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第三次沉思(上)

 徒步者的收藏 2022-06-01 发表于陕西

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[美]斯蒂芬·温伯格 著
秦麦 孙正凡

推荐序一 哲人已逝,怅何如之

7月24日早上,我收到何红建教授寄来的一封信,很惊讶地得知当代最伟大的粒子物理学家斯蒂芬·温伯格去世的消息。两个多月前,他接受我的邀请,在网上作了一个高能物理学的专题演讲,他虽然老迈,但是他的讲话仍然展现出一代大师的风范,使人景仰!
我在很多年前就已经认识温伯格教授。约在1979年秋天时,哈佛大学数学系邀请我去哈佛大学访问,主要是想谈聘请我做教授的事情,因此我和当时哈佛大学文理学院的院长有不少交流。刚巧瑞典皇家科学院宣布诺贝尔物理学奖将颁发给三位物理学家,其中两位是哈佛大学物理系的教授温伯格和谢尔顿·李·格拉肖。文理学院院长说他早上在剃胡子时听收音机,听到得奖名单时,以为只有另两人的名字,欠了温伯格,他一急之下,胡子刀割破了脸。可见哈佛大学多重视温伯格教授。
我那次没有接受哈佛大学的聘书,过了三年,院长亲自飞往我家重新谈聘请的事情。当时得克萨斯大学奥斯汀分校正在极力争取温伯格教授去得州。院长告诉我,报纸都说得州人以橄榄球队教练的薪水聘请温伯格,他们不知道,我们哈佛大学聘请教授的薪水高过我们球队教练的薪水。但是温伯格教授在1982年还是去了得州;我本人则留在普林斯顿高等研究院,直至1987年到哈佛大学任教。
1986年秋天,得克萨斯大学也以重金要礼聘我做讲座教授。我带了十五个学生访问得州半年,这时我和温伯格教授有了比较多的接触。他常常带着一群物理学专家吃午餐,也邀请我参加。当时弦理论刚开始,他的手下能员众多,我和我的学生们都受益良多。他对于我做的广义相对论的工作也有着浓厚的兴趣,尤其是我和孙理察提出的关于黑洞形成的机制。他本人也是广义相对论的专家,写了两本和广义相对论有关的好书,其中一本《最初三分钟》讨论宇宙形成时头三分钟的状况,真知灼见,使人叹为观止。
前尘往事,犹历历在目,如今哲人已逝,怅何如之!
丘成桐
美国国家科学院院士、哈佛大学教授、清华大学教授
2021年7月24日
本文刊载于《数理人文》,波士顿国际出版社出版

推荐序二 深刻与直白,历史与当下

1979年我考入了清华大学,入学不久就听说温伯格教授获得了当年的诺贝尔物理学奖。聊天的时候听同学提到了温伯格的《最初三分钟》,我就去图书馆借了一本,不记得当时有没有读明白什么,甚至都不记得当时借的是中文版还是英文版的,说不定还是影印版的。为了写这篇短文,我上网查了一下,简体中文版在1981年第一次出版,不过清华大学的图书馆当时也有台湾和香港出版的很多书,所以也有可能我借了台湾或者香港出版的繁体中文版。1984年,我考入中科院高能物理研究所读研究生,听到有一位老师说,从《最初三分钟》就可以看出温伯格是理论物理学大师,获得诺贝尔物理学奖一点都不意外,这是我第一次听说从科普书能够看出作者的学术水平。那时候我对理论物理一窍不通(今天可能更不通),赶紧去书店买了一本,读起来就被震撼了!后来温伯格的每一本科普书我都读过,除了金庸的武侠小说,我读的最多的就是温伯格的科普书。如果有人让我推荐科普书,我推荐的单子上必有温伯格的著作。前段时间,我在微信朋友圈里一位朋友的帖子下,就评论了温伯格是最棒的科普作家。
读温伯格的科普书,不会让读者直接变成物理学家,但是可以让读者欣赏科学,欣赏科学的追求,科学的逻辑,科学的美。即使是对于从事科学研究的人来说,读温伯格的科普书也会有茅塞顿开的感觉,反正对我是这样,我从温伯格和2017年的诺贝尔物理学奖得主基普·索恩的科普书里都理解了不少我以前不理解的科学,甚至还受启发找到了一个广义相对论的小小研究课题,这个课题算是我的一个业余爱好,已经持续做了十几年,发表了几篇论文,现在我还在不断地思考,估计还可以继续做很多年。
那么温伯格的科普书到底好在哪里?我觉得是深刻与直白的和谐统一。他讲的主题都是极为深刻的,宇宙的起源与演化、物质最深层次的结构和规律、物理规律最终的统一,但是他用的语言却是直白无华的,没有晦涩难懂的理论,更不用让人“一脸蒙圈”的数学,逻辑清晰,文字简洁,体现了理论物理大师的“简约”审美观。而按照温伯格对哥白尼提出的日心说的解读,日心说正反映了哥白尼的“简约”审美观,与此相比,托勒密的“地心+本轮”说则是极为复杂。去繁化简是物理学在认识自然的过程中去伪存真的主要精髓之一,大道至简正是这些大师的追求。
我喜欢读温伯格的书,一个重要的原因是我可以学到历史和历史观。我在一篇科普文章里面提到,是伽利略发明了天文望远镜之后,用他的望远镜所做的一系列精确观测,给地心说的棺材敲上了最后一颗钉。杂志社的编辑给我来信说,我的这个说法和科学史界的共识不同,科学史界普遍认为,是牛顿推导出来了开普勒三定律,终结了地心说。我回信说,我的这个说法来源于温伯格的论证。杂志社最终同意了我在文章里面保留这个说法。温伯格解读科学史采用的是辉格史观,也就是根据对今天的科学的影响来理解和评价科学史的人物和事件,我特别认可。也正是这个逻辑,尽管其他文明在历史上也有和古希腊类似的一些早期科学的学说(比如中国古代的阴阳五行就与亚里士多德的四元素说有类似之处),但是最终对于今天的科学真正发生了实质影响的是古希腊文明。我在我的拙著《极简天文课》里面把天文学史概括为人类认识宇宙的七次飞跃,就是采用的辉格史观。
实际上,在中国文化的观念里面,恐怕辉格史观是占主导地位的,我们评价历史人物或者历史事件的时候,一方面不可避免地会用我们今天的价值观做判断,另一方面我们更加重视历史对今天的影响。如果不考察历史和当下的关系,我们恐怕难以梳理清楚人类的思想史、文化史、文明史等历史。除了这些我们通常从当下去解读去理解的历史,历史还剩下什么呢?我们评价某个人物或者事件有“深远的历史影响”,不正是辉格史观的表现吗?历史与当下的关系,温伯格认识得非常清楚。然而,温伯格采用辉格史观,却广受历史学家(包括科学史家)的批评。温伯格就在这本书里对他为什么采用辉格史观做了逻辑清晰的论述,很值得读。
并不是温伯格的所有观点我都赞同,比如他反对载人航天,我就不赞同。我在美国生活和工作了二十多年,我认为载人航天带给美国人、美国社会甚至全世界青少年的,绝不是直接的科学、技术甚至商业的回报所能够测算的。同样,中国的载人航天对青少年的激励和带给我们中国人的文化自信的价值都是不可估量的。尽管如此,温伯格反对载人航天的理由也非常值得我们仔细思考。
张双南
中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、中国科学院大学教授
2021年11月28日

