|
作者：李春生丨@一只大象x西风歪马（书房记专栏作者） 近来，一篇《杨振宁的最后一战》文章成了热点。奇怪的是，作者醋醋同学放过了始作俑者粒子物理学，却把一个'帮凶'——弦理论当成了'罪魁祸首'。 问题是，粒子物理学是个什么鬼？ 粒子物理学的定义：是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。 高能物理学又是个什么鬼？ 高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学，它是物理学的一个分支学科，研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质，和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。所谓的高能就是通过加速原子以及亚原子粒子的碰撞来发现构成原子的物质形态和相互作用机制。通过高能撞击，发现新的物质，构建了一个粒子标准模型。高能物理事实上是粒子物理学发现微观世界的方法。 我们来捋顺一下关系。高能物理属于粒子物理学，粒子物理学属于量子力学。事实上，粒子物理学就是量子力学，量子力学就是粒子物理学。粒子加速器是量子力学发现微观世界奥秘的工具。应不应该建粒子对撞机本应是量子力学的事儿，为什么醋醋的《杨振宁的最后一战》矛头对准的却是弦理论呢？我们还是了解一下粒子说的前世今生吧。 古希腊人认为物质的最小构成单位是'原子'构成。德谟克利特认为，用一把最薄的刀片切割面包，最终一定会分离出最小的面包块——粒子——'原子'。问题是，空气中飘浮着看不见、摸不着的香味儿是事实存在的，和放进口中的面包的味道是一样的，它们是'原子'吗？什么样的刀片切割出最基本的'原子'呢？ 随着科学的发展，人们发现原子并不是物质的最小构成单位，原子由更小的单位构成。按照波动说的经典电动力学，辐射是不同的电磁波。按照粒子说，辐射是不同的粒子。问题是，构成原子的物质也是一种粒子还是波呢？如果构成原子的物质也是一种粒子，那么如何发现这些更小的'基本粒子'呢？ 打开原子的果核 1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊发现阴极射线可以被磁力偏折。他认为这些阴极射线不是以太波，而是带负电的物质粒子——电子，这是发现的第一种'基本粒子'。 1919年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福发现用α粒子轰击氮核的实验时，从氮核中打出了一种粒子。把这种粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定它就是氢原子核。它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。 1932年英国物理学家查德威克发现了中子。 通过质子、中子和电子的发现，人们认识到原子核是由质子、中子和电子构成。随着观测技术的进步，人们隐约发现质子和中子内部也是有几个粒状物质构成。怎样分离出怎样分割出最基本的'粒子'呢？ 人类的方法是敲开这个原子的'果核'，敲碎'粒子'看看会得到什么碎片。于是，各式各样的粒子对撞机出现了，随着功率的不断加大，这些建造工程难度也越来越大，也越来越昂贵，随着不断的撞击，越来越多的'碎片'被'制造'出来。1950年代和60年代中许多新的'粒子'被发现，它们被统称为'粒子动物园'。粒子标准模型由此建立。 标准模型理论（SM）是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，以杨（振宁）-米尔斯方程为核心（请注意！！！下一篇文章解读），又称为规范对称场论。 原子是一个奇怪的果核，敲碎了一层，下面还有一层。每一层都是一个未知的领域。除了质子、中子和夸克之外，其他通过撞击而得到无数种转瞬即逝的'粒子'带给我们更多的是困惑。是什么力量将质子、中子和电子束缚在原子核中呢？这种力是什么？力是一种物质实体吗？ 按照粒子说的思路，宇宙中的各种基本作用力也是不同的粒子——信使粒子来传递，称作玻色子。 玻色子有： 胶子- 强相互作用的媒介粒子，有8种 光子- 电磁相互作用的媒介粒子，1种 W 及 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，有3种 引力子 –引力的作用媒介粒子，1种 构成物质的基本粒子称作费米子。分为三个'世代'。第一代包括电子、上及下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来，会在短时间内衰变成第一代粒子（请注意！）