三十年来，研究人员一直在徒劳地寻找新的基本粒子，以解释为什么自然界会是这样的。当物理学家面对这一失败时，他们正在重新审视一个长期存在的假设：任何一个物体都是由更小的东西组成的。
作者：NatalieWolchover
译者：李玉婷
在《科学革命的结构》中，科学哲学家ThomasKuhn观察到，科学家花很长时间缓慢前进。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统一地解释所有数据，库恩称其为范式。不过，迟早会有事实出现，与已有的范式发生冲突。危机随之而来。科学家们绞尽脑汁，重新审视他们的假设，并最终革命性地转向一个新的范式，对自然界有一个完全不同和更真实的理解。然后又恢复了渐进式的进展。
几年来，研究自然界基本构件的粒子物理学家们一直处于教科书式的库恩危机之中。
这一危机在年变得不可否认，当时，尽管进行了一次重大升级，日内瓦的大型强子对撞机仍然没有产生任何理论家几十年来一直期待的新基本粒子。这些额外的粒子将解决关于一个已知粒子的重大难题，即著名的希格斯玻色子。层次问题，正如该谜题所称，问的是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标尺的质量要小一亿倍。相对于这些更高的能量，希格斯质量似乎被不自然地调低了，就好像决定其数值的基础方程中的巨大数字奇迹般地全部抵消了。
额外的粒子本来应该可以解释微小的希格斯质量，恢复物理学家所说的他们方程的“自然性”。但是，在大型强子对撞机——第三个也是最大的一个对撞机——对它们的寻找也是徒劳之后，似乎关于自然界中什么是自然的逻辑可能是错误的。欧洲核子研究中心（CERN，大型强子对撞机所在的实验室）理论部负责人GianGiudice在年写道：“我们面临着需要重新考虑几十年来用于解决有关物理世界最基本问题的指导原则。”
起初，科学界对此感到绝望。
“你可以感受到那种悲观情绪”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IsabelGarciaGarcia说，当时她还是一名研究生。耗资亿美元的质子粉碎机不仅未能回答一个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值得信任。人们比以前更迫切地想知道，宇宙是否就是不自然的，是微调的数学抵消的产物。也许有一个由多个宇宙组成的多元宇宙，所有的希格斯质量和其他参数都是随机的，而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，从而形成了生命。这种“人择原理”尽管可能是正确的，但令人沮丧的是无法证实。
许多粒子物理学家转移到其他研究领域，“那里的难题还没有变得像层次问题那么难，”加州大学洛杉矶分校的理论物理学家NathanielCraig说。
一些留下来的人开始仔细研究几十年前的假设。他们开始重新思考自然界中那些看似是不自然微调的显著特征——希格斯玻色子的小质量，以及一个看似不相关的问题，关于空间本身不自然的低能量。“真正的根本问题是自然性的问题，”GarciaGarcia说。
他们的反省正在产生结果。研究人员正越来越多地将目光投向他们认为是关于自然性的传统推理中的一个弱点。它建立在一个看似正确的假设上，这个假设自古希腊以来就一直被纳入科学的视野。大的东西由更小、更基本的东西组成——这种说法被称为还原论。“还原论范式......是自然性问题固有的，”新泽西州普林斯顿高等研究院的理论家NimaArkani-Hamed说。
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。“这会不会改变游戏规则？"Arkani-Hamed说。
在最近的一系列论文中，研究人员已经把还原论抛到了九霄云外。他们正在探索大小距离尺度可能协调的新方法，产生的参数值从还原论的角度看是不自然微调的。
“有些人称它为危机。这儿有一种悲观的气氛，但我没有那种感觉，”GarciaGarcia说。这是一个我觉得我们正在进行意义深远的事情的时候。"
什么是自然性
大型强子对撞机确实取得了一个关键性的发现：年，它最终发现了希格斯玻色子，这是有50年历史的一套被称为粒子物理学标准模型理论的基石，该模型描述了17种已知的基本粒子。
希格斯的发现证实了一个写在标准模型理论中的引人入胜的故事。
宇宙大爆炸后的瞬间，一个渗透到空间的被称为希格斯场的实体，突然被注入了能量。这个希格斯场裂开产生了希格斯玻色子，这些粒子因为该场的能量而拥有质量。当电子、夸克和其他粒子在空间移动时，它们与希格斯玻色子相互作用，在这种方式下，它们也获得了质量。
标准模型于年完成后，其设计师几乎立即注意到一个问题。