推荐序三 了解和理解世界

斯蒂芬·温伯格教授是当代最杰出的理论物理学家之一,对量子场论、粒子物理和宇宙学做出很多贡献。1967年,他提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论,后来被称为电弱统一理论,成为粒子物理标准模型的一部分。他因此分享了1979年诺贝尔物理学奖。
温伯格于1954年获得康奈尔大学学士学位,1957年在普林斯顿大学获得博士学位。1972年,他成为哈佛大学尤金·希金斯讲座教授。1982年以后,他是得克萨斯大学奥斯汀分校的杰克·S. 乔西——韦尔奇基金会讲座教授。
温伯格也是最吸引读者的、最受尊重的、杰出的科学传播大师之一。因为写作上的成就,他获得1999年刘易斯·托马斯科学写作奖和2009年詹姆斯·乔伊斯奖。他于2020年获得的科学突破奖特别奖除了“奖励他对基础物理持续的领导,对粒子物理、引力和宇宙学的广泛影响”,也奖励他“对广大公众进行科学传播”。
温伯格做过很多公众演讲,写过很多科普文章和杂文,出版过很多书,涉及面极广,包括天文学、宇宙学与物理学、物理学家、科学史、还原论、科学论战、公共事务、政治、宗教、给学生的建议、个人经历,等等。
温伯格1977年出版畅销书《最初三分钟》,为大爆炸宇宙学在科学家和公众中的传播起到了历史性作用。1982年,他又出版了《亚原子粒子的发现》,内容来自他此前的两年中在哈佛大学和得克萨斯大学奥斯汀分校的两次物理学史课程。他在序言中指出,20世纪物理学的发现已经是文化的一部分。
1986年,费曼和温伯格在剑桥发表了纪念狄拉克的演讲,两人的演讲分别是“反粒子的理由”和“寻找物理学的终极定律”,被汇集成《基本粒子和物理学定律》。
温伯格将后来的公众演讲和报刊文章汇编为三本文集——《仰望苍穹》、《湖畔遐思》以及这次的《第三次沉思》,基本对应他2000年之前、2000—2008年和2009—2018年三个时期的作品。用他自己的话说,他的演讲和文章清晰展示了他作为“理性主义者、务实者、还原论者,以及虔诚的世俗之人”的思想。
温伯格仅在1978年访问过中国。2020年,我邀请温伯格,于10月24日通过中国科学技术馆的平台,做了一次面向全网直播的公众演讲,题目是“极大和极小”。我担任现场翻译,也和他进行了对话。这是他第一次面向中国听众的公众演讲。
活动开始时,我特意向观众展示了一本《第三次沉思》英文版图书,并问温伯格教授,书名的意思是不是“第三本文集”,得到了肯定的答复。
最后,温伯格寄语中国的公众,特别是青少年,总结了他几十年工作中的心态——
作为一位物理学家,回顾20世纪50年代开始的几十年工作,那是非常大的乐趣。时不时发现一个理论想法,促成开展证实这个想法的实验,或者解释已知但似乎奇怪的东西,这是多么令人激动。但并不总是这样愉快,很多时间花在了行不通的想法上。我经历的失败多于成功,这在科学工作中是典型的。但是少数的成功弥补了其他的不成功。所以要坚持工作。
我很高兴现在将这段话转达给这本书的读者,也很高兴向大家推荐《第三次沉思》这本文集。
与前两本文集一样,温伯格的很多散文起源于演讲,然后写成文章,多半发表在《纽约书评》上。所以我们现在读这些文章,就像在听温伯格娓娓道来,不知不觉,增加了对于世界的很多方面的了解和理解,特别是对于科学,也促进我们去思考这些问题。
这本书被粗略分成四个方面:科学史、物理学与宇宙学、社会观评和个人遐思。
我先介绍一下“科学史”部分里的几篇文章。
阅读《天文学的用处》,就像当初游船上的听众,听温伯格发表这个演讲,了解从古至今天文学与人类文明的关系,二分二至这样的生活知识,以及天文学对于海上航行的用处,等等。这篇文章后来成了《给世界的答案》一书的第六章的基础。
在《发现的艺术》中,温伯格向各种背景的听众解释物理学家怎么做研究,怎么发现研究的问题所在,以及现在粒子物理实验的情况。
如标题所显示,《始于卢瑟福的粒子物理发展史》介绍了从卢瑟福发现原子核开始,粒子物理的发展历史。而《标准模型的兴起》介绍了宇宙学标准模型和粒子物理标准模型这两个标准模型的发展历史,强调了这两个领域的关系和融合趋势。出于谦虚,温伯格没有提起,这两个“标准模型”之名都是他起的。
《长的时间和短的时间》是温伯格为另一位理论物理学家特·胡夫特的书所写的序言,谈了极长和极短的时间尺度。此文让我想起温伯格应我之邀所发表的公众演讲“极大和极小”,关于极大和极小的空间尺度。二者正好是关于时间和空间两个方面。
在《关注当下——科学的辉格史》和《科学的辉格史:一次交流》中,温伯格指出从当代的角度评判历史,即辉格史观,在科学史上是有一席之地的。这是因为科学的目的是理解世界,追求真理,科学上有对错。之所以有这个问题的讨论,是因为他自己的书《给世界的答案》体现了这样的观点。最近两年我开设了科学史课程,用温伯格的这本书作为主要参考书,我非常喜欢这本书,赞赏他的观点。
“物理和宇宙”部分,温伯格介绍了基本粒子、宇宙、对称性和希格斯玻色子这些核心概念。温伯格本人对这些议题的研究做出过重要贡献。在《量子力学的麻烦》中,温伯格介绍了量子力学中,关于测量中的概率,包括温伯格在内的很多物理学家还觉得不满意。
“社会观评”部分,温伯格对太空项目、大科学、总统竞选、税率、载人航天以及怀疑主义发表了自己的看法。在“个人遐思”部分,温伯格回忆了自己学生时代的经历,谈了科学写作,以及理论物理学家和创造性艺术家的工作方法上的相似(这是他获得詹姆斯·乔伊斯奖时发表的获奖演讲)。
2021年7月23日,温伯格在奥斯汀仙逝,终年88岁。想起前一年网络演讲对话结束时,温伯格欢迎我再去得克萨斯,深感怅然。
从这本书中的《安息于得州的教育家和学者们》一文的按语中,我们了解到温伯格将葬在奥斯汀的得克萨斯州墓园。温伯格在文中写道:
教育者们大概不会拥有可以和“得克萨斯之父”斯蒂芬·奥斯汀或者美国内战时的南方首任两线总司令阿尔伯特·西德尼·约翰斯顿纪念碑比肩的墓碑,但是至少他们可以安息在此,为得州科学与学术的繁荣给出无声的证明。
安息吧,温伯格教授,您也为得州科学与学术的繁荣做出了杰出的贡献。
在这本书前言中,温伯格坦诚地提前向读者致谢:“我希望这不是最后一部文集。不过……”
让我们品味这本书,作为对斯蒂芬·温伯格教授的纪念吧。
施郁
复旦大学物理学系教授、理论物理及物理学史研究者