。每一代的粒子唯一的分别就是它们的质量。 标准模型中62种基本粒子。好像它们本来就在那里等待我们发现一样。但是，事实并非如此。除了质子、中子、夸克、电子和光子，其他费米子和玻色子这些所谓的粒子在自然界中并不存在，它们都只是由高能量实验中制造出来。也就是说，粒子加速器'发现'的'粒子'在客观世界里根本就不存在！还有，粒子标准模型竟然无法发现本应无处不在的引力子，一个无法解释引力的理论还算是一个自洽的理论吗？ 我们知道，物理理论的建立为解释客观世界而存在，如果这些理论由数学推导而建立，用实验来验证。但是，当这些实验的验证与客观世界无关，这些所谓的实验验证根本就不能算作经过了实验验证！所以，现在的量子力学完全脱离了客观现实。 有趣儿的是，这篇文章的矛头并没有针对量子力学、粒子物理学和的高能物理学，而是将矛头对准了大多数人并不熟悉的弦理论。拿弦理论来出气！这是怎么回事儿呢？这就好比毛驴干错了事儿，鞭子却抽到了猪身上。 真相会让人惊掉了下巴。真相之一是：弦理论其实也是一种量子力学！ 绝大多数人不知道的是，同量子力学一样，弦理论也是一个解析光、电子和亚原子粒子的微观理论，弦理论和量子力学的研究领域完全重叠。 弦理论认为宇宙的基本构成要素不是点粒子，而是有点儿像橡皮筋的上下振动着的一堆丝线。 [B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科学技术出版社，2007年，第136页]。 依照弦理论，一个基本'粒子'的性质——它的质量和不同的力荷——是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。弦与粒子质量的关联很容易理解。弦的某个振动模式的能量取决于它的振幅（峰谷的最大相对位移）和波长（相邻两个峰或谷之间的距离），振幅大的和波长小的，能量较大……大能量意味着大质量，大质量也就是大能量。质量较大的粒子所具有的弦振动较剧烈，质量小的粒子所具有的弦振动较轻柔。［B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科学技术出版社，2007年，第136页~144页。 它（弦理论）宣布所有物质和力的'基元'都是相同的。每个基本粒子都由一根弦组成，一个粒子就是一根弦，而所有的弦都是绝对相同的。粒子之间的区别是因为各自的弦在经历着不同的共振模式。[B·格林，《宇宙的琴弦》，第145页] 我们以后还是继续习惯地讲基本粒子，不过它的意思总是'一根根振动的弦'。[B·格林，《宇宙的琴弦》，第146页] 量子力学有一个粒子的标准模型，弦理论也构建了一个弦的标准模型，粒子标准模型中的每一种粒子都有一个不同振动模式的弦一对一地替代。例如标准模型有引力子，弦理论也有相对应的引力弦。事实上，弦理论是一种地地道道的量子力学，即弦理论是一个认为量子是弦的量子力学。换句话说，弦理论想要构建一个终极理论，事实上，弦理论的建立就是来替代量子力学的。因此，粒子学家们非常反感和排斥弦理论，认为它根本算不上一个物理理论。 弦理论怎么'掺和'到粒子加速器项目的呢？ 弦理论认为：弦是真正基本的东西——是古希腊人的'原子'，在古希腊人本来的意义上，它就是不可分的基元……弦就是弦，没有比它更基本的东西，所以不能把它描述成由别的任何物质组成的东西……除了开弦，还有一种闭弦。这些闭合的弦一般是普朗克长度的尺度，大约是原子核的1万亿亿分之一……即使在亚原子粒子的尺度上看，弦也实在太小太小了，我们需要用加速器来把物质的能量比以前做的提高大约1000亿倍，才能直接解释他们是弦而不是点粒子。[B·格林，《宇宙的琴弦》，第141页] 问题很清楚，志在统一量子力学和相对论的弦理论当然要和量子力学一样砸开原子的'果核'，方法同样是撞击。 还有一个问题。根据粒子标准模型，物质的来源不是由更小的有质量的粒子构成，而是由无质量的上帝粒子——希格斯粒子通过相互作用构成。粒子学家们声称，发现了上帝粒子，微观世界的奥秘就能解开。 2008年，欧洲核子研究组织CERN的至今为止世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞器（LHC）开始运作。粒子学家们声称CMS实验证实了希格斯粒子的存在。问题来了，微观世界奥秘的解开了吗？但是并没有！打脸啊！事实上，量子力学陷入了困境。 出路在哪儿呢？ 既然量子力学和弦理论的思路相同，那就没有理由不放下分歧合作发展，于是，粒子学家和弦学家这两个'死对头'开始合作了。所以才有了弦理论学者四处活动，'忽悠'各国出钱出力建设粒子对撞机（弦学家们一般称之为加速器）。 到底存在几种量子力学呢？ 我们一直认为量子（光、电和亚原子粒子）具有波粒二象性，量子既是粒子，也是波。