在四月下旬一個陰沉的下午，物理學教授和學生們擠滿了哥倫比亞大學一間鑲木板的演講廳，聆聽來自新澤西州普林斯頓附近高階研究所的高階理論家尼瑪·阿爾卡尼-哈米德的演講。阿爾卡尼-哈米德把深色的及肩頭髮梳到耳後，闡述了歐洲大型強子對撞機最近的實驗結果所具有的雙重、看似矛盾的含義。
他宣稱：“宇宙是必然的。” “宇宙是不可能的。”
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2012年7月，希格斯玻色子的驚人發現證實了一個近50年前的理論，即基本粒子如何獲得質量，從而使它們能夠形成星系和人類等大型結構。“在幾乎我們預期找到它的地方看到它，這對於實驗來說是一場勝利，對於理論來說是一場勝利，這也表明物理學是有效的，”阿爾卡尼-哈米德告訴聽眾。
然而，為了使希格斯玻色子的質量（或等效能量）具有意義，大型強子對撞機還需要找到大量的其他粒子。結果一個也沒有出現。
隨著只有一個粒子的發現，大型強子對撞機實驗加深了物理學中一個醞釀了幾十年的深刻問題。現代方程式似乎以驚人的準確度捕捉到了現實，正確地預測了許多自然常數的值以及希格斯粒子等粒子的存在。然而，一些常數——包括希格斯玻色子的質量——與這些可信賴的定律所表明的應該有的值呈指數級差異，除非宇宙是由無法解釋的微調和抵消所塑造的，否則這將排除任何生命存在的可能性。
“自然性”的概念岌岌可危，這是阿爾伯特·愛因斯坦的夢想，即自然規律是崇高、美麗、必然和自洽的。沒有它，物理學家將面臨嚴峻的前景，即這些定律只是空間和時間結構中隨機波動產生的任意、混亂的結果。
大型強子對撞機將於2015年恢復質子碰撞，以期進行最後的答案搜尋。但在論文、演講和採訪中，阿爾卡尼-哈米德和許多其他頂尖物理學家已經在面對宇宙可能不自然的這一可能性。（但是，對於證明這一點需要什麼，存在廣泛的分歧。）
“在十到二十年前，我堅定地相信自然性，”內森·塞伯格說，他是研究所的一名理論物理學家，愛因斯坦從1933年到1955年去世前在這裡任教。“現在我不太確定了。我希望仍然有一些我們沒有想到的東西，一些其他機制可以解釋所有這些事情。但我不知道它會是什麼。”
物理學家認為，如果宇宙是不自然的，其基本常數極其不可能，使生命成為可能，那麼就必須存在大量的宇宙，才能實現我們這種不可能的情況。否則，我們為什麼會如此幸運？不自然性將極大地推動多元宇宙假說，該假說認為我們的宇宙是無限且不可訪問的泡沫中的一個氣泡。根據一種流行但兩極分化的框架，稱為弦理論，多元宇宙中可以湧現出的宇宙可能型別的數量約為 10^500。在其中一些宇宙中，偶然的抵消會產生我們觀察到的奇怪常數。
在這種圖景中，關於這個宇宙的一切都不是必然的，使其無法預測。該研究所的弦理論家愛德華·威滕透過電子郵件說：“如果多元宇宙的解釋不正確，我個人會很高興，部分原因是它可能會限制我們理解物理定律的能力。但是，在創造宇宙時，我們都沒有被諮詢過。”
加州大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索說：“有些人討厭它，他幫助開發了多元宇宙場景。“但我認為我們不能在情感的基礎上分析它。這是一種邏輯上的可能性，在大型強子對撞機缺乏自然性的情況下，它越來越受歡迎。”
大型強子對撞機在下次執行中發現或沒有發現的東西可能會支援以下兩種可能性之一：要麼我們生活在一個過於複雜但獨立的宇宙中，要麼我們居住在多元宇宙中一個非典型的氣泡中。“由於大型強子對撞機，我們將在五到十年後變得更加聰明，”塞伯格說。“所以這很令人興奮。這是可以實現的。”
宇宙巧合