推荐序四 终极理论之梦:温伯格一以贯之的科学写作主线

温伯格是那种既能在自己的专业领域取得顶尖成就,又能面向公众清晰表达自己观点的少数科学家之一。标志其专业领域顶尖成就的,是他因提出电弱统一理论——统一了电磁力和弱相互作用力——而分享了1979年的诺贝尔物理学奖;肯定其面向公众进行科学写作成就的,莫过于他获得了1999年洛克菲勒大学的刘易斯·托马斯奖。
刘易斯·托马斯奖授予那些“他们的意见和观点能向人们揭示科学的美学和哲学维度,不仅提供新的信息,而且还能像诗歌和绘画一样引起人们的沉思甚至启示”的科学家作者。温伯格因“在充满热情地、清晰地传达基础物理学的观念、历史、解释力和美学维度方面所取得的杰出成就”而获得该奖,代表作便是他为普通读者写的《最初三分钟》和《终极理论之梦》。获得刘易斯·托马斯奖的科学家又被称作“诗人科学家”,这个称号在肯定他们写作技巧的同时,也充分概括了他们对科学的美学和哲学层面上的思考。在温伯格的这些作品中,以他对文字的娴熟驾驭和文字中流露出的对物理学的热情来说,是无愧于“诗人科学家”的称号的。
温伯格还经常在诸如《纽约书评》《科学美国人》等一些大众媒体上发表一些阐明自己对科学的看法和观点的文章,这些文章先后分三次结集出版。前两本文集分别是《仰望苍穹》和《湖畔遐思》。
《第三次沉思》是第三本文集。跟前两本文集一样,书中的大部分文章都曾刊登在《纽约书评》等期刊上。在这些文章中,温伯格以一贯优美、生动的文笔,清晰地表达了自己是一位理性论者、还原论者、实在论者和非宗教论者,致力于在公众、政客和被他称为“科学的文化对手们”面前为科学辩护。
《第三次沉思》一共收录了25篇文章,一改前两本文集按照文章发表时间排列的做法,先把所有文章按主题分成4个部分,然后在每个部分中,文章按照发表时间排序。这4个主题分别为“科学史”、“物理和宇宙”、“社会观评”和“个人遐思”。
“科学史”部分一共收录了8篇文章。按照第1篇文章《天文学的用处》开头的说法,“几年前,我决定要更多地了解科学史,所以很自然地,我主动请缨来教这门课”,可见温伯格对科学史是有较为长久的兴趣并主动接近这门学科的,他通过教授一门科学史课程的方式来了解科学史。这门课程的讲义经过整理也出版了,正是《给世界的答案》。
《给世界的答案》并没有像往常一样给温伯格带来一致好评,甚至招来了一些尖锐的批评。原因是温伯格在书中主动贯彻辉格史观。自从英国历史学家巴特菲尔德在1931年对“历史的辉格解释”做出批判之后,避免用当下的观点去评价历史上的事件和人物是史学界包括科学史界自觉遵守的“政治正确”做法。在历史研究中,学者们应该尽量避免“年代误植”和“目的论”的错误,也就是不应用譬如20世纪的科学观点去评价公元前5世纪某个古人的观点是错的或者对的,也不应因为这位古人的某些探索没有沿着我们当今认为正确的科学方向前进就认为他的工作毫无价值。科学史的研究不应简单地把科学的历史描述成以今天的标准看来是进步的历史。而温伯格却说:“我早就知道这种进步的故事已经不时兴了,并且我有意对科学史采用了常被诟病为'辉格解释’的方法。”这就不可避免地带来了争议。《第三次沉思》中至少有两篇文章是回应这种争议的:第7篇《关注当下——科学的辉格史》和第8篇《科学的辉格史:一次交流》。
温伯格不是职业科学史家,作为一名科学家,对科学史做出“辉格解释”,是可以理解的,甚至是深深契合于他的以还原论立场为基础的“终极理论之梦”的。如果古往今来的一切科学探索,就是为了“了解自然中一切规律(非历史偶然性的一切)是如何遵循几条简单定律”的,那么那些历史上的社会、文化、宗教、政治、经济等诸多因素与科学的纠缠就显得微不足道了。也正是在这个意义上,温伯格认为,“不论在其他各类历史中人们如何看待辉格史观,在科学史上它是有一席之地的”。也正是在这个意义上,温伯格把提出各种科学史观,尤其是后现代科学史观的职业科学史家们看作“科学的文化敌手”。对于那种把科学史描述成“在科学理解上没有进步,而只有风尚或习惯”的科学史观,温伯格是断然不会接受的。
对于林德伯格所说的,“对于一个哲学系统或者科学理论的恰当评估,并不是它在多大程度上预见了现代思想,而应该是它处理当时的哲学与科学问题时的成功程度”,温伯格直接斥责为“一派胡言”。在一篇为回应争议而写的文章中使用如此犀利的措辞表达如此鲜明的观点,无疑又为他招来了更多的争议。
“物理和宇宙”部分一共收录了6篇文章。在该部分,温伯格一如既往地用他深入浅出的笔触向公众普及基本粒子的标准模型和宇宙学的大爆炸模型。作为一位还原论者,温伯格始终坚守他的“终极理论之梦”而没有放弃,但是他清楚地认识到“还没有找到最终的答案”。“标准模型也很明显不是终极理论。它的方程包含很多数字,比如各种夸克的质量,这些数字只能通过实验测得,我们不理解为什么会是那样的数值。而且,标准模型并不包括人类了解时间最长也最熟悉的力——万有引力。”但无论如何,标准模型是有它的生命力的,它预言的希格斯玻色子被欧洲的LHC(大型强子对撞机)找到就是明证。作为曾经深入参与构建标准模型的粒子物理学家,温伯格对希格斯玻色子的发现当然是乐见其成的。对于寻找和发现新粒子的消息引起的公众关注,温伯格应媒体之邀写了两篇文章,分别被收录为第12篇文章和第13篇文章。
对于宇宙学,温伯格早在20世纪70年代就写了《最初三分钟》来介绍大爆炸学说。他当然也关注此后的宇宙学进展,对于暴胀理论、M理论、暗物质、暗能量等现代宇宙学中的流行理论和概念,他在多篇文章中都有所涉及。第10篇文章《我们仍不了解的宇宙》是应《纽约书评》之邀,为霍金等人所著的《大设计》写的书评。对于霍金等人在书中提到的“多重宇宙”“人择原理”等新奇理论,温伯格表达了一定程度的宽容,他说“我们并不知道多重宇宙的概念是否正确,但它并不疯狂”。从暴胀理论出发,可以导出多重宇宙。“膨胀的宇宙中形成了很多泡泡,每一个都变成了一个大或者小的爆炸,我们称为自然常数的那些数值可能在每一个泡泡里都有所不同。”如果这些推测属实,那么“要想为我们在大爆炸中观测到的夸克质量和标准模型中其他常数的精确值找到一个合理的解释,就不太可能了,因为它们的取值仅仅是一个巧合,刚好发生在多重宇宙中我们所居住的这个部分”。不知道温伯格写下这些句子时是否有一丝失落?曾经断言“终极理论”快要获得的霍金后来放弃了对“终极理论”的追求,而温伯格一直在坚持。但如果多重宇宙的理论为真,那么所谓的“终极理论”也只是无数个宇宙常数的偶然组合,失去了它必然性的意义。“我们在寻找的理论可能并不存在”,在一段文字的结尾,他发出了这样的疑虑。
在无数个宇宙中,只有那些拥有正确的宇宙常数组合的宇宙,才可能演化成一个成熟的宇宙,并产生智慧生物来探索这个宇宙本身。这就是所谓的人择原理。对于霍金等人用人择原理来排除上帝在宇宙中的位置这一做法,温伯格是深表同意的。温伯格表示,他“并不担心物理学家会太满足于人择原理,并放弃寻找第一原理——能够解释我们所观测到的一切的原理”。然而,这多多少少会动摇人们对“终极理论”的信心。所以温伯格也说道,“这样粗糙的人择原理的解释并非我们在物理学中所希望得到的,但可能我们不得不满足于此。物理学的历史性进展并不只是发现自然现象的精确解释,也包括发现哪类事物可以被精确解释。这些可能比我们曾经认为的要少”。或许,多重宇宙和人择原理可以看成是给温伯格的“终极理论之梦”注入的一剂清醒剂吧!
“社会观评”部分一共收录了6篇文章。这些文章致力于向公众解释基础科研的重要性,并抨击美国的某些科技政策。在这里,温伯格毫无疑问是有自己的立场的。在经费有限的情况下,他希望有限经费能够向基础科学,特别是基本粒子物理学倾斜。所以对于已经花费10多亿美元的SSC(超导超级对撞机)项目下马一事,他表达了深深的失望,在多篇文章中对决策者的短视行为做出了尖锐的批评。相比于花费数十亿美元就有可能圆他的“终极理论之梦”的项目被下马,那些花费动辄上千亿美元的项目却在吸引大众的眼球,温伯格对此发出了旗帜鲜明的反对声音。这千亿美元级项目就是载人航天。温伯格在多篇文章中表达了他反对载人航天的观点。“令很多科学家尤为恼火的,是NASA的一个耗资巨大而且常常伪装成科学的项目。我指的当然是载人航天项目。”在该部分有一篇文章的题目就是“反对载人航天”。温伯格认为载人航天为了维持航天员在太空中生存,所以耗资巨大,但这毫无必要。他指出,迄今为止所有在太空中取得的科技成果,都无须人的参与,用机器人就可以完成。一个载人航天任务的花费,可以用来发射多个探索宇宙射线和基本粒子的探测器。载人航天项目导致多个这样的探测器发射计划流产。在这部分的文章中,温伯格多多少少有点立场决定观点的味道,但我们仿佛也看到了,在美国这样一个充满科学和政治学各种争斗的现实中,温伯格为了实现他的终极理论梦想而奔走呼号的身影,苍老而坚定,令人敬佩。
“个人遐思”部分一共收录了5篇文章。这些文章主要是关于温伯格与公众之间就科学以及相关问题发生的一些互动,有温伯格个人的科学写作体验,也有在颁奖仪式和荣誉学位受聘仪式上的讲话。其中第22篇《科学写作》是应伦敦《卫报》之邀而写。当时《给世界的答案》在英国出版,温伯格写此短文与英国读者谈论科学写作的困难,也回顾了他自己的科学写作历史。在文中,温伯格特别提到:“我非常尊重专业科学史学家,我从他们那里学到了很多,但我的书和某些史学家比起来,不仅对亚里士多德采取了更冷静的观点,而且对其他一些标志性人物也一样,如德谟克利特、柏拉图、阿维森纳、格罗斯特、培根和笛卡尔。”温伯格在强调他尊重职业科学史家的同时,继续为他的辉格史观辩护。对于科学写作的目的,有人为了赢得尊重,有人为了谋生。温伯格提到,面向公众的科学写作,可以让他“暂时离开理论物理研究的象牙塔,并与外面更广阔的世界接触”。在接受纽约州特洛伊市伦斯勒理工大学名誉博士学位仪式上的讲话中,温伯格谈道,“了解到自己在某件事情上错了,是有深刻教育意义的”。他以自己为例,说他还是研究生的时候,听说李政道和杨振宁提出自然法则在左和右之间的基本对称性可能只是近似的,他以为这太奇怪了,自然法则不会这样。“随后实验表明,放射性衰变中发射的叫作中微子的粒子总是自旋向左,永远不会向右。不需要更多证据,即使对我来说也已经非常明显,我错了。”在这些可以用实验证实或证伪的科学问题上,温伯格的认错是很干脆的。但是要他放弃还原论立场、否定辉格史观,恐怕就不那么容易了。即便是在接受都柏林大学文学与历史学会授予他的詹姆斯·乔伊斯奖的颁奖仪式讲话中,他也不忘强调,“我们的全部目标就是将整个自然还原为一个简单的终极理论”,“我们正在努力通过发现一个终极理论来让我们自己没事可做”。
《第三次沉思》虽然收录了25篇文章,分成4个主题,但全书基本上贯穿着一条中心线索,那就是温伯格为实现“终极理论之梦”而做出的种种努力。如果科学的进步只是为了实现这个梦想,那么科学史无疑可以是一部辉格史。载人航天、SSC项目下马等,这些妨碍“终极理论之梦”实现的项目政策,无疑是要被批判的。全书一以贯之的亮点,就是温伯格一如既往的优美文风:流畅的文笔、鲜明的观点、犀利的言辞。
最后值得一提的是,《第三次沉思》每篇文章之前都有温伯格为文集出版撰写的一段短文,用于说明该文的写作缘起,这对了解温伯格的科学写作历程,乃至对其本人开展研究,都是很有史料价值的。
一个多月前,温伯格去世了,如今通过这些文章,回顾他对终极理论的坚守,体会他数十年坚持面向公众进行科学写作的执着,无论是否同意他的观点,都令人肃然起敬。
钮卫星
中国科学技术大学科技史与科技考古系教授
2021年8月29日

