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分类: 科学报道

   "物理学"陷入困境:不顾一切地寻找万物之理
                                      2013-06-11 10:32 来源:中国科技网 

转载:不顾一切地寻找万物之理

  马修·查默斯:来自英国布里斯托尔的自由撰稿人,2012年在《科学美国人》杂志上撰文《后希格斯粒子时代》。他表示,发现希格斯粒子之后,要对这种粒子进行更精细的研究,大型强子对撞机(LHC)已无法胜任。现在,科学家提出了4种方案,建造新一代对撞机,提高研究精度,以期发现标准模型之外的物理现象。

  希格斯粒子进入死胡同

  希格斯玻色子的发现让历史上最精确的科学模型——粒子物理学标准模型得以完整,但是,“一个故事的结束,也是另一个故事的开始”,这也预示着新问题即将出现。

  1964年2月,披头士乐队心中时刻想的就是让美国为之倾倒,而彼时彼刻,一些强大的物质也在理论物理学家穆雷·盖尔曼的大脑中盘旋。盖尔曼思考的问题是:组成物质的原子和中子本身是否也由更小的物质组成呢?他将这种更小的物质命名为“夸克”。“夸克”一词是穆雷·盖尔曼改编自爱尔兰作家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》(Finnegans Wake)中的诗句:“向麦克老大三呼夸克。” 取这一名字仅仅因为盖尔曼喜欢这个单词的发音,就像夸脱一样。

  那时,物理学对变革理念的渴求就像困在沙漠中的人对绿洲的渴求一样强烈。科学家们在宇宙射线中发现了几十个奇异的新粒子,这似乎不合情理也毫无缘由。盖尔曼发明的夸克使质子、中子和所有这些新粒子可以被描述为两个或者三个更基本的粒子的组合。

  对于大多数物理学家来说,这一想法有点太过于超前了。新粒子打破了既定的规则,因为其拥有+2/3、-1/3这样的电荷,而且,科学家们或许也从来不会看到这些粒子“独自起舞”。情况为什么会变得这么奇妙呢?

  为什么就不能如此呢?现就职于墨西哥州桑塔费研究所的盖尔曼反驳道:“每个人都在说,这也不可能,那也不可能,但或许本来就毫无道理,或许自然就是如此奇妙。”结果也表明正是如此。现在,夸克已经成为所有科学里最禁得住检验的理论模型——粒子物理学标准模型的基础。在40年的岁月中,标准模型展示出了不可思议的能力,一次次地将理论学家们的梦想变成无可辩驳的事实。2012年7月,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)实验组宣称发现了希格斯玻色子,这只是标准模型最新、最惊人、最引人瞩目的一次展示而已。

  尽管科学家们已经取得了如此惊人的成就,但是,“盛极而衰”“物理学已日薄西山”等言语却不绝于耳。有了希格斯玻色子,明显不完整的标准模型变得更加完整完满,但是,这并不表示该模型没有瑕疵,而实验也无力再提供线索,供科学家们创建出更好的模型来弥补其不足。历史再次重演,粒子物理学理论再次呼唤全新的变革。

  美国得克萨斯大学奥斯汀分校的理论学家斯蒂芬·温伯格于1974年提出了“标准模型”。温伯格表示:我并不希望这一术语成为教条,我希望它成为交流和实验的基础,让科学家们借此获得一些证据,证明标准模型是错的。标准模型的基本要义在一张明信片上就能表述清楚:6个夸克成双成对,构成除了质量以外其他一切都一模一样的三“代”;诸如电子和中子等6个“轻子”也采用同样的方式排列;另外还有一小撮玻色子在夸克和轻子之间传递自然界最基本的作用力。

  关于这些粒子最重要的事情是,它们在本质上都是量子粒子。量子理论源于20世纪初非常关键的发现,这些发现表明,原子释放和吸收的辐射之所有具有这样的波长,只能够过假定能量被打包成不连续的小份或者“量子”来解释。顺着这条思路,我们就能推导出一个怪异的二象性,在最小的尺度上,粒子是波,波也是粒子。这些“身份”含混不清的波—粒子的运动并不遵从牛顿经典力学,而是在抽象的数学空间中的奇异规则下跳着概率的舞蹈。