但是，当弦理论于20世纪80年代横空出世以后，这个答案早已经过时了。弦理论认为量子既不是粒子也不是波，而是不同振动模式的弦。因此，目前的量子不再是具有波粒二象性，而是具有了波、粒、弦三象性。尴尬的是，对同一只动物，我们能说它是鹿，是马，又是驴吗？ 事实上，还有一种量子力学。 我们知道，经典物理学有解析光的经典光学和解析电子的经典电动力学，还有解析亚原子粒子的核物理学，这三个理论解析的对象都是量子，因此，都可以称之为量子力学。也就是说，经典物理学的量子理论是一个认为量子是波的量子力学。事实上，经典物理学是一个涵盖了宏观和微观领域的综合理论。 问题来了，如果经典物理学和弦理论都是量子力学，那么，现在的量子力学又是什么理论？ 我们知道，当今的为什么量子学家们都自称为粒子学家，事实上，目前所谓的量子力学只是一个认为量子是粒子的粒子物理学。 问题是，在微观领域存在经典量子理论、弦理论和粒子物理学三个完全不同的量子力学；在宏观领域，存在经典物理学、狭义相对论和广义相对论三种理论。哪一种理论正确呢？理论物理学如何走到今天的混乱局面的呢？ 更大的加速器能够发现微观世界的奥秘吗？ 事实上，没有人能够回答这个问题。我们可以参考一下一些物理学家的观点。 弦理论学家们认为：如果没有很大的技术突破，我们永远不可能聚焦到能直接看到一根根弦的小尺度上来，物理学家们可以用几英里大的加速器探测100亿亿分之一米大小的尺度。探测更小的尺度需要更高的能量。这意味着把能量聚集到单个粒子的机器，也应该更大，由于普朗克长度比我们今天能达到的最小尺度低17个量级，用今天的技术，要银河系那么大的加速器才能直接看见一根一根弦。实际上，特拉维夫大学的努辛诺夫（Shmuel Nussinov）已经证明，这个基本的直观尺度的粗略估计似乎太乐观了，他更详细的研究表明，我们需要的加速器该有整个宇宙那么大。'［B·格林，《宇宙的琴弦》，第217页］ 请注意，《宇宙的琴弦》的作者格林正是积极为超级加速器游说的那位格林先生。 回到最初的问题，为什么醋醋的《xxx的最后一战》矛头对准的不是量子力学而是弦理论？ 原因很简单，没有人敢质疑伟大的量子力学和相对论，凡是质疑这两个理论的人都被贴上'民科'的标签。所以，只敢将矛头指向没有几个人了解的弦理论。 因为没有人敢于质疑量子力学，所以，没有几个人意识到，杨先生的反对，意味着他质疑的是量子力学，更没有几个人意识到他质疑量子力学意味着他否定了自己一生的理论成果。 尤瓦尔·赫拉利指出：'尊重知识、听取学者意见很好，但发展到崇拜任何人的程度都很危险，包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威，他（她）自己都可能信以为真，进而变得骄傲自大，甚至陷入疯狂。对追随者而言，一旦他们信奉某人为权威，便会自我设限，停止努力，只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的，他们也会通盘接受。' 我们面对（科学先贤们）不朽的理性群碑，也就是面对永恒的科学灵魂。在这些灵魂面前，我们不是要顶礼膜拜，而是要认真研习解读，读出历史的价值，读出时代的精神，把握科学的灵魂，我们要不断地吸取深蕴其中的科学精神，科学思想和科学方法，并使之成为推动我们前进的伟大精神力量。［牛顿，《自然哲学之数学原理》，弁言第5~6页］科学的精神是什么？那就是敢于质疑权威的勇气和对一切事物保持好奇的眼光。智慧从怀疑开始，真正的科学精神是理性、怀疑、批判和实证。终极理论不会是一个全新的理论，它就藏在现有的理论之中，当我们以客观逻辑为工具，就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。 先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧，他们点亮了一个又一个灯塔，指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确，也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误，那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。 我们应当时刻提醒自己，批判性思维是我们避免误入歧途的重要保证。我们身处在同一个宇宙，所以，我们只需要一种可以解析所有疑惑的物理理论，这个物理理论必须没有逻辑矛盾和逻辑缺陷，可以完美的描述我们这个宇宙的运作细节，并以此为基础展望宇宙的未来。真相总是朴实的，真理总是简洁的。有时，对有些问题，我们并不缺乏揭示真相的能力，更多的时候我们缺乏的是面对事实的勇气。 |
|
|
