艾米莉·布德/广达杂志；
Quanta 杂志的 Kristina Armitage 和 Rui Braz
在《科学革命的结构》中，科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）观察到，科学家们花了很长时间来采取小步骤。他们提出并解决难题，同时在一个固定的世界观或理论框架内集体解释所有数据，库恩称之为范式。然而，迟早会出现与主流范式发生冲突的事实。危机随之而来。科学家们绞尽脑汁，重新审视他们的假设，并最终做出革命性的转变，转向一种新的范式，一种对自然完全不同和更真实的理解。然后恢复增量进度。
几年来，研究自然基本构件的粒子物理学家一直处于教科书式的库恩危机中。
这场危机在 2016 年变得不可否认，当时，尽管进行了重大升级，日内瓦的大型强子对撞机仍然没有召唤出任何理论家几十年来一直期待的新基本粒子。额外的粒子群将解决一个关于已知粒子的主要难题，即著名的希格斯玻色子。这个难题被称为层次问题，它询问为什么希格斯玻色子如此轻巧——比自然界中存在的最高能量尺度小一亿倍。相对于这些更高的能量，希格斯质量似乎不自然地下降了，就好像决定其值的基本方程中的巨大数字都奇迹般地抵消了。
额外的粒子可以解释微小的希格斯质量，恢复物理学家所谓的“自然性”到他们的方程中。但在大型强子对撞机成为第三个也是最大的对撞机后，却徒劳地寻找它们，似乎关于自然界中什么是自然的逻辑本身可能是错误的。 “我们面临着重新考虑几十年来一直用于解决有关物理世界最基本问题的指导原则的必要性，”大型强子对撞机实验室 CERN 理论部门负责人Gian Giudice在2017 年。
起初，社区感到绝望。 “你可以感受到悲观情绪，”当时还是研究生的加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的粒子理论家伊莎贝尔·加西亚·加西亚说。不仅价值 100 亿美元的质子粉碎机未能回答一个 40 年前的问题，而且长期以来指导粒子物理学的信念和策略也不再可信。人们比以前更强烈地想知道宇宙是否只是不自然的，是微调数学抵消的产物。也许有一个多元宇宙，所有的宇宙都有随机调整的希格斯质量和其他参数，我们发现自己在这里只是因为我们宇宙的特殊属性促进了原子、恒星和行星的形成，从而促进了生命的形成。这种“人择论”虽然可能是正确的，但令人沮丧的是无法检验。
UCSB 的理论物理学家纳撒尼尔·克雷格 ( Nathaniel Craig ) 说，许多粒子物理学家迁移到了其他研究领域，“那里的难题还没有等级问题那么难”。
纳撒尼尔·克雷格和伊莎贝尔·加西亚·加西亚探讨了重力如何帮助调和大自然截然不同的能量尺度。
杰夫梁
一些人仍然准备仔细研究几十年前的假设。他们开始重新思考大自然中那些看似不自然地微调的显着特征——希格斯玻色子的小质量，以及一个看似无关的案例，一个与空间本身不自然的低能量有关的案例。 “真正根本的问题是自然性问题，”加西亚·加西亚说。
他们的反省正在结出硕果。研究人员越来越关注他们认为传统自然性推理中的弱点。它建立在一个看似温和的假设之上，自古希腊以来就已被纳入科学观点：大的东西由更小、更基本的东西组成——一种被称为还原论的想法。新泽西州普林斯顿高等研究院的理论家Nima Arkani-Hamed说：“还原论范式……与自然性问题密切相关。”
现在越来越多的粒子物理学家认为自然性问题和大型强子对撞机的无效结果可能与还原论的崩溃有关。 “难不成这会改变游戏规则？”阿卡尼-哈米德说。在最近的一系列论文中，研究人员将还原论抛诸脑后。他们正在探索大小距离尺度可能共谋的新方法，产生从还原论的角度看起来不自然地微调的参数值。
“有些人称之为危机。这有一种与之相关的悲观情绪，我不这么认为，”加西亚·加西亚说。 “这是我觉得我们正在做一些深刻的事情的时候。”
什么是自然
大型强子对撞机确实做出了一项重要发现：2012 年，它终于击中了希格斯玻色子，这是一套有 50 年历史的被称为粒子物理学标准模型的方程组的基石，它描述了 17 个已知的基本粒子。
