宇宙学与粒子物理

粒子物理以基本粒子为研究对象，研究尺度范围小于10-13cm，质量范围小于10-23g；而宇宙学的最小研究对象是星系，尺度范围大于1019cm，质量大于1039g。随着现代宇宙学的发展，在这个从任何角度相比，都异乎寻常的悬殊的两个学科之间，人们发现了它们的联系。如果说热大爆炸宇宙学使这两个学科相遇，那么暴胀宇宙学又使它们紧密地结合起来。近十几年来，随着粒子物理学的发展，随着宇宙学日臻成熟，两个学科间的联系也日益频繁与深化起来。在过去几年里，两门学科分别建立了自己的标准模型。在粒子物理学中，标准模型是各种夸克和轻子之间，强、弱和电磁相互作用统一的规范理论。它把量子色动力学（QCD）和格拉肖-萨拉姆-温伯格模型结合到一起，成功地解释了基本粒子实验得出的全部结果。
     然而，这一模型也有许多尚未解决的问题，例如，为什么夸克与轻子有三代的划分，三代间的质量为什么如此悬殊，有没有第四代？标准模型预言的顶夸克（t）至今还没有得到肯定，此外，弱电作用的破缺机制是什么？有无新一类的强作用？超对称的伴随粒子、基础费密子的内部结构如何？等等。在众多的悬而未解问题之中，最重要的当属标准模型所预言，并赖以生存的中性、大质量标量粒子——黑格斯（Higgs）子尚未找到。标准模型需要这个耦合强度正比于耦合粒子质量的标量粒子，因为这样可以克服高能发散问题，使标准模型成为可重正化的理论。然而，解决上述问题难以依靠人工加速器完成。原计划1995年建成的美国超导质子-质子对撞机（SSC），周长 80km，质心系能量为 40TeV，亮度为 1033cm-2s-1，在这样高能量、高亮度条件下，肯定能对弱电作用的破缺机制做出肯定或否定的回答，还有可能发现新一类强相互作用、超对称伴随粒子，甚至有可能发现有关基础费密子的内部结构的线索，因此，SSC 对撞机的建成肯定会对标准模型的各种问题给出解决的途径，因而受到全世界粒子物理学家的关注。
     然而，尽管SSC对撞机本身的技术条件已十分成熟，尽管历年来，已调集了美国及全世界各地的研究力量，并投入了可观的预研费与建筑经费，最后，仍然囿于资金的困难而被迫停建。即使没有资金的限制，人类所居住的地球线度也是有限的。SSC 这一计划中，能量最大的超导对撞机周长是 80km，能把粒子加速到104GeV，而在地球上，充其量能制造的加速环周长为 40000km，充其量也只能把粒子加速到108GeV，这与解决标准模型的问题、验证大统一理论的需要，还差有12个数量级。在这种情况下，人们很自然地把目光转向了宇宙。看来，能不断地产生能量高到足以检验四种基本作用统一的理论，唯一的加速器就是宇宙自身。根据热爆炸宇宙学的推算，宇宙大约在150亿年前，温度极高，KT/c2大于普朗克质量Mp（Mp约为10-5g），密度ρ超过Mp/lp3，lP为康普顿长度，等于史瓦西半径（约为 10-33cm），普朗克质量所对应的能量 MPc2大约为1019GeV，因此，在粒子平均质量超过普朗克质量时，四种基本作用才能统一。
     虽然1010年前所发生的过程不可能重现，但是从人们对极早期宇宙的研究和考察中，过去所发生的过程会在现今宇宙中留下遗迹。因此，从中抽取有用和可靠的信息，以对粒子物理中的有关理论做出制约和鉴别，仍是极有价值的。问题的另一方面来自于宇宙学中的标准模型。由于引力的量子效应，宇宙标准模型只能追溯到t=10-40s，T=1030T，即能量1017GeV的范围。在给出的这个标准模型的初始条件时，却发现了一系列的疑难，其中比较有名的就是前述的平直性问题、视界问题、重子不对称及磁单极子问题。暴胀宇宙论、新暴胀宇宙论以及混沌暴胀宇宙论等一系列学说，实际上就是粒子物理学中弱电统一理论成就上建立起来的。此种条件下，通常的广义相对论已不再适用，取而代之的应为量子化的引力场理论。宇宙学必须借助于粒子物理理论解释宇宙图象，而粒子物理理论则把宇宙作为检验自己的天然实验室。显然，如果这两大学科不相互结合，都不可能获得完整的理论。