推荐序五 超越时光的精神遗产

在我的文字里,最早提到美国物理学家斯蒂芬·温伯格的是《中学时代》一文。在该文中,我回忆了小时候从科学出版社邮购温伯格《引力论和宇宙论》一书的情形:“寄出书款后整整隔了三个月才收到书,害得我天天到传达室查询,还数度写信催问。”那段回忆中所提到的《引力论和宇宙论》是温伯格的第一本书,是一本专著,问世于1972年,简体中文版出版于1980年。买那本书的时候我其实还看不懂那样的专著,只是在读科普读物时见人援引过。但是,“引力论”和“宇宙论”那样的字眼对小时候酷爱物理和天文的我是有魔力的,在我面前援引《引力论和宇宙论》,就如同拎一袋金币晃出点声响给我听,让我在艳羡之下,终于有了“天天到传达室查询,还数度写信催问”的邮购之举。
《引力论和宇宙论》到手后,尽管我还看不懂,仍时常翻看——既看那些认得的文字,也翻那些认不得的方程式。在很长一段时间里,那本书是一个让我憧憬的目标,引导我去自学那些为读懂那本书而必须掌握的数学、物理、天文方面的预备知识。那段钟爱一样东西,努力去接近,试图去懂得,为趋近目标的每一个脚印而激动的时光,如今回想起来,是幸福的。我后来曾在一条微博中写道:
很怀念看不懂微积分的年代(那时曾跟一位朋友戏称积分号为“海马”),摩挲着那些看不懂的书,满怀憧憬;也怀念刚学会微积分的感觉,仿佛攀上一座山崖,看见了天边的霞光。
转眼几十年过去了,昔日的书大都散落在岁月里,了无踪影。但那本压膜精装、草绿色素雅封面的《引力论和宇宙论》却被我不远万里带到美国,珍藏在了书房里。
温伯格的第二本书——也是我读的第二本温伯格的书——是《最初三分钟》,问世于1977年,简体中文版出版于1981年。《最初三分钟》是科普读物,所以是第一本我原则上可以看懂的温伯格的书。之所以只是“原则上”,是因为那虽是科普读物,“原则上”没什么门槛,但限于自己的眼界,我对书中内容的理解并不是“一步到位”的。
比如,书中最深刻,或许也最著名的一句话,“宇宙越是看上去可以理解,也就越显得无目的”,是我到美国念书后才留下印象的——那句话只有在像美国那样宗教思维盘根错节的背景里,才最能显出分量,显出它跟宗教强加于宇宙的目的性分道扬镳的意义。
这也是温伯格科普作品的一个令我极为欣赏的特点,即不以内容的幼稚化作为科普之途径。那样的科普,给人一种作者既是向导也是朋友的亲切感;那样的科普,不仅没什么门槛,而且没有“天花板”,无论什么背景的读者——哪怕科学家——都不仅能读,而且能被吸引,能有所思考,甚至有所收益。比如《最初三分钟》的读者中就包括了物理学家弗里曼·戴森,而且戴森并不只是泛读,而是读得很细致,细致到跟温伯格展开了争论。
在美国念书期间,我有幸“见证”并第一时间购买了温伯格的三卷本著作《场的量子理论》,也读过他的《终极理论之梦》。之后,尽管已毕业离校,人生方向也有了大的转变,但我对温伯格书的喜爱有增无减,追随并集齐了他的书,甚至到网上追看了他的演讲和访谈(我还记得第一次在网上看到他拄着拐杖走上讲台时受到的震动——因为在我的记忆里,温伯格几乎被定格为了早年相片上的形象)。
从著书的角度讲,温伯格不算高产作家,却也许是精品比例最高的科学作家之一。我自认挑书的眼光是苛刻的,但温伯格的每本书都让我爱不释手。由于不算高产,温伯格的书每每让我感觉来之不易,从而格外珍视。他后期的科学史著作《给世界的答案》和随笔集《仰望苍穹》《湖畔遐思》,以及此次推荐的《第三次沉思》,甚至让我因珍视而形成了一种新的阅读模式,即将最喜爱的书留到旅途中来读(旅游之于我,从此成了观景和阅读并存的享受)。在以这种阅读模式读完《给世界的答案》之后,我写过一篇题为“书林散笔:科学的征程”的品读兼推荐,在其末尾,我曾这样描述该书及这种阅读模式带给我的快乐:
由于是在赴加勒比旅游的游轮上阅读的,对这本书的记忆与旅途中吉他手的乡村歌曲、爱尔兰咖啡的清香,以及加勒比的碧海蓝天融合在了一起,更有一种深深的陶醉——这大概算我的“独得之秘”吧。
这种陶醉也体现在读此次推荐的《第三次沉思》的过程中。温伯格在此书的前言中表示,按照他的写作速度,大约每隔10年才能结集出一本随笔集。这个说法虽略有夸张,但温伯格的前两本随笔集相隔7年,与第三本随笔集相隔8年,这对喜爱他的读者来说,确实太漫长了。这种漫长甚至让我一度陷入梦境——有我2015年的微博为证:
美国物理学家温伯格出过两本科学随笔集,我都有。前段时间有印象在书店见过他新出的第三本随笔集,但暂未买。直到一周前见到他的新书《解释世界》(《给世界的答案》),才忽然想起:他怎么可能连出两本书?于是到网上查,结果印象中的“第三本随笔集”系子虚乌有,看来是一个梦——我做过的最乱真的梦!
此为一周前的事,本没打算写出来,但碰巧读到张宗子的一本书:《不存在的贝克特》,其中写到某年他告诉国内友人《贝克特选集》第六卷出版了,嘱代买。但对方死活找不到,最后他发现那只是自己的一个梦。别人把梦写进书里,还做了书名,我写条微博当不为过……
这应该算不折不扣的“梦寐以求”吧。在那个“最乱真的梦”4年之后,才终于“梦想成真”地迎来此次推荐的《第三次沉思》,也就是“第三本随笔集”,我无疑是非常欣喜的。而我竟能沿袭将最喜爱的书留到旅途中来读的阅读模式,直到前不久赴加州旅游时才通读此书(当然,之前其实已读过几篇,只是忍住了没通读),实在不得不佩服我自己。
读《第三次沉思》的经历原本该是跟在游轮上读《给世界的答案》一样的快乐,却不幸被一份悲伤打断了:2021年7月24日清晨,仍在加州的我从几个不同渠道得知了温伯格去世的消息。
忘了是在哪篇文章中读到过几句话,大意是说某位作家去世时,有人评论说整个城市都因此黯然失色。得知温伯格去世的那个清晨,我又想起那几句话,因为世界在我眼里骤然寂寞了几分。这些天来,是《第三次沉思》里的一篇篇文章,伴我度过了一个个清晨和夜晚的闲暇。
这些年来,温伯格对社会事务的评论,对宗教直言不讳的批评,在我看来是美国社会的空谷足音。从此,这样的声音将少掉一种,这样的智者将少掉一位。
幸好我们依然拥有温伯格的书——一份超越时光的精神遗产。而《第三次沉思》作为他生前出版的最后的随笔集,作为智者的“第三次沉思”,无疑是这份精神遗产的重要组成部分。在这本书里,有温伯格一如既往的渊博、精辟,清晰、直率。其中,我觉得值得特别指出的是两篇有关科学史的文章:《关注当下——科学的辉格史》和《科学的辉格史:一次交流》。这两篇文章都跟温伯格的科学史著作《给世界的答案》密切相关,因为都是这本书引发的。
普通读者可能对这两篇文章标题里的辉格史不甚了解,为了让这篇推荐“自给自足”,在这里结合温伯格的观点略做介绍:所谓辉格史,简言之就是用现代标准评判历史。这个概念问世于1931年,是英国历史学家赫伯特·巴特菲尔德提出的,距今已近一个世纪。在历史研究领域,辉格史被普遍视为错误视角。历史学家一旦被扣上辉格史的大帽子,几乎就跟普通人被归为性别歧视者一样严重——也许是因为用现代标准评判历史被认为有“歧视”历史的意味。然而,在我看来,温伯格非常敏锐而正确地指出,科学史跟诸如艺术史、文学史、宗教史乃至社会史等有一个很大的区别,那就是科学是演进的,科学上的对错、科学理论的优劣是有客观判据的。我们不能无争议地宣称某位现代艺术家的作品胜过达芬奇的作品,或某位现代作家的作品胜过莎士比亚的作品,却可以完全有把握地知道相对论力学胜于牛顿力学,或量子理论胜于古希腊原子理论。之所以如此,正是因为科学的演进赋予了现代标准鲜明而客观的优越性。从这个意义上讲,在科学史领域,用现代标准评判历史非但不是错误视角,而且有助于看清科学的历史脉络,看清科学如何以及为何能一步步走到今天。
温伯格的《给世界的答案》正是一部毫不避讳地采纳了辉格史观的书。也正因为这个缘故,科学史学界对这本书的反应相当激烈。事实上,在辉格史这顶大帽子将近一个世纪的笼罩下,科学史学界乃至科学哲学界已在一定程度上形成了“避嫌”传统:注重历史的局部,避谈大视野(因为大视野容易涉及不同时期的评判标准),避谈科学的演进(因为科学的演进容易引出现代标准的优越性),甚至干脆否认科学的演进(从而一劳永逸地铲除现代标准的优越性)。比如美国科学哲学家托马斯·库恩就否认科学进展存在趋向性,主张不同时代的科学有相互间无法比较和评判的标准——他称之为范式。这种对亲身参与和推动过科学演进的真正科学家来说错得很离谱的观点,在科学哲学界却被视为了经典。温伯格的《给世界的答案》与那样的“避嫌”传统及那样的经典背道而驰,焉能不引起激烈反应?但也恰恰是这种激烈反应,反衬出了与之针锋相对的《给世界的答案》的重要性。而收录在《第三次沉思》中的这两篇文章由于对这种针锋相对做了更清晰、更精彩、更直率,并且也更针锋相对的阐述,故而值得特别指出。
除这两篇有关科学史的文章外,温伯格作为功绩卓著的物理学家、作为电弱统一理论的奠基者之一及1979年诺贝尔物理学奖得主,他的书——哪怕是像《第三次沉思》这样面向大众的随笔集——显然少不了物理方面的文章。我在前文说过,温伯格科普作品的一个令我极为欣赏的特点就是不以内容的幼稚化作为科普之途径。收录在《第三次沉思》里的物理方面的文章也不例外,虽是科普,却可以从中读到一些在其他科普读物,乃至某些专著或教材中都读不到的有关现代物理的精辟概述(且附有适度的说明)。比如,与量子力学及相对论相容的任何理论在足够低的能量下都将类似于量子场论;偶然对称性发源于这样一个事实,即基本粒子的公认理论倾向于取特别简单的形式……被称为“可重整”理论;使理论不可重整的相互作用尽管很可能被高度抑制,却并非不可能;标准模型只是一个有效场论;等等。对有志于物理或试图理解现代物理的读者来说,这些概述的信息量是非常大的,哪怕不足以醍醐灌顶,也起码是未来学习的向导。
对《第三次沉思》的推荐就写到这里。读者也许会觉得这篇推荐真正谈论《第三次沉思》的篇幅太少,谈温伯格的其他书,乃至谈我读温伯格书的个人历史却太多。这个观感是准确的,但我希望它道出的不是本文的缺陷。本文之所以这么写,是出于这样一个原因,即试图通过我读温伯格书的个人历史来告诉读者,温伯格的书,无论是我尚不能读懂时就翻看过的专著,还是自信已远远超越读者平均水平时才读到的科普读物或随笔,都不仅让我有过收益,而且让我享受过阅读的快乐。在我数十年的读书生涯中,这样的作者是很少遇见的,这是我喜爱温伯格的根本原因,也是推荐《第三次沉思》的深层缘由。
当然,本文之所以这么写,还有另外一个——且并非更不重要的——原因,那就是试图通过对我读温伯格书的个人历史的回溯,来缅怀这位让我敬仰的现代学者。
谨以本文纪念斯蒂芬·温伯格。
卢昌海
科普作家
2021年8月29日