希格斯粒子的发现证实了一个写在标准模型方程中的引人入胜的故事。大爆炸之后的片刻，一种名为希格斯场的渗透空间的实体突然充满了能量。这个希格斯场与希格斯玻色子一起爆裂，由于场的能量而拥有质量的粒子。当电子、夸克和其他粒子在空间中移动时，它们会与希格斯玻色子相互作用，并以这种方式获得质量。
1975 年标准模型完成后，其建筑师几乎立即注意到了一个问题。
当希格斯粒子给其他粒子质量时，它们会立即返回；粒子质量一起摇晃。物理学家可以为希格斯玻色子的质量写一个方程，其中包括与它相互作用的每个粒子的项。所有大质量标准模型粒子都为方程贡献了项，但这些并不是唯一的贡献。希格斯粒子还应该在数学上与更重的粒子混合，直至并包括普朗克尺度的现象，即与引力、黑洞和大爆炸的量子性质相关的能级。普朗克尺度的现象应该为巨大的希格斯质量做出贡献——大约是实际希格斯质量的一亿倍。天真地，你会期望希格斯玻色子和它们一样重，从而增强其他基本粒子。粒子太重而无法形成原子，宇宙将是空的。
希格斯粒子依赖于巨大的能量而最终变得如此轻，你必须假设普朗克对其质量的贡献中的一些是负的，而另一些是正的，并且它们都被调整到恰到好处的量以完全抵消.除非有某种原因取消，否则这似乎很可笑——就像气流和桌子振动相互抵消以保持铅笔在笔尖上的平衡一样不可能。这种微调抵消物理学家认为“不自然”。
几年之内，物理学家找到了一个巧妙的解决方案：超对称性，一种假设的自然界基本粒子的加倍。超对称说每个玻色子（两种粒子中的一种）都有一个伴侣费米子（另一种），反之亦然。玻色子和费米子分别对希格斯质量贡献正项和负项。因此，如果这些术语总是成对出现，它们总是会取消。
对超对称伙伴粒子的搜索始于 1990 年代的大型正负电子对撞机。研究人员假设这些粒子比他们的标准模型伙伴重一点点，需要更多的原始能量才能实现，所以他们将粒子加速到接近光速，将它们粉碎在一起，并在碎片中寻找沉重的幽灵。
与此同时，另一个自然性问题浮出水面。
空间的结构，即使没有物质，似乎也应该充满能量——所有量子场的净活动通过它。当粒子物理学家将所有对空间能量的假定贡献加起来时，他们发现，与希格斯质量一样，来自普朗克尺度现象的能量注入应该会炸毁它。阿尔伯特·爱因斯坦证明了被他称为宇宙常数的空间能量具有引力排斥效应。它使空间膨胀得越来越快。如果太空中注入了普朗克密度的能量，宇宙就会在大爆炸后瞬间撕裂。但这并没有发生。
相反，宇宙学家观察到空间的膨胀只是缓慢地加速，这表明宇宙学常数很小。 1998 年的测量结果表明，它的价值比普朗克能量低 100 万亿倍。再一次，宇宙常数方程中的所有巨大能量注入和提取似乎都完美地抵消了，留下的空间异常平静。
放大一些东西，你会发现它实际上是很多更小的东西。远远看去像星系，其实是星辰的集合；每颗恒星都有许多原子；一个原子进一步分解为亚原子部分的层次结构。此外，当你放大到更短的距离尺度时，你会看到更重、更有活力的基本粒子和现象——高能和短距离之间的深刻联系，解释了为什么高能粒子对撞机就像宇宙中的显微镜一样。高能量和短距离之间的联系在整个物理学中有许多化身。例如，量子力学说每个粒子也是波；粒子质量越大，其相关波长越短。另一种思考方式是能量必须更密集地挤在一起才能形成更小的物体。物理学家将低能量、长距离物理称为“红外线”，将高能量、短距离物理称为“紫外线”，这与红外线和紫外线波长的光进行了类比。
在 1960 年代和 70 年代，粒子物理学巨擘肯尼斯·威尔逊和史蒂文·温伯格指出了大自然层次结构的非凡之处：它使我们能够在不知道什么是“真实”的情况下，以某种大的、感兴趣的 IR 尺度来描述正在发生的事情发生在更微观的紫外线尺度上。例如，您可以使用流体动力学方程对水进行建模，将其视为光滑流体，掩盖其 H 2 O 分子的复杂动力学。流体动力学方程包括一个代表水粘度的术语——一个单一的数字，可以在 IR 尺度上测量，它总结了在紫外线中发生的所有分子相互作用。物理学家说 IR 和 UV 尺度“解耦”，这让他们可以有效地描述世界的各个方面，而无需知道普朗克尺度深处发生了什么——最终的 UV 尺度，对应于万亿分之一厘米的十亿分之一，或 100 亿千兆电子伏 (GeV) 的能量，其中时空结构本身可能会溶解成其他东西。
