粒子物理學家和宇宙學家有哪些共同的目標？

在粒子物理學領域中，科學家研究構成萬物的最小物質單元的性質以及它們之間的相互作用。而物理學的另一分支——天體物理學——則專註於創造和檢驗描述在浩瀚宇宙中發生一切的理論。

粒子物理學和天體物理學家看似關注的是兩個不同極端的現象，但從事這兩個領域的科學家實際上需要互相依賴。有許多最前沿的研究都連接了這兩者。

宇宙結構的種子

粒子物理學家和天體物理學家都在追問早期的宇宙是如何成長演化的。

Eva Silverstein是斯坦福大學的物理學教授，她總是在辦公室計算著宇宙早期經歷的一次急速膨脹的數學細節，這個快速成長的時期被稱為宇宙暴脹。Silverstein表示：「對我而言，這是個非常有意思的課題，因為你可以理解宇宙中結構的起源。暴脹理論是物理學家能夠想象的到的解釋結構起源的最簡單和漂亮的模型。」

△ 宇宙早期經歷了一次指數式的膨脹，被稱為宇宙暴脹（Inflation）。

科學家認為在大爆炸之後，宇宙逐漸冷卻，粒子開始結合形成氫原子。這個過程會釋放之前被困住的光子——即組成光的基本粒子。

那些光的餘暉即所謂的微波背景輻射，今天仍遍布宇宙。科學家通過測量微波背景輻射的不同性質來研究大爆炸后的瞬間究竟發生了什麼。

根據現有的模型，在亞原子尺度首先形成的模式最終成為了整個宇宙結構的基礎。那些擁有密集亞原子粒子的區域會吸引越來越多的物質。隨著宇宙逐漸成長，這些密集的區域會形成星系和星系團。從極小成長為極大。

但科學家研究微波背景輻射不僅僅只是為了研究宇宙是如何成長的，他們想要知道的更多，比如尋找暗物質、暗能量和中微子質量的蛛絲馬跡。

Silverstein 說：「能夠探索約138億年前發生的事情是非常驚人的，雖然不能事無巨細的了解一切，但我們仍可以掌握相當多與宇宙中的物質和相互作用有關的細節。」

理論物理學家 Stephen Weinberg 在《最初三分鐘》中寫道：「將宇宙歷史追溯到起點的願望是許多科學家無法抗拒的動力。」這位諾貝爾獎獲得者補充說：「從現代科學開始的16，17世紀起，物理學家和天文學家一次又一次地回到宇宙起源這個問題上。」

在黑暗中搜尋

粒子物理學家和天體物理學家都在思考暗物質和暗能量。天體物理學家想知道的是——是什麼構成了早期的宇宙，又是什麼組成了現在的宇宙。粒子物理學家想知道的是——宇宙中是否還有未發現的粒子和力在等待我們去尋找。

SLAC 理論物理學教授 Michael Peskin 說：「暗物質在組成宇宙的物質中占的比重很大，但在粒子物理學的標準模型中，還沒有已知具備暗物質性質的粒子。暗物質間的相互作用非常弱，它們質量大、移動緩慢，在整個宇宙壽命期間里都相當穩定。」

暗物質存在的證據可通過其對星系和星系群里普通物質的引力效應體現。這些觀測的結果表明，宇宙大約由4.9％的普通物質、26.8％的暗物質和68.3％的暗能量構成。但到目前為止，科學家仍未能直接觀測到暗能量與暗物質。

△ 宇宙的成分。（圖片來源：Naukas.com）

Peskin 說：「這是粒子物理學領域最尷尬的事。不管在宇宙中能看到多少原子物質，相應的就存在其五倍多的暗物質，我們卻不知道它們是什麼。」

但科學家擁有強大的工具來幫助我們去探索這些未知。SLAC的高級科學家兼理論組負責人 Tom Rizzo 說，過去幾年來，解釋暗物質的模型的數量一直在增加，與其一同增長的還有各種不同的探測方法的數量。

一些實驗試圖尋找暗物質存在的直接證據，比如暗物質粒子與探測器中的物質粒子碰撞。另一部分人想通過通過一些間接證據來確認暗物質的存在，比如暗物質粒子對其他過程的干擾，或隱藏在宇宙微波背景中。如果暗物質具有的性質是正確的，那麼科學家或許能在如大型強子對撞機（LHC）這樣的粒子加速器中創造它。

物理學家也在積極尋找暗能量的信號。通過觀測宇宙中可以看到的最遠距離的星系團的運動，我們可以測量暗能量的性質。

布蘭戴斯大學的教授兼暗能量巡天計劃的研究人員 Marcelle Soares-Santos 說：「每次新的探測技術產生，都會帶來許多的驚喜。我們可以利用這些觀測宇宙的新方法來更好地了解宇宙學和物理學的其他領域。」

力的作用

粒子物理學家與天體物理學家還有一個共同的興趣，就是對引力的研究。對粒子物理學家而言，引力是標準模型無法很好解釋的一個自然界中的基本力。天體物理學家想要了解的是引力在宇宙的形成中扮演的角色。

在標準模型中，每一種力都具有所謂的載力粒子或玻色子，如電磁力中的光子，強力中的膠子，弱力中的W和Z玻色子。當粒子通過力相互作用時，它們就會交換這些載力粒子，轉移少量被稱為量子的信息，科學家通過量子力學來描述這些作用。

△ 宇宙中已知的四種基本相互作用。從左至右分別是：作用於帶電荷的粒子之間的電磁力；制約著放射性現象的弱核力；強核力負責將質子和中子緊緊地束縛在一起；在引力的作用下，蘋果會落在地上，地球會繞著太陽轉，星系才不會分崩離析。（圖片來源：Maharishi University of Management）

廣義相對論解釋了引力在大尺度上是如何作用的：地球會吸引我們的身體，行星物體間會相互牽引。但引力是如何通過量子粒子進行作用的仍是一個謎題。

發現一種傳遞引力的亞原子載力粒子將有助於解釋引力在微觀尺度上的運作，並且啟發物理學家發展出將廣義相對論和量子力學結合的量子引力理論。

與其他基本相互作用力相比，引力與物質間的相互作用非常弱，但作用的強度會隨著能量的增加而迅速變大。理論家預測，在宇宙初期時出現的極高能量下，量子引力效應與其他的力旗鼓相當。引力在宇宙從微波背景的小尺度模式過渡到現在的大尺度模式中起到了重要作用。

△ 在宇宙早期，當能量足夠高時，引力也能夠與其它的三種基本力統一在一個框架中。（圖片來源：ABCC Australia 2015）

我們對引力的理解也是尋找暗物質的關鍵。有科學家就認為暗物質並不存在，他們相信到目前為止我們所發現的證據實際上說明的只是一個跡象——我們還不夠了解引力。

大想法，小細節

更多地了解引力可以告知我們更多與黑暗的宇宙相關的信息，這也可能揭示宇宙最初的結構是如何形成的新見解。

Peskin表示，科學家正試圖為粒子物理學與早期宇宙之間畫上「閉環」。隨著科學家進一步探索太空、回溯到更久遠的過去，他們可以更多地了解在高能量下的物理規律，同時這也使我們更深入的理解構成世間萬物的最小成分。