前言

本书英文版是由哈佛大学出版社出版的,是我写给大众读者的第三部文章合集。其中一些文章是在抨击一些话题,比如不平等造成的危害、载人航天项目的愚蠢、某些流行的历史写作方式是多么固执、全球变暖的危险,以及对包括基础科学在内的公众利益予以支持的重要性等。一如往常,它们反映了一个理性主义者、务实者、还原论者,以及虔诚的世俗之人的视角。
其他文章旨在通过非专业性的语言解释现代物理学和宇宙学的不同方面和历史。某些地方添加了脚注来澄清最初发表时可能含糊的内容。恐怕读者会看到一些科学话题在不同文章中反复出现,包括对称破缺、弱核力、强核力、早期宇宙、多重宇宙。这是不可避免的——这些话题如今依然萦绕在许多物理学家的脑中。
和我的前两本文集《仰望苍穹》《湖畔遐思》一样,本书中的大部分文章都曾刊登在《纽约书评》等报刊上。第20、23、25篇是在大学毕业典礼上的简短演讲,还未发表过。第24篇此前也没有发表过,因为所有读过的人都不赞同其中看法,但我很喜欢它,所以收录进来。
在本书中,一改以往文章合集按照时间顺序排列所有文章的做法,我先是将文章分成四大类,然后在每一类中再按照时间顺序排列。但是,不需要把这些类别太当回事。在第一部分讨论历史的过程中,我也不得不对物理学和天文学的一些方面进行解释。在第二部分,为了能讨论物理学和天文学,我也免不了对其历史进行描述。在第三、四部分讨论公共和个人事务的时候,科学及其历史也会不时出现。
我深深感谢帮助将这些文章带给广大读者的编辑们。特别要感谢的,有迈克尔·费舍尔,是他首先建议哈佛大学出版社将我的文章合集出版;还有杰夫·迪恩,他给了我很好的建议,并且一直跟踪本书直到出版;还有已逝世的罗伯特·西尔弗斯,他以无尽的技巧和耐心改进了我在《纽约书评》上发表的文章。借此机会,我还要特别感谢我的妻子露易丝·温伯格。她从法律写作中抽出时间,阅读了本书中大多数文章的初稿。本书以及《仰望苍穹》和《给世界的答案》中的很多文章的标题是她取的。是她建议将格里姆肖的画作用作本书英文版的封面,并且在重新安排素材方面给出了宝贵的建议。她的帮助使本书避免了很多含糊和幼稚之处。
从过往经验来看,以我的写作速度,似乎需要大约10年才能产出足够的文章组成一本合集。但我仍然希望这不是我的最后一部文集。不过,精确计算现实之后,我想大约是时候多说几句,感谢读者们这么多年来一直容忍我的抨击和阐释,也因此给了我一个宝贵的机会,去接触物理之外的世界。