从 1960 年代到 2000 年代活跃的美国粒子和凝聚态物理学家肯尼斯·威尔逊（Kenneth Wilson）开发了一种正式的数学方法来描述系统的属性如何根据测量的尺度而变化。
康奈尔大学教员传记文件，#47-10-3394。康奈尔大学图书馆稀有和手稿收藏部。
瑞士洛桑联邦理工学院的理论物理学家Riccardo Rattazzi说：“我们可以做物理学，因为我们可以对短距离发生的事情一无所知。”
威尔逊和温伯格分别开发了粒子物理学家用来模拟我们嵌套娃娃世界不同层次的框架：有效场论。正是在 EFT 的背景下出现了自然性问题。
EFT 模拟一个系统——比如一束质子和中子——在一定的尺度范围内。将质子和中子放大一段时间，它们会一直看起来像质子和中子；您可以使用“手性有效场论”来描述它们在该范围内的动态。但随后 EFT 将达到其“UV 截止”，这是一个短距离、高能量的尺度，在此 EFT 不再是对系统的有效描述。例如，在 1 GeV 的截止频率下，手性有效场理论停止工作，因为质子和中子不再表现得像单个粒子，而是表现得像三个夸克。一个不同的理论开始了。
自然能做什么
1974 年，在“自然性”这个词被创造出来的几年前，Mary K. Gaillard 和 Ben Lee 出色地利用了这一策略来预测当时假设的称为粲夸克的粒子的质量。 “她的预测的成功及其与等级问题的相关性在我们的领域中被严重低估了，”克雷格说。
74 年的那个夏天，盖拉德和李对两个 kaon 粒子（夸克复合物）的质量差异感到困惑。测量的差异很小。但是当他们试图用 EFT 方程计算这个质量差异时，他们发现它的值有被炸毁的风险。因为 kaon 质量差异有质量单位，所以它对紫外线敏感，在截止时接受来自未知物理的高能校正。该理论的截止值尚不清楚，但当时的物理学家推断它不可能很高，否则相对于修正值，由此产生的 kaon 质量差异似乎非常小——正如物理学家现在所说的那样，这是不自然的。 Gaillard 和 Lee 推断出他们的 EFT 的低截止尺度，即新物理学应该展现自己的地方。他们认为，最近提出的一种称为粲夸克的夸克必须被发现，其质量不超过 1.5 GeV。
三个月后，粲夸克出现，重达 1.2 GeV。这一发现引发了一场被称为“十一月革命”的理解复兴，并迅速导致了标准模型的完成。在最近的一次视频通话中，现年 82 岁的盖拉德回忆说，消息传出时她正在欧洲访问 CERN。李给她发了一封电报：发现魅力了。
1974 年，Mary K. Gaillard（图为 1990 年代）和 Ben Lee 使用自然性论证来预测称为粲夸克的假设基本粒子的质量。几个月后，人们发现了这种魅力。
AIP Emilio Segrè 视觉档案
这样的胜利使许多物理学家确信，等级问题也应该预示着新粒子不会比标准模型重多少。如果标准模型的截止值接近普朗克尺度（研究人员肯定知道标准模型失败了，因为它没有考虑量子引力），那么对希格斯质量的紫外线校正将是巨大的——使其亮度不自然.在希格斯玻色子本身质量之上不远的截止点将使希格斯粒子与来自截止点的校正一样重，一切看起来都很自然。 “这个选项是过去 40 年来试图解决等级制度问题的工作的起点，”加西亚·加西亚说。 “人们提出了很棒的想法，比如超对称性、[希格斯粒子的]复合性，这是我们在自然界中还没有看到的。”
加西亚 加西亚 2016 年在牛津大学攻读粒子物理学博士学位几年后，她清楚地意识到，清算是有序的。 “就在那时，我对这个我们在讨论这些问题时通常不会包含的缺失部分更感兴趣，这就是引力——我意识到量子引力比我们从有效场论中所能得知的更多。”
重力混合了一切
