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“加速先生” vs. “望远镜先生”

探讨粒子物理学与宇宙学之争,以及理解宇宙如何将这两个领域联系起来。

作者:Mark Trodden
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由费米实验室和SLAC联合制作的优秀杂志《Symmetry》刊登了一篇有趣的文章,对近期在史密森尼国家自然历史博物馆举行的一场辩论进行了后续报道。辩论的主题是“宇宙的暗面”,其导火索是关于解决暗能量和暗物质这些深层问题的进展究竟会来自于粒子物理学家还是宇宙学家。代表这些学派的分别是费米实验室的Joe LykkenRocky Kolb,两人都能在代表科学的同时,献上一场精彩绝伦的表演。

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粒子物理学与宇宙学之争(或者如《Symmetry》杂志所言,加速器先生大战望远镜先生)是一个绝妙的主意,肯定带来了激烈的交流,让Joe、Rocky以及主持人Michael Turner能够涵盖所有相关方面。但希望鉴于参与者的过往表现,观众能从中获得与辩论形式所暗示的恰恰相反的信息——即粒子物理学与宇宙学不可能更紧密相连。当然,曾经有一段时间,天文学家仰望星空,一丝不苟地报告其内容,而粒子物理学家则建造越来越精密的显微镜来观察亚原子世界。这些研究似乎占据了尺度的两个极端,乍一看并不明显它们之间有什么太大的联系。但正如我们多年来所认识到的,理解宇宙行为的关键在于理解其组成部分的微观物理学或基本性质,而精确的宇宙学观测可以为我们梦寐以求也无法通过地面加速器触及的领域中的粒子物理学模型提供关键信息和约束。这一点的一个极其近期的迹象是,粒子现象学领域出现了一系列活动,这些活动几乎完全由PAMELA实验报告的结果驱动(我今年早些时候在关于ICHEP会议的帖子中首次提到了这一点)。但这种联系可以追溯到更早。本周我在康奈尔大学(我现在正在那里休假)参加了一系列纪念已故著名天体物理学家Edwin Salpeter的短会,这再次提醒了我这一点。Salpeter的职业生涯始于粒子物理学,撰写了关于场论的论文,其中最著名的是他与Bethe共同发现的描述量子场论中两体束缚态的Salpeter-Bethe方程。但Salpeter对天体物理学很感兴趣,他同样以Salpeter过程而闻名,在该过程中,他将核物理学的思想应用于恒星内部的行为,展示了氦核如何聚变成碳。从此,我们开始理解天体物理学如何产生了大部分元素周期表。如今,粒子物理学与宇宙学之间的联系已司空见惯,并且有充分的理由认为,这两个领域之间不再有清晰的界限,而是代表着一种理解宇宙基本构成块的连续方法。正如我之前提到过的,无论一个人是从宇宙学还是粒子物理学的角度来处理问题,都会出现一系列共同的问题。我们通过宇宙学观测暗物质,但对其性质的明确理解可能取决于我们的粒子加速器;我们的宇宙被观测到包含微不足道的原始反物质,但如果没有对撞机或新一代中微子实验的数据,我们可能不知道原因;星系团从原始等离子体中结晶形成,但它们的起源可能在于最早时期的量子涨落;我可以继续说下去。如今,加速器先生和望远镜先生已不可分割。

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