Ⅰ 科学史

01 天文学的用处

这篇文章脱胎于我乘坐“海云”号游艇巡游爱琴海时在甲板上所做的演讲。乘客大多是来自美国奥斯汀市的朋友,正在参观古老世界的遗址。为了贴合这次航行的精神,我主动做了一次晚间演讲,话题是我当时刚为之着迷的古希腊天文学。
几年之后,在奥斯汀市的哈里·兰塞姆中心演讲时,我讲了同样的内容。哈里·兰塞姆中心在文学和其他艺术的相关资料方面有一流的收藏,并不太注重科学领域。然而,2009年9月,它却举办了一场名为“其他的世界:罕见的天文学著作”的宏大展览,展品包括哥白尼和伽利略著作的早期版本。作为一个热心的科学史爱好者,当我受邀做一次晚间演讲来庆祝这一展览时,我非常高兴。另外让我很高兴的是,能够有机会抨击我一直不喜欢的一件事情——美国国家航空航天局(NASA)浪费严重的载人航天项目。
随后我将自己在哈里·兰塞姆中心的演讲的文字版本发给了《纽约书评》的罗伯特·西尔弗斯。这些文字在2009年10月22日得以发表。发表时的配图是哈里·兰塞姆中心展览上伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书的卷首插图,图中有代表亚里士多德、托勒密和哥白尼的人物形象。下面几乎就是这篇文章,只有几处修正。后来,它也成了我的《给世界的答案》一书中第六章的基础。
几年前,我决定要更多地了解科学史,所以很自然地,我主动请缨来教这门课。在准备讲义的过程中,一个事实让我深感震惊:以现在的角度看,天文学在古代所达到的精确度和复杂程度,远超其他任何自然学科。一个显而易见的原因是,可见的天文学现象比地球表面可观察的事物要简单得多,因而更容易研究。古人并不知道,但是地球、月亮和其他行星都以几乎恒定的速率自转着,并且它们在轨道上的运行只被一种力量所主导,那就是万有引力。因此,人们在天上看到的景象变化简单而又具有周期性:月亮有规律地盈缺,太阳、月亮似乎每天绕着天极转一圈,而太阳每年都沿着同一轨迹经过同样的星座,也就是黄道星座。[1]即使只有简陋的仪器,也可以研究这些周期性的变化,而且已经达到了相当高的数学精确度。而对于地球上的事物,比如鸟的飞行或者河中的流水,研究达到的精确度要低得多。
但是,天文学在古代和中世纪科学中如此突出还有另一个原因——它很有用,而当时的物理学和生物学没有什么用。即使在史前,先民也一定曾将太阳在天空中的位置当作钟表、日历或者罗盘来使用,即使那时还很粗略。随着圭表的使用,这些功能变得精确了很多。圭表也许是最早的科学仪器,古希腊人认为它是阿那克西曼德或者巴比伦人发明的。
圭表不过是在可以照到太阳的开阔水平地面上竖着的一根柱子罢了。当白天柱子的影子最短时,就是正午。在希腊或者美索不达米亚各地,柱子的影子在正午都指向正北,因此罗盘上所有方向都可以在圭表周围的地面上永久而精确地标示出来。通过一天又一天地观察正午时柱子的影子,可以找到影子最短或者最长的日子,这就是夏至日和冬至日。通过影子在夏至日的长度,可以计算出纬度。日落时的影子在春季和夏季的指向往东偏南一些,而在秋季和冬季的指向往东偏北一些。当日落时的影子指向正东时,就是春分日或者秋分日。[2]
通过将圭表作为日历,雅典天文学家优克泰蒙在公元前430年发现了将会困扰天文学家2 000年的现象:通过二分二至可以精确测出四季的起点与终点,四季的长度竟略有不同。这一发现排除了太阳以地球为中心在圆形轨道上匀速运转(或者地球绕太阳运转)的可能性。因为那样的话,二分二至点在一年里的间隔就应该是均等的。古代世界最伟大的观测天文学家——尼西亚的希帕克,在公元前150年发现有必要引入本轮的概念,原因之一就在于此。本轮这个概念指的是,太阳(和众行星)在被称为本轮的小圆上运行,本轮的中心又在以地球为中心的圆形轨道上运行。3个世纪之后,托勒密采纳并详尽阐述了这一想法。
即便是哥白尼,因为执着于轨道必须是由圆形组成的,仍保留了本轮的概念。直到17世纪早期,开普勒才终于解释了希帕克和托勒密曾归因于本轮的现象。地球绕太阳运行的轨道不是一个圆,而是一个椭圆;太阳也不在椭圆的中心,而是在其中一个焦点上;还有,地球的速度也并不恒定,而是在靠近太阳时比较快,在远离太阳时比较慢。
对于我前面探讨过的用途来说,太阳也是有局限的。通过太阳辨别方向当然只能在白天;而且在使用圭表以前,太阳的周年运动只能让人们得到关于年的粗略概念。从最早有记录的时代以来,人们就使用恒星来弥补这些空白。荷马就知道哪些星星可以在晚上指示方向。在《奥德赛》里,海中女神卡吕普索告诉奥德修斯如何从她的海岛回到伊萨卡:让大熊始终在他的左侧。大熊当然就是大熊座,也就是北斗七星。北斗七星是靠近北极星的星座,在地中海的纬度上,永远不会落到地平线之下(或者用荷马的话说,“永远不会到海中沐浴”)。保持北方在左侧,奥德修斯就能向东航行重返家园。[3]
恒星也被用作日历。埃及人似乎很早就通过观察天狼星的升起预测尼罗河的泛滥。约公元前700年,诗人赫西俄德在《工作与时日》中向农民建议,应该选择在一年中首次观察到昴星团在日出之前落下的日子开始耕种。
人们因为上述这些原因而观察星空。很多早期文明注意到了有五颗“星星”(希腊人称它们为行星),在一年里它们在其他星星组成的背景中移动,和太阳在黄道上的路径几乎相同,但有时它们似乎逆向运行。如何理解这些运动是巨大的难题,困扰了天文学家上千年,最终艾萨克·牛顿的工作推动了现代物理学的诞生。
天文学的这些用处之所以重要,不只是因为它把注意力集中在太阳等恒星和行星上,从而产生了一些科学发现。它的应用在科学的发展过程中也很重要,因为当一个人实际运用科学理论,而不是纯粹猜测时,就有更大的可能把事情做对。如果女神卡吕普索告诉奥德修斯始终保持月亮在他的左侧,他就会一直兜圈子,永远回不了家。相比之下,亚里士多德的运动理论之所以在中世纪后仍然流传,是因为它从未被实际应用过,也就未被揭示出它存在多么大的错误。天文学家们的确曾经尝试使用亚里士多德的行星系统理论(最初要归功于柏拉图的学生欧多克索斯及其学生卡利普斯)。这一理论认为,太阳、月亮和行星处在以地球为中心的相互嵌套的透明圆球上。这(不同于本轮理论)与亚里士多德物理学是相符的。
他们发现这个理论不管用,比如亚里士多德的理论不能解释行星亮度随时间的变化,而托勒密将这一变化的原因正确地理解为行星与地球的距离并非恒定不变。由于亚里士多德在哲学方面的威望,一些哲学家和医生(但几乎没有开展实际工作的天文学家)在古代世界和中世纪仍坚持亚里士多德的太阳系理论。而到了伽利略的年代,这一理论已经不再受到重视。当伽利略写下《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》时,他所考虑的两大系统是指托勒密和哥白尼的,而非亚里士多德的。
之所以说天文学对于科学进步很重要,还有另一个原因:它促进了政府支持科学研究。第一个伟大的例子是亚历山大城博物馆,由统治埃及的希腊国王们在约公元前300年,即希腊化时代早期建立。它并非现代意义上的博物馆,不是供游客们参观化石和照片的地方,而是一座献给缪斯女神的研究机构,其中包括天文学的缪斯女神——乌拉妮娅。埃及的国王们在亚历山大城资助的发射机与其他大炮构造的研究,以及对投掷物飞行的研究,大概都是在博物馆里进行的。博物馆同时也向阿里斯塔克斯以及埃拉托色尼提供了资助,前者测量了日月的距离与大小,后者测量了地球的周长。在这座博物馆之后,出现了一连串由政府支持的研究中心,包括830年由哈里发马蒙在巴格达建立的智慧宫,以及1576年由丹麦国王腓特烈二世赠予第谷·布拉赫的天文台“天堡”。由政府支持研究的传统延续至今,比如CERN(欧洲核子研究组织)和费米实验室这样的粒子物理实验室,以及由NASA和欧洲航天局送上太空的哈勃太空望远镜、WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)和普朗克这类无人天文台。
实际上,天文学的用处在过去被高估了,而这让天文学获益匪浅。古巴比伦人给古希腊世界留下的遗产,不仅包括大量精确的天文观测数据(可能也有圭表),也包括占星术的伪科学。托勒密不仅写就了伟大的著作《天文学大成》来描述天文学规律,他也是占星术书籍《占星四书》的作者。在中世纪和近代早期,王室之所以支持天文数据表格的编制,大部分动力来自占星师要使用这些表格。这与我刚刚讲的似乎相互矛盾,我讲到实际应用对于引领科学走上正确的道路很重要。但是占星家们在天文学方面确实是对的,至少在行星与恒星的视运动方面是如此。至于他们在解释人间事务方面的失败,可以通过预言的模糊性加以掩饰。
并非人人都热情地支持天文学的实用。柏拉图在《理想国》中讨论了对于未来哲学王的教育。苏格拉底建议要涵盖天文学,助手格劳孔急忙表示赞同,因为“不只农民或者其他需要敏锐觉察季节、月份和年份的人,对于军事将领来说,它也同样重要”。可怜的格劳孔——苏格拉底说他太幼稚了,并解释道,学习天文学的真正目的是它迫使头脑向上看,思考比平凡世界更为高尚的事物。
虽然时常也会遇到惊喜,但在我自己的主要研究领域基本粒子物理学中,并没有任何人可以预见的直接应用[4],所以当我注意到实际应用对于科学历史发展的重要性时,也并没有多开心。如今,像粒子物理学这样的纯科学已经发展出了验证标准,不再需要应用来确保我们保持诚实(或者我们乐于这样认为),并且科学家们在智力刺激的驱动下努力着,不必考虑其实际应用。但是要争取政府支持的话,纯科学的研究仍然要和其他更倾向于有直接用途的科学竞争,比如化学和生物。
不幸的是,就天文学争得支持的能力而言,我前面讨论过的天文学的用途大多已经过时了。我们现在使用原子钟来判断时间,精确到可以测量一天和一年长度的微小变化。我们可以在手表或者电脑屏幕上看到日期。最近,恒星对于导航也不再那么重要了。
2005年,我乘坐“海云”号游览爱琴海。一天晚上,我和船长讨论起了导航。他教我如何使用六分仪和精密计时器确定在海中的位置。根据精密计时器给出的时刻,通过测量地平线与一颗特定的恒星之间的夹角,可以知道你的船一定在地图的某条曲线上。通过测量另一颗恒星与地平线的夹角,你会获得另一条曲线,两条线的交点就是你所在的位置。测量第三颗恒星与地平线的夹角,如果得到的曲线和前面两条在同一点相交,就表示你没弄错。展示完这些,我的这位“海云”号船长朋友开始抱怨起年轻的高级船员刚加入船队时,都不会用精密计时器和六分仪确定位置了。全球定位卫星的出现使得星空导航派不上用场了。
天文学还有一个用途:在发现自然法则方面,它继续起到关键作用。如上所述,正是行星运动的问题使牛顿发现了运动和万有引力定律。19世纪,通过对太阳光谱的观察,人们发现原子只能发射和吸收某一特定波长的光,而这一发现在20世纪导致了量子力学的发展。19世纪晚些时候,对太阳的这些观测揭示出当时在地球上还是有未知的新元素存在的,比如氦。20世纪早期,爱因斯坦的广义相对论在天文学上得到了检验,首先是比较他的理论预测与水星的实际运动,随后他又成功预测了太阳引力场对于星光的偏转。
在证实了广义相对论之后的一段时间里,推动基础物理学进步的数据来源从天文学转移到了其他领域。首先转移到了原子物理领域,然后在20世纪30年代转移到了核与粒子物理领域。但是20世纪六七十年代以来,基本粒子的标准模型建立后,粒子物理学的进步慢了下来。这一模型解释了当时得到的关于基本粒子的所有数据。近年来,在粒子物理学领域,唯一超出标准模型的发现是各种中微子的微小质量,而且这些问题首先是在天文学的一个领域里出现的,即对来自太阳的中微子的研究。
同时,众所周知,我们现在所处的阶段被称为宇宙学的黄金时代。天文观测与宇宙学理论相互促进,以至我们现在可面不改色地说宇宙年龄目前的膨胀阶段是137.3亿年,误差是1.6亿年。这项工作还揭示出,宇宙中的能量仅有4.5%是以普通物质,即电子和原子核的形式存在的。总能量中约23%是暗物质,这些粒子与普通物质或者辐射不发生相互作用,并且目前所知仅仅能通过观测其万有引力作用对普通物质和光造成的影响来了解其存在。宇宙能量的绝大部分,约72%是一种“暗能量”。它不存在于任何粒子的质量中,而是存在于空间本身。正是它导致宇宙目前的膨胀加速。暗能量的解释是目前基本粒子物理学所面临的最深奥的问题。
尽管这一切令人兴奋,但天文学和粒子物理学在争取政府支持方面都更加艰难了。1993年,美国国会取消了一个建造加速器的计划,这个加速器叫作超导超级对撞机,它可以大大扩展制造出来的新粒子的质量范围,其中可能包括暗物质的粒子。CERN接手了这一任务,但是他们新建的加速器——LHC(大型强子对撞机)探索的质量范围,仅是超导超级对撞机的1/3,而且在LHC之后,对新加速器的支持越发渺茫。在天文学方面,NASA削减了对“超越爱因斯坦”项目和“探索者”项目的支持,而这些正是近年来宇宙学的长足进步所依赖的天文学领域的主要项目。
当然,确实有很多值得政府资助的需求。但令很多科学家尤为恼火的,是NASA的一个耗资巨大而且常常伪装成科学的项目。[5]我指的当然是载人航天项目。2004年,布什总统宣布了NASA的一个“新愿景”,也就是让宇航员重返月球,随后去往火星的载人航天项目。几天之后,NASA的空间科学办公室宣布削减对非载人的“超越爱因斯坦”项目和“探索者”项目的支持。理由是这些项目不能支持总统的“新愿景”计划。
宇航员在科学研究中是不经济的。将宇航员安全地送往月球或行星并带回地球,所耗费的资金可以将数百个机器人送上去,而机器人在探索方面可以做的要多得多。在轨道天文台上,宇航员会导致更多的震动,并且辐射热量,而这会扰乱敏感的天文观测。近来所有带来宇宙学新进展的项目,比如哈勃、COBE(宇宙背景探测器)、WMAP或者普朗克这样的天文台,都是无人的。相比而言,载人的国际空间站还没有做出过重要的科学工作,而且很难想象未来有什么样的重要工作是无法通过更便宜的无人设施完成的。
人们常说,载人航天项目是有必要的,因为如果没有载人航天,任何太空项目都不可能得到大众的支持[6],包括进行真正科学工作的哈勃和WMAP。我对此表示怀疑。我认为天文学总体上,特别是宇宙学,有其内在的激动人心之处,这与载人航天这种观赏性运动非常不同。为了说明这一点,我将引用托勒密的一句话作为本文的结语:“我了解此生有限,而我只是短命的生灵;但当我寻觅那繁星的转轮,我便不再双脚触碰地球,而是与宙斯本人肩并肩,我取用着我的那份珍馐,那本属于神明的食物。”
[1]白天当然看不到那些星星,但是太阳刚刚落山之后,一些星星就出现了,这时候还能够知道太阳的位置。
[2]圭表和日晷不同,因为日晷用于投影的晷针并不是竖直向上的,而是设置为特定的角度,让它的影子在一年里的每一天都走过几乎相同的路径。所以日晷更适合作为钟表,但不那么适合作为日历。
[3]人们可能会奇怪为什么卡吕普索不告诉奥德修斯要保持北极星位于左侧。原因是在荷马时代,现代所称的北极星,并不在天空的正北。这并不是因为北极星本身移动了,而是由于一个叫作分点岁差的现象。这一现象是希帕克发现的。用现代术语来讲,地球的自转轴在天空中的指向并不固定,而是像旋转的陀螺的轴一样存在进动,地轴每25 727年绕一整圈。根据希帕克的数据算出来的这一周期是28 000年。这是古希腊天文学精确度的一个标志。
[4]我说“直接”应用,是因为粒子物理学的实验和理论工作通过推动技术和数学到达现在的极限,偶尔会带来极有实际价值的新科技或数学成果。一个著名的例子是万维网。这可以为政府资助提供有力的论据,然而这并不是我们做研究的目的。
[5]关于这一点,我写过一篇更长的文章进行了更详尽的阐述,是2004年4月8日发表于《纽约书评》的《错误的东西》,并在修订后被收录于《湖畔遐思》。
[6]最近一次,是欧洲航天局的科学顾问委员会主任乔万尼·比尼亚米于2009年7月16日在《自然》杂志上表达了这一观点。