  到了上世纪20年代中期,量子力学大体已经成型,也经受住了所有实验的考验。但是,在上世纪20年代晚期,物理学天才、获得诺贝尔奖的最年轻的理论物理学家保罗·狄拉克和其他人开始探究将量子力学和爱因斯坦的广义相对论关联起来,这一举动在描述以接近光速运动的粒子方面迈出了关键的一步,自此,科学研究进入另外一番新天地。

  1928年,狄拉克提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程,即狄拉克方程,该方程拥有不止一个解,这似乎预示着存在着这样一种粒子,其属性和电子类似,但是,电荷相反。五年后,科学家们在宇宙射线中发现了这种“正电子”。理论学家们也顺势而动,提出了“反物质”这一概念。

  量子场论作为标准模型的理论基础,也是上述逻辑的集大成者。用场来传递力这一想法可以追溯到19世纪英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第,但是,量子场的数学结构给这些量子场赋予了一些奇怪的属性:它们可以从空无一物的真空中制造出粒子,再让其湮灭于无形。因此,根据量子电动力学理论的观点,两个电子之所以会相互排斥,是因为一个光量子(光子)“作祟”,光量子是电磁场的量子粒子,不知所起而且会从一个电子传到另一个电子那儿。无数个这样的“虚拟”粒子不断出没,会轻微改变经典电子或者说“裸”电子的属性。自从上世纪40年代以来,很多实验都证实了这种变化,而且,精确程度令人瞠目结舌。

  量子理论将其他力囊括其中也颇费了一番功夫,花费了更长时间。在辐射衰变中将一种粒子变成另一种粒子的弱核力很长时间以来都被难以控制的无穷大所困扰,这就使得除了最简单的一些效应以外,其他计算都陷入无望。时间继续向前推进,到了上世纪60年代,温伯格等人终于找到出路,将弱核力与电磁力统一成弱电力,这种弱电力只在能量极高的环境(比如早期宇宙)下才会“现身”。

  正如狄拉克方程预言了反物质的存在一样,这一理论也预示了可能存在一些迄今还没有被看到的粒子:大质量的W和Z玻色子——其主要作用是传递目前已经成弱电力中分离出来的短程弱核力以及希格斯玻色子。希格斯玻色子一定要存在,才能确保W和Z玻色子在统一的弱电力被分解成电磁力和弱核力的所谓“破缺”过程中获得质量,从而将弱核力限制在原子距离范围内;然而,与此同时,传递电磁力的光子则不会获得质量,这就使得它们能够自由自在地在宇宙中穿梭驰骋。

  与此同时,强核力(让原子核紧紧依附在一起的作用力)的量子场理论也上演了一出“咸鱼翻身”的好戏,用该理论的联合创立者、美国加州大学圣巴巴拉分校的戴维·格罗斯的话来说,就是“从闹剧到胜利”。量子色动力学也是盖尔曼创造出的一个术语,量子色动力学通过将夸克之间的相互作用描述为它们不断交换8种携带“色荷”的胶子,最终让夸克名声大噪;该理论还展示了夸克非常独特的一点:那就是两个夸克距离越远,它们之间的作用力就越强。格罗斯说:“该理论不但揭示了为什么质子看上去由夸克构成,而且也解释了为什么这些夸克从来不会被拉出质子的管辖疆域。”

  上述基本上就是标准模型的全部故事了。到了1973年,披头士乐队的成员们已经分道扬镳,而在接下来的一段时期内,科学家们做出了一连串激动人心的发明,使得标准模型最终成型,其中包括约束所有粒子的行为的弱电统一理论以及仅仅对夸克和胶子起作用的量子色动力学。标准模型不仅充满智慧而且非常优美。标准模型的方程式具有极端完美的对称性,不仅描述了自然界中各种力的本质和特征,也告诉物理学家们应该前往何处寻找什么新粒子。

