值。在我们宇宙的能量中,这个数字约为1/137.036,这种相互作用的强度随着相互作用粒子能量的增加而增加。这被认为是由于基本电荷在更高能量下的行为相对增加,目前还不是很确定。

2、强耦合常数,或者说强核力的强度

尽管与电磁力或重力相比,强作用力的作用方式非常不同,也违反直觉,但这种相互作用的强度可以用一个耦合常数来参数化。我们宇宙的这个常数,也像电磁常数一样,随着能量的变化而变化。

3 - 17、15个基本标准模型粒子的(非零)质量

在标准模型中,这通常通过电子、μ子和τ、三种中微子、六夸克、W和Z玻色子以及希格斯玻色子的十五个耦合常数(希格斯场)来体现。光子和八个胶子并没有耦合常数,它们本质上是无质量的粒子。

这是理论家们苦恼的一个来源,他们希望这些常数(基本粒子的基本质量)要么是某种模式的一部分(它们不是),要么可以从基本原理中计算出来(它们不是),要么是从某种更大的框架中动态地出现,比如统一理论(GUT)或弦理论(它们不是)。

18-21、夸克混合参数。

这四个参数规定了所有弱核衰变如何发生,并允许我们计算不同的放射性衰变产物的概率振幅。因为“上夸克”、“魅夸克”和“顶夸克”(以及“底夸克”、“奇夸克”和“下夸克”)都有相同的量子数,它们可以混合在一起。混合的细节通常由Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)矩阵参数化,并给出了三个夸克混合角,以及一个违反cp的复杂相位。

同样,这四个参数不能从任何其他原理中预测出来,只能简单地测量出来。

22-25、中微子混合参数。

与夸克相似,考虑到三种中微子都有相同的量子数,中微子相互混合的细节也有四个参数。到今天为止,三个混合角度已经被相当精确地测量了,但违反cp的阶段还没有被测量。中微子混合是由Maki-Nakagawa-Sakata (MNS)矩阵参数化的。

26、宇宙常数或无量纲常数,驱动宇宙加速膨胀。

这是另一个常数,它的值无法得到,只是一个可测量的事实。如果我们把宇宙倒回到大爆炸后几皮秒的时间,以大致相同的初始条件和这26个基本常数开始,我们每次都会得到大致相同的宇宙。唯一的区别是量子力学概率和初始条件变化的程度。

还有哪些常数没有被发现?

即使上面的26个常数也不能解释宇宙的一切!例如:

我们现有常数的cp违反数量,无法解释在宇宙中观察到的物质-反物质的不对称性。这就需要某种新的物理学,这就意味着必须有一个新的基本参数。

如果强相互作用中有cp违反,那也会是一个新的参数,如果没有,阻止强CP的物理(或对称性)可能会携带一个新的常数或多个常数。

宇宙暴涨发生了吗?如果发生了,与之相关的参数是什么?

什么是暗物质?根据我们合理的假设,暗物质是一个有质量的粒子,肯定需要至少一个(或多个)新的基本参数来描述暗物质。

这就是我们今天的处境!

我们还不知道这些常数的值从何而来,也不知道这些常数是否会被我们宇宙中现有的信息所知晓。 我们穿越宇宙的旅程还在继续!

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