02 发现的艺术

得克萨斯哲学学会成立于得克萨斯共和国独立的第一年,创立者是山姆·休斯敦及其朋友们。学会的首任主席是米拉波·波拿巴·拉马尔,任职于1837—1859年,他还继任了休斯敦的得克萨斯共和国总统之位。哲学学会在成立后不久就不活跃了,直到1937年才恢复生机。从那之后,会员人数逐渐增长,有了学者、记者、政治家、牧场主、作家、艺术家、商人,甚至还有几位哲学家。每年,会员们在得州不同的地方聚会一次,听取讲座并且和老朋友会面。讲座的话题由当年的主席选定。我和妻子都是会员,正因如此,我们才有机会去拜访我们常规活动半径以外的那些得州城市,比如阿比林、科珀斯克里斯蒂、沃斯堡、克尔维尔以及拉雷多。当然也因此去了那些熟悉的地方,比如达拉斯和休斯敦。1994年我有幸出任主席并在奥斯汀主持了一次会议,主题是宇宙学。
2009年,哲学学会又一次在奥斯汀开会。那一年的主席是迈克尔·吉勒特,他挑选的主题是得州的艺术,包括学习的艺术、表达的艺术以及绘画的艺术。围绕发现的艺术这一主题,我做了如下讲座。哲学学会一般会将会议记录整理出版,但是整理得不慌不忙:2009年的会议记录,包括我的讲座在内,在2014年才终于出版。
柏拉图认为,只需要思考就能发现世上的一切。在《法律篇》中,有一次关于天文学的有趣的讨论。柏拉图承认,天文学家们偶尔看看天空可能是有益的,但这只是为了集中注意力,就像数学家证明几何定理时可能画一画示意图来集中注意力一样。但是在科学中,真正的发现工作就像在数学中一样,应该是纯粹智力的。就像他在很多其他事情上一样,柏拉图在这一点上弄错了。
英格兰国王詹姆斯一世任内的大法官——弗朗西斯·培根,则持有另一个极端的观点。科学在当时刚刚开始引起公众的兴趣,培根讲了很多关于科学的内容。他认为,科学工作是纯粹经验性的,必须以一种不带目的性的广收博蓄、不带成见地去做实验和研究关于自然的可能的一切,真相才会逐渐浮现。他同样弄错了。
几百年来,我们了解到的真相是,科学发现依赖于理论与实验或观测之间的互动,两方面缺一不可。必须要由理论指导实验,这样的实验才有意义,并且实验结果才能被解读。实验也是必需的,它不仅仅是证实或者反驳理论,而且会启发理论。两者不可分割地结合在一起。
尽管如此,在某些领域,尤其是我自己的领域——基本粒子物理学,科学家的这两种身份却已经截然不同。理论物理学和实验物理学的要求极高且专业化,在恩里克·费米之后,实际上就再也没有人能同时身兼理论学家和实验学家两种身份进行有效的工作。我是一个理论学家,所以关于发现的艺术,我只能给你们提供从理论出发看到的视角。
作为理论学家,眼前的谜团令我们受到启发。有时候,这些谜团是由实验发现提供的。有一个经典的例子,19世纪末,实验科学家们试图测量地球的运动对光速的影响。地球以每秒30千米的速度绕太阳公转,光速约为每秒30万千米,所以人们曾以为,光速应该有大约1%的变化取决于是冬天还是夏天,因为这两个时间地球的运动方向相反。人们那时还认为光是被称为以太的介质的一种震动,并且即使假定太阳系在以太中运动,地球也不可能在夏天和冬天都相对于以太保持静止。人们探寻地球运动的影响,却一无所获。这向物理学家们提出了一个可怕的难题,它(和其他一些难题一起)最终启发爱因斯坦发展了一种新的时空观,也就是相对论。
然而有些时候,启发我们的难题是来自物理理论内部的。比如在20世纪50年代后期,我们显然有了一个关于弱核力的理论,能很好地解释所有现有的相关实验数据。(弱核力引起一种放射性,在这种放射性中,原子核内的粒子,比如中子或质子,变成另一种粒子,即质子或中子,并释放出一个快速电子。在为太阳提供热量的反应链中,正是这种力推动了第一步反应。)关于弱核力的实验没有给我们带来任何疑难。但当这一理论延伸到由于技术原因尚未被观察到的其他过程时,问题就出现了。(这类过程之一是被称为中微子的一种相互作用很弱的粒子与其他中微子的碰撞,我们可能永远无法观测到这个过程。)当在这些过程中应用弱相互作用的理论时,得出的结果是无意义的,它给出的概率是无限大。这一结果并不是对自然的深刻说明,而是荒谬的。很明显,我们需要一个新理论,这个理论既能保证先前理论的成功,又不会对完全合理的问题给出无意义的答案,即使这些问题涉及的是以前没有做过的且可能永远不会做的实验。我和其他理论学家在20世纪60年代研究过这个问题,最终发现了这样一个理论。结果它不仅仅是关于弱核力的理论,而且是关于弱核力与我们更熟悉的电磁力的统一理论,还预言了一种新的弱核力,后来在高能实验中发现了这种新的力。但是,并不是实验驱动了这一理论。
有时候我们的困惑在于,一些理论和所有观测相符,也没有任何内在的矛盾,但因为其中有太多随意的特征,所以明显不令人满意。实际上,我们现在的处境就是这样。现在我们有一个理论,它既涉及强核力(将夸克集中在原子核之内的粒子里面),也涉及电磁力和弱核力。这一理论被称为标准模型,它解释了我们在基本粒子实验室里能够测量的一切,并且在我们想做任何计算的时候,它给出的都是有限且合理的结果。然而这一理论并不令人满意,因为它的太多特征都是我们为了符合实验结果而不得不去假设的。比如,标准模型有6种被称为夸克的粒子。为什么是6种?为什么不是4种或者8种?不知道。它们为什么具备现有的性质?这些不同类型的夸克中,最重的比最轻的重了大约10万倍。我们并不知道质量的差异来自哪里,只是为了与实验相适应,必须选择这些值。这一切并没有什么矛盾之处,这个理论也与观察相符,但我们显然还没有找到最终的答案。
还有一个不能故作不见的明显缺陷:没有提到万有引力。我们确实有一个相当不错的引力理论,即爱因斯坦的广义相对论,它对我们所能做的所有观测都非常有效,但应用于极端能量时,却给出了荒谬的结果。在实验室里实际上是无法构成这些能量的,但我们可以将它们纳入考虑。当我们这样做的时候,万有引力就成为另一个谜团。
20世纪70年代以来,我们一直处于这样一种境地:我们有一种具有太多任意特征的关于弱力、电磁和强力的理论,还有一种不能扩展到极高能量的引力理论。我们被困住了,因为没有来自基本粒子加速器的新数据喂给我们的想象力,从而解开这类谜团。原因之一是美国国会决定不在得克萨斯州建造那架大型加速器——超导超级对撞机。
在欧洲,有一个加速器于2009年开始运作,我们期待着它会传来好消息。它被称为LHC。LHC是一条周长约27千米的环形隧道,位于法国和瑞士的交界处,距离地表150多米。在这条隧道中,两束质子将以相反的方向穿越法国和瑞士边境,一圈又一圈地运动数百万次,它们逐渐加速,直到最后迎头相撞。我们希望能够通过研究碰撞中发生了什么,发现新的事物,这些事物要么帮助我们解决现有的谜题,要么给我们带来新的有用的谜题。
就在2009年年底,人们观察到了这样的两个粒子束之间的首次碰撞。目前的能量还没有高到足以让我们了解任何新东西,而且粒子束中也没有足够的粒子让我们感兴趣的碰撞的发生概率足够大,但我们在未来几年对LHC寄予厚望。
就像我说过的,我是一个理论学家。我并不在LHC工作。2009年7月我去到那里,并且看到了4个巨大的粒子探测器之一,这4个探测器位于环形隧道附近的不同位置,粒子就在这些地方碰撞。我参观的探测器叫作ATLAS,确实令人印象深刻。如果你回想一下我们昨晚所在的舞厅,想象它向一侧倾斜,ATLAS探测器所在的房间就是那样的。我当时真有一种置身大教堂的感觉。
那些将会使用LHC的实验科学家们依赖的技巧是我掌握不了的,但我对他们所做的工作确实有很大的兴趣。我希望他们的发现能让我们摆脱几十年来的消沉。比如,有一种极有吸引力的对称原则,叫作超对称。在过去30年里,它已经占据了很多理论学家的注意力。目前还没有找到证实它的丝毫的证据。(可以说有一丝,但是不大。)我们希望LHC可以产生出超对称理论预言的新类型的粒子。天文学家们说,组成了宇宙5/6质量的是所谓暗物质。而超对称理论预言的粒子之一——如果存在的话——可能具有正确的性质,可以组成暗物质。(不应该将暗物质与更令人困惑的暗能量混淆。不幸的是,LHC可能不会告诉我们关于暗能量的任何事情。)如果探测到这些粒子,我认为那将会是柏拉图式物理学的胜利。我们只需要拭目以待。
所以我们现在正处于基础物理学历史上的分水岭时期。在20世纪六七十年代,理论和实验曾卓有成效地相互促进,之后这一作用消失了。我们最希望的是两者之间不可分割的相互促进作用将重新开始。