当希格斯赋予其他粒子质量时，它们也会马上回馈；粒子的质量会一起晃动。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关系。
所有大质量的标准模型粒子都对该方程做出了贡献，但这些并不是唯一的贡献。希格斯玻色子还应该在数学上与更重的粒子混合，包括普朗克尺度现象，这是一个与引力的量子性质、黑洞和大爆炸有关的能量水平。普朗克尺度现象对希格斯质量的贡献应该是巨大的——几乎比实际希格斯质量大一亿倍。
自然而然地，你会期望希格斯玻色子和它们一样重，从而使其他基本粒子也得到加强。粒子会因为太重而无法形成原子，而宇宙将是空的。
对于希格斯玻色子来说，尽管它依赖于巨大的能量，但最终却如此之轻，你必须假设普朗克对其质量的贡献有正有负，而且它们都拥有恰到好处的数量，从而完全抵消。
这种抵消除非有某种原因，否则它就会很可笑——就像气流和桌子的振动相互抵消以保持铅笔尖的平衡一样不可能。这种微调的抵消，物理学家认为是“非自然的”。
在几年内，物理学家们找到了一个令人满意的解决方案：超对称理论，假设自然界的基本粒子具有双重性。超对称理论认为，每一个玻色子（两种类型的粒子之一）都有一个伙伴费米子（另一种类型），反之亦然。玻色子和费米子分别为希格斯质量贡献正负项。
因此，如果这些项总是成对出现，它们将总是抵消。
对超对称伙伴粒子的探索始于20世纪90年代的大型正负电子对撞机。研究人员假设这些粒子比它们的标准模型伙伴稍重一些，需要更多的原始能量来实现，因此他们将粒子加速到接近光速，将它们砸在一起，并在碎片中寻找重物的出现。
与此同时，另一个自然性问题浮出水面。
空间结构，即使在没有物质的情况下，似乎也应该拥有能量——所有流经它的量子场的净活动。
当粒子物理学家把对空间能量的所有推定贡献加起来时，他们发现，就像希格斯质量一样，来自普朗克尺度现象的能量注入应该把它炸毁。
爱因斯坦认为，空间的能量——他称之为宇宙学常数——具有引力排斥作用，它使空间膨胀得越来越快。如果空间被注入普朗克密度的能量，宇宙在大爆炸后的瞬间就会自我撕裂。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。
年的测量结果将其数值定为比普朗克能量低一百万亿次。同样，在宇宙学常数的方程式中，似乎所有这些巨大的能量注入和提取都被完美地抵消了，让空间变得异常平静。
“引力......混合了所有长度尺度的物理学——短距离、长距离。因为它做到了这一点，所以它给了你这个出路。”——NathanielCraig
这两个大的自然性问题在20世纪70年代末就已经很明显了，但几十年来，物理学家们都把它们当作无关紧要的问题。
“这是在人们对此感到分裂的阶段。”Arkani-Hamed说。宇宙学常数问题似乎与神秘的、量子方面的引力有关，因为空间的能量仅通过其引力效应被探测到。层次问题看起来更像是一个“讨厌的小细节问题”，Arkani-Hamed解释说——这种问题，就像过去的两三个其他问题一样，最终会揭示出一些缺失的拼图碎片。“希格斯的弱点”，正如Giudice所说的它的不自然的轻盈，不是什么是大型强子对撞机的几个超对称粒子所不能治愈的。
事后看来，这两个自然性问题似乎更像是一个更深层问题的表面症状。
“思考一下这些问题是如何产生的是很有用的，”GarciaGarcia在今年冬天从圣巴巴拉打来的Zoom电话中说。"层次问题和宇宙学常数问题的出现，部分是因为我们用来试图回答问题的工具——我们试图理解我们宇宙的某些特征的方式。”
恰到好处的还原论
物理学家们用他们有趣的方式诚实地统计希格斯质量和宇宙学常数的贡献。
这种计算方法反映了自然界奇怪的嵌套结构。
放大一些东西，你会发现它实际上是许多更小的东西。
从远处看，像一个星系的东西实际上是一个恒星的集合；每个恒星是许多原子；一个原子进一步溶入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、更有能量的基本粒子和现象——这是高能量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的显微镜。
高能量和短距离之间的联系在整个物理学中有许多例子。比如，量子力学认为每个粒子也是一种波，粒子的质量越大，其相关的波长就越短。另一种是，能量必须更密集地挤在一起以形成更小的物体。物理学家把低能量、长距离的物理学称为“红外”，把高能量、短距离的物理学称为“紫外”，这是用红外和紫外光的波长来做类比。
在20世纪60年代和70年代，粒子物理学巨头KennethWilson和StevenWeinberg指出了自然界层次结构的非凡之处：它允许我们描述一些大的、红外尺度上的令人
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