  果不其然,新粒子在粒子对撞机的数据中逐个“显山露水”,这让理论学家们狂喜不已。上世纪60年代末,科学家们就已经在实验室获得了三个夸克存在的证据,但是,直到上世纪70年代末,美国物理学家们才推测出第四和第五种夸克粒子的存在,并最终在1995年推测出立刻第6个种“顶”夸克粒子的存在。

  到了2000年,最后一个轻子τ中微子才被科学家们收入囊中。在这场发现新粒子的战争的另一端,德国汉堡城外的德国电子同步加速器研究所(DESY)的科学家们于1979年捕获了胶子;欧洲核子研究中心的科学家们在1983年抓住了W和Z玻色子。当时光机器前进到2012年时,欧洲核子研究中心的科学家们才众望所归地发现了标准模型预测的最著名的也是最后一种粒子——希格斯玻色子。

  对于温伯格来说,标准模型的胜利之路显得非常特别。他说:“你在办公桌上用一些数学公式和概念来打发时间,然后发现,在花费了数十亿美元之后,实验物理学家们证实了这些想法,难道还有比这更加特别的事情吗?”既然如此,但是,为什么他和其他科学家并没有想象中得那么高兴呢?

 

令人惊奇的特征

  原因多种多样。有些还涉及到美学。例如,为什么粒子会被分成三代?为什么最重的夸克的质量是最轻的夸克的7.5万倍?标准模型的方程式或许非常简洁优美,但是,为了让它们具有预测中的能力,科学家们必须为其设定20多个“自由”参数,比如粒子的质量等。一个真正基本的理论,应该能够借助量子理论的力量,或者某些还没有人想到的更深层的理论,来清除这些恼人的枝枝蔓蔓。

  实际上,从技术上来讲,标准模型并没有统一强核力。弱电理论和量子色动力学只是被捆绑在一起,并不像弱核力和电磁力在量子层面上统一在一起。这也是科学家们在朝着最终获得万物之理的艰难路途上最先遇到的一个“拦路虎”。不仅如此,还不算我们之前谈到的引力,迄今为止,引力还是用广义相对论来描述的,而广义相对论显然与量子理论不合拍。既然说到了重力,为什么与其他作用力相比,重力显得如此虚弱不堪呢(两个质子间的电磁力的强度是质子间引力的1038倍)?这个所谓的“等级问题”是标准模型最令人困惑不已的特征之一。

  也有实验证据表明,标准模型并非那么尽善尽美。比如,科学家们原先假定没有质量的中子实际上却有很小的质量。这玷污了标准模型的数学一致性,但或许也会成为科学家们创建标准模型以外的新物理模型的第一个指针。更神秘的仍然是暗物质和暗能量,宇宙学家们认为,宇宙96%的成分都由这两名“暗势力”组成,不过,标准模型对其身份仍然“缄口不言”。

  面对这些沟壑,理论学家们又开始向一直行之有效的老办法求助:用新粒子和对称性来填补空白。但这一次,现实似乎不买账。目前为止,还没有一台粒子对撞机找到意料之外的奇异粒子的蛛丝马迹,即使大型强子对撞机也概莫能外,尽管该机器目前还没有达到最高能量运行的状态。温伯格表示:“极有可能,大型强子对撞机能做的就是继续验证标准模型的正确性而已。”

  那么,接下来我们应该怎么办呢?简而言之,我们并不知道。我们没有从大型强子对撞机或者其他地方得到进一步的引导,我们会发现我们自己同希腊哲学家德谟克利特当时的境遇差不多——当时,他提出物质不可能被无限制地分割,2000年以后才被实验推翻。值得我们记住的是,第一个符合德谟克利特的描述的“原子”并非整个故事的结局。尽管标准模型取得了如此巨大的成功,但是,对于盖尔曼的夸克是否会成为另外一个“原子”,我们仍然一无所知。

