科學大家|溫伯格的第三次沉思:發現的藝術

2022年02月25日09:42

  作者:斯蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)

  出品:新浪科技《科學大家》 中信萬物

  斯蒂芬·溫伯格(1933—2021)是美國著名理論物理學家和科學傳播大師。因提出弱相互作用和電磁相互作用的統一理論,他分享了1979年諾貝爾物理學獎,被譽為“標準模型之父”。除了科學研究的工作之外,他致力於向公眾進行科學傳播,也熱衷於評論美國社會與科研有關的各項政策議題。

  以下內容節選自中信出版社的《第三次沉思》(Third Thoughts:The Universe We Still Don’t Know)

  柏拉圖認為,只需要思考就能發現世上的一切。在《法律篇》中,有一次關於天文學的有趣的討論。柏拉圖承認,天文學家們偶爾看看天空可能是有益的,但這隻是為了集中注意力,就像數學家證明幾何定理時可能畫一畫示意圖來集中注意力一樣。但是在科學中,真正的發現工作就像在數學中一樣,應該是純粹智力的。就像他在很多其他事情上一樣,柏拉圖在這一點上弄錯了。

  英格蘭國王詹姆斯一世任內的大法官——弗朗西斯·培根,則持有另一個極端的觀點。科學在當時剛剛開始引起公眾的興趣,培根講了很多關於科學的內容。他認為,科學工作是純粹經驗性的,必須以一種不帶目的性的廣收博蓄、不帶成見地去做實驗和研究關於自然的可能的一切,真相才會逐漸浮現。他同樣弄錯了。

  幾百年來,我們瞭解到的真相是,科學發現依賴於理論與實驗或觀測之間的互動,兩方面缺一不可。必須要由理論指導實驗,這樣的實驗才有意義,並且實驗結果才能被解讀。實驗也是必需的,它不僅僅是證實或者反駁理論,而且會啟發理論。兩者不可分割地結合在一起。

  儘管如此,在某些領域,尤其是我自己的領域——基本粒子物理學,科學家的這兩種身份卻已經截然不同。理論物理學和實驗物理學的要求極高且專業化,在恩里克·費米之後,實際上就再也沒有人能同時身兼理論學家和實驗學家兩種身份進行有效的工作。我是一個理論學家,所以關於發現的藝術,我只能給你們提供從理論出發看到的視角。

  作為理論學家,眼前的謎團令我們受到啟發。有時候,這些謎團是由實驗發現提供的。有一個經典的例子,19世紀末,實驗科學家們試圖測量地球的運動對光速的影響。地球以每秒30千米的速度繞太陽公轉,光速約為每秒30萬千米,所以人們曾以為,光速應該有大約1%的變化取決於是冬天還是夏天,因為這兩個時間地球的運動方向相反。人們那時還認為光是被稱為以太的介質的一種震動,並且即使假定太陽繫在以太中運動,地球也不可能在夏天和冬天都相對於以太保持靜止。人們探尋地球運動的影響,卻一無所獲。這向物理學家們提出了一個可怕的難題,它(和其他一些難題一起)最終啟發愛因斯坦發展了一種新的時空觀,也就是相對論。

  然而有些時候,啟發我們的難題是來自物理理論內部的。比如在20世紀50年代後期,我們顯然有了一個關於弱核力的理論,能很好地解釋所有現有的相關實驗數據。(弱核力引起一種放射性,在這種放射性中,原子核內的粒子,比如中子或質子,變成另一種粒子,即質子或中子,並釋放出一個快速電子。在為太陽提供熱量的反應鏈中,正是這種力推動了第一步反應。)關於弱核力的實驗沒有給我們帶來任何疑難。但當這一理論延伸到由於技術原因尚未被觀察到的其他過程時,問題就出現了。(這類過程之一是被稱為中微子的一種相互作用很弱的粒子與其他中微子的碰撞,我們可能永遠無法觀測到這個過程。)

  當在這些過程中應用弱相互作用的理論時,得出的結果是無意義的,它給出的概率是無限大。這一結果並不是對自然的深刻說明,而是荒謬的。很明顯,我們需要一個新理論,這個理論既能保證先前理論的成功,又不會對完全合理的問題給出無意義的答案,即使這些問題涉及的是以前沒有做過的且可能永遠不會做的實驗。我和其他理論學家在20世紀60年代研究過這個問題,最終發現了這樣一個理論。結果它不僅僅是關於弱核力的理論,而且是關於弱核力與我們更熟悉的電磁力的統一理論,還預言了一種新的弱核力,後來在高能實驗中發現了這種新的力。但是,並不是實驗驅動了這一理論。