理论家在 1980 年代了解到，重力不符合通常的还原论规则。如果你用力将两个粒子撞击在一起，它们的能量会在碰撞点变得如此集中，以至于它们会形成一个黑洞——一个引力如此之大以至于任何东西都无法逃脱的区域。将粒子更猛烈地撞击在一起，它们会形成一个更大的黑洞。更多的能量不再让你看到更短的距离——恰恰相反。你 bash 越用力，产生的不可见区域就越大。黑洞和描述其内部的量子引力理论完全颠倒了高能和短距离之间的通常关系。 “重力是反还原论的，”纽约大学物理学家谢尔盖·杜博夫斯基说。
量子引力似乎在玩弄大自然的结构，嘲弄了使用 EFT 的物理学家已经习惯的整齐的嵌套尺度系统。克雷格和加西亚·加西亚一样，在大型强子对撞机的搜索一无所获后不久就开始思考重力的影响。在试图集思广益解决层次问题的新方法时，克雷格重读了 CERN 理论家朱迪斯 2008 年关于自然性的一篇文章。当他写道，宇宙常数问题的解决方案可能涉及“红外线和紫外线效应之间的一些复杂的相互作用”时，他开始想知道 Giudice 的意思。如果 IR 和 UV 具有复杂的相互作用，那将违背通常的解耦，使有效的场论起作用。 “我只是在谷歌上搜索了‘UV-IR 混合’之类的东西，”克雷格说，这让他找到了 1999 年的一些有趣的论文，“然后我就走了。”
然后他们意识到，如果他们的相同界限适用于我们的整个宇宙，它就解决了宇宙常数问题。在这种情况下，可观测的宇宙就像一个非常大的盒子。它可以包含的高能粒子状态的数量与可观测宇宙的表面积成四分之三的幂成正比，而不是宇宙（大得多）的体积。
这意味着宇宙学常数的通常 EFT 计算过于幼稚。这个计算告诉我们，当你放大空间结构时，应该会出现高能现象，这应该会炸毁空间的能量。但是 CKN 界意味着高能活动可能远比 EFT 计算假设的要少得多——这意味着粒子可以占据的高能状态很少。科恩、卡普兰和纳尔逊做了一个简单的计算表明，对于一个我们宇宙大小的盒子，他们的界限或多或少准确地预测了所观察到的宇宙常数的微小值。
他们的计算表明，当您查看整个宇宙的红外特性（例如宇宙常数）时，大尺度和小尺度可能会以一种显而易见的方式相互关联。
Draper 和Nikita Blinov在去年的另一个粗略计算中证实，CKN 界可以预测观测到的宇宙学常数；他们还表明，这样做不会破坏 EFT 在小规模实验中的许多成功。
CKN 界限并没有告诉你为什么 UV 和 IR 是相关的——为什么，即盒子（IR）的大小严重限制了盒子（UV）内高能状态的数量。为此，您可能需要了解量子引力。
其他研究人员已经在一个特定的量子引力理论中寻找答案：弦理论。去年夏天，弦理论家Steven Abel和Keith Dienes展示了弦理论中的 UV-IR 混合如何解决层次结构和宇宙常数问题。
作为引力和其他一切基本理论的候选者，弦理论认为，所有粒子，近看，都是微小的振动弦。像光子和电子这样的标准模型粒子是基本弦的低能振动模式。但是弦也可以更有活力地摆动，从而产生无限频谱的弦状态，并且能量越来越高。在这种情况下，层次结构问题询问为什么这些弦状态的修正不会使希格斯粒子膨胀，如果没有像超对称这样的东西来保护它。
Dienes 和 Abel 计算出，由于弦理论的不同对称性称为模不变性，从 IR 到 UV 的无限光谱中所有能量的弦状态的校正将以正确的方式相互抵消，从而保持希格斯质量并且宇宙常数很小。研究人员指出，这种低能和高能弦态之间的阴谋并不能解释为什么希格斯质量和普朗克能量一开始就如此广泛地分离，只是这种分离是稳定的。尽管如此，在克雷格看来，“这是一个非常好的主意。”
新模型代表了越来越多的紫外-红外混合理念。 Craig 的攻角可以追溯到1999 年的另一篇论文，由高级研究所的著名理论家Nathan Seiberg和两位合著者撰写。他们研究了存在背景磁场填充空间的情况。要了解 UV-IR 混合是如何在这里产生的要点，请想象一对带相反电荷的粒子由弹簧连接并垂直于磁场飞过空间。当你提高场的能量时，带电粒子加速分开，拉伸弹簧。在这个玩具场景中，更高的能量对应于更长的距离。