  迈克尔·布鲁克斯:美国知名科普作家,著有《影响物理发展的20个大问题》等书。

不顾一切地寻找万物之理

  一个最终将所有物理学理论整合在一起的大一统理论似乎还和以前一样,距离我们非常遥远——但是,这并不意味着我们应该停止追寻这个梦想的脚步。

  责备古时候的希腊人吧,一切都是他们引起的——是古希腊的一些科学家首先开始反对过去流传的种种神话创世说,提出世界的本原是一些物质性的元素,如水、气、火等,从而拉开了现代物理学研究的帷幕。责备古希腊人这一想法或许听起来足够合情合理,但是,潘多拉的魔盒一旦打开,就无法再关闭。如果我们深挖下去,我们能够揭示现实的基础:物质最终由什么组成?其一举一动受什么规则支配。如果我们再进一步深究,我们将最终获得金矿——天地万物如何运转的理论。

  在某种意义上,我们已经做得足够好了。量子理论的奇异之处或许让我们迷惑不已,但是,建立在其上的粒子物理的标准模型则将一切简化为几个基本的粒子以及仅仅三种力。广义相对论提出的时空弯曲理论,用令人惊叹的精确性描述了一个被第四种力——引力所支配的宇宙,为我们提供了另外一种看待宇宙的角度。是的,这两个理论各有千秋,但是,我们最终能找到一个将二者合二为一的万物之理吗?

  如果用这个问题询问很多物理学家,他们可能会暴跳如雷。“基本的粒子物理学已经非常完美了,就像俄国化学家季米特里·伊万诺维奇·门捷列夫制定的元素周期表一样。”英国牛津大学的科学家戴维·德驰表示,“元素周期表一直在给事物归类,而且也承认存在着一个基础结构,只是,我们并不知道这个基础结构是什么而已。”

  关键的问题是,量子力学和广义相对论从根本上而言并不兼容。一般而言,我们用相对论来描述非常大的物体,比如星星、星系乃至整个宇宙等;同时,我们则借用量子理论来阐述非常小尺度的物体,比如分子、原子、亚原子粒子等,这都没有问题。但是,为了完全而彻底地理解整个宇宙,我们必须知道微小的新生宇宙为何会变得如此庞大:追溯到大爆炸时代,就需要两个理论一起工作才行。

  黑洞的存在也需要如此。就像斯蒂芬·霍金和以色列科学家、黑洞热力学的奠基人之一雅各布·大卫·贝肯斯坦在上世纪70年代所证明的那样,黑洞这样符合广义相对论的庞然大物或许会破坏被量子理论所禁止的信息。

  即使像时间和空间这样基础的事物也会告诉我们,当量子理论和广义相对论相遇时,情况会变得多糟糕。相对论的时空是一个平滑的四维毯子;而作为标准物理模型基础的量子场理论则表明,时空是由大小约为10-35米的像素点单元所组成,量子场论甚至并不将时间看成是真实且可观察的事物。

  当物理学家们被要求在量子理论和广义相对论之间做出一个选择时,大多数物理学家可能会将钱压在量子理论那边,他们认为量子理论是“对”的,因为量子理论的数学基础是一个非常成功的棱镜,让科学家们得以纵观整个世界。当然,也有些人继承了爱因斯坦的衣钵,对量子力学看起来的“不现实性”、怪异性以及表面不相关的物体之间反常识的联系提出了质疑。这些科学家们认为,如果我们不能为这些联系为什么会如此找到令人信服的物理原因,量子理论或许只是某些更好的理论的近似。

  科学家们试图打破这一僵局,为此,他们提出了一些受到广受支持的数学概念,诸如对称等。其中之一就是超对称,科学家们普遍认为超对称是通往弦理论的一站,弦理论也是科学家们认为可以成为万物之理的候选理论。弦理论预测,空间中隐藏着其他我们目前还没发现的额外维度,诱发对称性嵌入这些维度会让能量弯曲成几何状态,这些几何形状看起来就像某些基本粒子,或者像空间遇到质量时发生弯曲的方式。