  有時候我們的困惑在於,一些理論和所有觀測相符,也沒有任何內在的矛盾,但因為其中有太多隨意的特徵,所以明顯不令人滿意。實際上,我們現在的處境就是這樣。現在我們有一個理論,它既涉及強核力(將夸克集中在原子核之內的粒子裡面),也涉及電磁力和弱核力。這一理論被稱為標準模型,它解釋了我們在基本粒子實驗室里能夠測量的一切,並且在我們想做任何計算的時候,它給出的都是有限且合理的結果。

  然而這一理論並不令人滿意,因為它的太多特徵都是我們為了符合實驗結果而不得不去假設的。比如,標準模型有6種被稱為夸克的粒子。為什麼是6種?為什麼不是4種或者8種?不知道。它們為什麼具備現有的性質?這些不同類型的夸克中,最重的比最輕的重了大約10萬倍。我們並不知道質量的差異來自哪裡,只是為了與實驗相適應,必須選擇這些值。這一切並沒有什麼矛盾之處,這個理論也與觀察相符,但我們顯然還沒有找到最終的答案。

  還有一個不能故作不見的明顯缺陷:沒有提到萬有引力。我們確實有一個相當不錯的引力理論,即愛因斯坦的廣義相對論,它對我們所能做的所有觀測都非常有效,但應用於極端能量時,卻給出了荒謬的結果。在實驗室裡實際上是無法構成這些能量的,但我們可以將它們納入考慮。當我們這樣做的時候,萬有引力就成為另一個謎團。

  20世紀70年代以來,我們一直處於這樣一種境地:我們有一種具有太多任意特徵的關於弱力、電磁和強力的理論,還有一種不能擴展到極高能量的引力理論。我們被困住了,因為沒有來自基本粒子加速器的新數據喂給我們的想像力,從而解開這類謎團。原因之一是美國國會決定不在得克薩斯州建造那架大型加速器—超導超級對撞機。

  在歐洲,有一個加速器於2009年開始運作,我們期待著它會傳來好消息。它被稱為LHC。LHC是一條周長約27千米的環形隧道,位於法國和瑞士的交界處,距離地表150多米。在這條隧道中,兩束質子將以相反的方向穿越法國和瑞士邊境,一圈又一圈地運動數百萬次,它們逐漸加速,直到最後迎頭相撞。我們希望能夠通過研究碰撞中發生了什麼,發現新的事物,這些事物要麼幫助我們解決現有的謎題,要麼給我們帶來新的有用的謎題。

  就在2009年年底,人們觀察到了這樣的兩個粒子束之間的首次碰撞。目前的能量還沒有高到足以讓我們瞭解任何新東西,而且粒子束中也沒有足夠的粒子讓我們感興趣的碰撞的發生概率足夠大,但我們在未來幾年對LHC寄予厚望。

  就像我說過的,我是一個理論學家。我並不在LHC工作。2009年7月我去到那裡,並且看到了4個巨大的粒子探測器之一,這4個探測器位於環形隧道附近的不同位置,粒子就在這些地方碰撞。我參觀的探測器叫作ATLAS,確實令人印象深刻。如果你回想一下我們昨晚所在的舞廳,想像它向一側傾斜,ATLAS探測器所在的房間就是那樣的。我當時真有一種置身大教堂的感覺。

  那些將會使用LHC的實驗科學家們依賴的技巧是我掌握不了的,但我對他們所做的工作確實有很大的興趣。我希望他們的發現能讓我們擺脫幾十年來的消沉。比如,有一種極有吸引力的對稱原則,叫作超對稱。在過去30年里,它已經佔據了很多理論學家的注意力。目前還沒有找到證實它的絲毫的證據。(可以說有一絲,但是不大。)我們希望LHC可以產生出超對稱理論預言的新類型的粒子。天文學家們說,組成了宇宙5/6質量的是所謂暗物質。而超對稱理論預言的粒子之一—如果存在的話—可能具有正確的性質,可以組成暗物質。(不應該將暗物質與更令人困惑的暗能量混淆。不幸的是,LHC可能不會告訴我們關於暗能量的任何事情。)如果探測到這些粒子,我認為那將會是柏拉圖式物理學的勝利。我們只需要拭目以待。

  所以我們現在正處於基礎物理學歷史上的分水嶺時期。在20世紀六七十年代,理論和實驗曾卓有成效地相互促進,之後這一作用消失了。我們最希望的是兩者之間不可分割的相互促進作用將重新開始。

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