愛因斯坦曾經寫道，對於一位科學家來說，“宗教情感採取了一種對自然規律的和諧感到狂喜的驚奇形式”，並且“這種感覺是他生活和工作的指導原則。” 事實上，在整個 20 世紀，人們深信自然規律是和諧的——對“自然性”的信仰——已被證明是發現真理的可靠指南。
“自然性是有歷史記錄的，”阿爾卡尼-哈米德在一次採訪中說。實際上，它是要求物理常數（粒子質量和宇宙的其他固定屬性）直接從物理定律中產生，而不是由不可能的抵消產生。一次又一次，每當一個常數出現微調時，彷彿其初始值被神奇地撥動以抵消其他影響時，物理學家都會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粒子或特徵，從而在物質上撥動常數，避免微調的抵消。
這一次，宇宙的自我修復能力似乎正在失效。希格斯玻色子的質量為 126 吉電子伏特，但與其他已知粒子的相互作用應在其質量上增加約 10,000,000,000,000,000,000吉電子伏特。這意味著希格斯的“裸質量”，或者在其他粒子影響它之前的起始值，恰好是那個天文數字的負數，從而導致幾乎完美的抵消，只留下希格斯的一點點痕跡：126 吉電子伏特。
物理學家們已經經歷了三代粒子加速器，尋找超對稱理論所假設的新粒子，這些粒子會將希格斯質量降低到與已知粒子使其升高的程度完全相同。但到目前為止，他們仍然一無所獲。
升級後的大型強子對撞機將在下次執行時探索更高能量的尺度，但即使發現了新粒子，它們幾乎肯定也太重了，無法以完全正確的方式影響希格斯質量。希格斯看起來至少會輕 10 或 100 倍。物理學家們對這在自然的、獨立的宇宙中是否可以接受存在分歧。哈佛大學教授麗莎·蘭道爾說：“微調一點——也許它只是發生了。” 但在阿爾卡尼-哈米德看來，“微調一點就像有點懷孕。它根本不存在。”
如果沒有出現新粒子，並且希格斯仍然是天文數字上的微調，那麼多元宇宙假說將成為焦點。多元宇宙影像的長期支持者布索說：“這並不意味著它是正確的，但這確實意味著它是鎮上唯一的遊戲。”
一些物理學家——尤其是伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的喬·萊肯和義大利比薩大學的亞歷山德羅·斯特魯米亞——看到了第三種選擇。他們說，物理學家可能在錯誤地衡量其他粒子對希格斯質量的影響，並且當以不同的方式計算時，其質量顯得自然。當在計算中包含其他粒子（例如暗物質的未知成分）時，這種“修正的自然性”會失敗——但同樣的非正統路徑可能會產生其他想法。本月早些時候在布魯克海文國家實驗室的一次演講中，斯特魯米亞說：“我不想提倡，只是想討論其後果。”
然而，修正的自然性無法解決物理學中一個更大的自然性問題：宇宙在宇宙大爆炸之後瞬間沒有被自身的能量所湮滅。
黑暗的困境
空間真空中內建的能量（稱為真空能量、暗能量或宇宙常數）是一個令人費解的萬億億億億億億億億億億億億億分之一，遠小於計算出的其自然的，儘管是自毀的值。沒有關於什麼可以自然地修復這種巨大差異的理論。但很明顯，宇宙常數必須經過巨大的微調，以防止宇宙迅速爆炸或坍縮到一個點。它必須經過微調，以便讓生命有機會存在。
為了解釋這個荒謬的運氣，多元宇宙的想法在過去的幾十年裡在宇宙學界逐漸成為主流。1987 年，諾貝爾獎獲得者、現為德克薩斯大學奧斯汀分校教授的物理學家史蒂文·溫伯格計算出我們宇宙的宇宙常數在多元宇宙情景中是可以預期的，這使它獲得了可信度。在能夠支援生命存在的可能宇宙中——首先也是唯一可以被觀察和思考的宇宙——我們的是微調最少的宇宙之一。“如果宇宙常數比觀察到的值大得多，比如大 10 倍，那麼我們將沒有星系，”塔夫茨大學的宇宙學家和多元宇宙理論家亞歷山大·維連金解釋說。“很難想象生命如何在這樣的宇宙中存在。”