  弦理论也对粒子进行了很多可靠的描述,其中包括科学家们一直在努力追寻的引力子——一种携带引力的量子粒子。因此,弦理论只需几步就能在量子理论的基础上,将自然界中的四种作用力统一起来。但是,与其他为万物之理而提出的架构一样,弦理论也存在着巨大的缺陷。美国亚利桑那州立大学的科学家保罗·戴维斯表示:“弦理论确实预测了新事物,但是,在可见的未来,科学家们几乎无法测试它正确与否。”

  荷兰内梅亨大学大学的雷纳特·洛尔表示,这种无能为力意味着万物之理或许根本就无法获得。英国帝国理工学院的克里斯·依沙姆表示:“过一段时间,你看会在报纸上看到万物之理,此时,弦理论正当盛年,但是,它也会完全过时,走进历史的故纸堆中。” 依沙姆认为,从心理上来讲,万物之理“非常令人振奋”,但是,我们并没有理由认为万物之理确实存在,或者我们能发现它。我们已经利用数学做出了如此众多的科学发现,这的确令人惊叹,但是,这并不意味着我们能继续沿着这条路前进,并做出更多重大发现。

  德驰认为:“数学只能揭示抽象对象的真相。而物理学与其说是试图研究这些对象,还不如说是发现哪个对象更符合现实。据我们所知,迄今为止,我们用来构建物理学理论的纯数学的比例非常小。”

  例如,粒子和场以及空间和时间之间的所有关系都能用一系列可在图灵机(图灵机是我们目前广泛使用的计算机的基础)上计算出来的数学运算表示出来。但是,德驰指出,为了在获得万物之理这条路上取得进步,我们可能需要进入一些目前无法由计算机计算出来的数学领域。

  而且,德驰进一步表示,我们必须摒弃过去几个世纪里已经让我们取得巨大进步的一个想法,那就是,如果我们从数学开始进行研究,现实也会跟着数学方法走。相反,我们必须首先用我们对物理宇宙的理解来解决问题,也即宇宙中的物质正在慢慢减少,或者为什么引力比其他作用力更加微弱等;另外,我们也要尽力弄清楚,我们的宇宙观发生什么变化才能解决这个问题。德驰指出:“很多理论物理学家们试图首先用数学方法开始,但这根本无济于事,永远不会成功。”

  万物之理值得我们如此劳心费神吗?戴维斯认为,是值得的,只是我们必须清楚,即使万物之理——至少物理学家们如此定义它,也可能无法解答所有问题。戴维斯说:“万物之理将有助于我们揭示生命的起源或者意识的本质这样的问题。”美国哈佛大学的理论物理学家丽莎·蓝道尔也是粒子物理学和宇宙学领域的权威。她则说得更加直接。她说:“即便我们最终知道了这个作为基础的理论,那么,我们打算如何解释我们的存在这个事实呢?”

  或许,推动科学家们持续不断地进行研究的最大动力并不在于我们最终会获得什么结果,而在于我们沿着哪条道路会达到这一目的。我们最大的、最能让生活发生翻天覆地变化的科学探索的动力来源是,我们希望让物理学变得更简单并将我们对自然界的各种纷繁复杂的理解整合在一起。比如,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将我们对电和磁的理解统一在了一起,为有史以来最现代化的技术——信息技术提供了理论基础;爱因斯坦则用简单的方程式E=mc2将与质量和能量有关的概念集成在一起,引领人类进入核时代并获得其他高新技术。“从历史的角度来看,科学家们的努力探索都会给我们带来一定的成果,引导我们前往一个更现代化的社会。”戴维斯如是说。

  但戴维斯同时也强调,对于任何仅仅因为一己之私追寻万物之理的人来说,最终都可能面临着铩羽而归的风险,而且,这些人也面临着和19世纪晚期那些认为物理学已经完整的人犯同样错误的危险。戴维斯强调说:“你或许会提出一些不可思议的想法,然后庆祝这是人类文明史上的一次巨大进步,但总有人会提出更好的想法。”

     (中国科技网)

 

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