大多數粒子物理學家希望找到對宇宙常數問題進行更可測試的解釋。沒有找到。現在，物理學家說，希格斯的不自然性使宇宙常數的不自然性更具意義。阿爾卡尼-哈米德認為這些問題甚至可能相關。“我們不瞭解關於我們宇宙的一個基本非凡的事實，”他說。“它很大，裡面有大的東西。”
在2000年，當布索（Bousso）和加州大學聖塔芭芭拉分校的理論物理學教授喬·波爾欽斯基（Joe Polchinski）找到一種可以產生平行宇宙全景的機制時，多重宇宙不再僅僅是一個含糊其辭的論點。弦理論，一種假設的“萬物理論”，認為粒子是看不見的微小振動線，並假設時空是10維的。在人類尺度上，我們只體驗到三個空間維度和一個時間維度，但弦理論學家認為，另外六個維度緊密地纏繞在我們4維現實結構的每一個點上。布索和波爾欽斯基計算得出，這六個維度大約有 10500 種不同的纏繞方式（所有方式都束縛著不同數量的能量），從而使得一個難以想象的巨大且多樣化的宇宙陣列成為可能。換句話說，自然性不是必需的。不存在一個單一的、必然的、完美的宇宙。
“這對我來說絕對是一個頓悟時刻，”布索說。但該論文引發了強烈抗議。
“粒子物理學家，特別是弦理論學家，夢想著能夠唯一地預測所有自然常數，”布索解釋說。“一切都將從數學、π和2中推匯出來。而我們進來並說，‘看，這不會發生，而且有理由不會發生。我們思考這個問題的方式完全錯了。’”
多重宇宙中的生命
在布索-波爾欽斯基多重宇宙情景中，大爆炸是一種漲落。一個緊湊的、六維的結，構成了現實結構中的一針，突然改變形狀，釋放能量，形成一個時空氣泡。這個新宇宙的屬性是隨機決定的：漲落期間釋放的能量大小。以這種方式爆發的大部分宇宙都充滿了真空能量；它們要麼膨脹要麼坍縮得如此之快，以至於生命無法在其中產生。但一些非典型的宇宙，其中一個不可思議的抵消為宇宙常數產生了一個極小的值，則非常像我們所在的宇宙。
在一篇上個月釋出在物理學預印本網站arXiv.org上的論文中，布索和伯克利同事勞倫斯·霍爾（Lawrence Hall）認為，希格斯質量在多重宇宙情景中也說得通。他們發現，包含足夠可見物質（相對於暗物質）以支援生命的氣泡宇宙，通常在大型強子對撞機（LHC）的能量範圍之外具有超對稱粒子，以及一個經過精細調整的希格斯玻色子。類似地，其他物理學家在 1997 年表明，如果希格斯玻色子比現在重五倍，這將抑制氫以外的原子形成，從而以另一種方式導致一個毫無生機的宇宙。
儘管有這些看似成功的解釋，許多物理學家擔心，採用多重宇宙的世界觀並沒有什麼好處。平行宇宙無法進行測試；更糟糕的是，一個不自然的宇宙難以理解。“如果沒有自然性，我們將失去尋找新物理學的動力，”高等研究院的物理學家基弗·布魯姆（Kfir Blum）說。“我們知道它在那裡，但沒有強有力的論據說明我們為什麼應該找到它。”這種情緒一再被回應：“我更希望宇宙是自然的，”蘭德爾說。
但理論可以影響物理學家。在花費了十多年時間適應多重宇宙之後，阿卡尼-哈米德現在覺得它似乎是可信的——也是理解我們世界執行方式的可行途徑。“就我而言，精彩之處基本上在於，大型強子對撞機的任何結果都會以不同程度的力量引導我們走上一條條不同的道路，”他說。“這種選擇非常非常重要。”
自然性可能會堅持下來。或者它可能只是一個多重宇宙中一個奇怪但舒適的口袋裡的虛妄希望。
正如阿卡尼-哈米德在哥倫比亞大學向聽眾說的那樣，“請繼續關注。”
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