03 始于卢瑟福的粒子物理发展史

美国物理学会每年4月在华盛顿哥伦比亚特区召开一次会议,会议时间小心地避开了华盛顿的日本樱花开放季,以及随之而来的酒店价格上涨。2011年4月,正值现代物理学的关键发现之一——卢瑟福发现原子核——迎来100周年纪念。物理学会决定以一次特殊会议来庆祝,会议题为“粒子物理学100年”。我做了开幕演讲,内容如下。2011年8月,我的这篇演讲在《今日物理》杂志上发表。《今日物理》是美国物理联合会发行的月刊。
我在华盛顿的讲话和在《今日物理》上发表的文章都不涉及数学,不只面向基本粒子领域的专家,也是写给在意历史的物理学家们。所以我以为这篇文章普通读者也看得懂。但是当我重读一遍的时候,我看到自己使用了从“自旋”到“重子”等诸多术语,对于非物理学家来说,这些词可能需要解释。因此我在脚注中提供了说明,但是正文部分基本和最初发表时保持一样。有些话题可能在本书第11篇文章中进行了更易理解的讨论。
1911年3月7日,欧内斯特·卢瑟福参加了曼彻斯特文学与哲学学会的一次会议。一个世纪之前,约翰·道尔顿正是在这一学会的会议上报告了原子质量的测量。卢瑟福在会议上宣布发现了原子核。美国物理学会决定将这一天作为基本粒子物理学世纪的开端。
我认为这是一个明智的选择。一方面,汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登在曼彻斯特所做的实验是卢瑟福提出他的原子核结论的基础。这一实验成了散射实验的范例,从此以后粒子物理学家们的工作之一就是散射实验。只不过盖革和马斯登使用的不是从加速器获得的质子束或者电子束,而是从镭元素衰变获得的α粒子,将其照射在金箔靶子上。他们没有使用丝室、火花室或者气泡室来探测被散射的粒子,而是用了一个涂满硫化锌的屏幕,当它被α粒子撞击时会发出闪光。
更重要的是,观测到α粒子的大角度散射让卢瑟福确信,原子的大部分质量和正电荷都集中在一个体积很小的核内。以前,人们普遍认为原子就像布丁,电子则像葡萄干一样镶嵌在平滑的正电荷背景里。原子核的发现是至关重要的第一步,随后是一连串的发展,从尼尔斯·玻尔(他曾经在曼彻斯特大学访问)到路易·德布罗意、埃尔温·薛定谔以及沃纳·海森堡,这些发展最终带来了现代量子力学。
在量子力学最初的成功之后,基础物理学仍然留有两个明显的前沿阵地。其中之一是量子力学扩展到接近光速的粒子上,这样的粒子必须遵循爱因斯坦狭义相对论的原理。保罗·狄拉克的方法是将薛定谔波动方程推广为相对论性的波动方程。[1]这预言了基本粒子必须具有自旋1/2,似乎获得了巨大的成功,但是如今我们知道,这是一个失败而非成功。[2]有一些自旋是1的粒子,比如W和Z粒子,在任何方面都和电子一样基本,并且很多人都相信一种自旋为0的同样基本的粒子将会在LHC被发现。[3]另外,将狄拉克方程推广到包含超过一个电子的系统是不合适的。相反,未来属于量子场论。[4]量子场论是在科学家们的各种合作中被发展出来的,包括1926年玻恩、海森堡和帕斯库尔·约尔当,1926年海森堡和泡利,以及1934年泡利和维克多·魏斯科普夫的合作。(魏斯科普夫有一次告诉我,泡利在后一篇论文中希望证明狄拉克在自旋必须是1/2这一点上是错的,他为此构建了一个完全合理的零自旋粒子的理论。)量子场论在费米1933年关于β衰变的理论中得到了第一次应用,自那以后,基本粒子理论中大部分成就所依赖的就是它提供的数学构架。[5]
另一个明显的前沿是原子核。这里的巨大屏障是库仑势垒,它使得卢瑟福的实验室中镭放射出的α粒子不能进入核中。[6]正是这一问题导致了粒子加速器最初的发展。
20世纪30年代,理论学家们很怪异地不愿意提出新的粒子,这阻碍了对这些前沿领域的探索。这里有三个例子。
第一,詹姆斯·查德威克在1914年发现,β衰变中释放的电子具有的能量分布是平滑连续的。如果在核转化中释放的所有能量都由电子带走的话,不应该是这样的结果,而应该看到电子具有唯一的能量值,等于原子核最初和最终的能量之差。这如此令人困惑,以至玻尔提出可能在这些衰变中能量并不守恒。泡利在1930年提出中微子的存在,遭到了广泛的质疑,直到25年后中微子被发现,怀疑才终于烟消云散。[7]
第二,狄拉克一开始认为,在他的理论中,负能量电子海洋中的洞必须是质子——当时已知的唯一带正电的粒子,尽管这会毁掉一个普通原子的稳定性,因为原子中的电子可能会掉进这些洞里。他后来改变了看法,但是当卡尔·安德森和帕特里克·布莱克特于1932年在宇宙射线中发现正电子时,大多数物理学家都大吃一惊,包括安德森和布莱克特。[8]
第三,为了让原子核具有正确的质量和电荷,物理学家们一开始假设核是由质子和电子组成的,尽管这样的话氮14的核就会是费米子,而通过分子光谱我们已经知道它是玻色子了。[9]直到1932年查德威克发现中子之前,关于中子的想法都没有被接受。
在理论上很清楚需要新粒子的时候,人们仍对提出新粒子如此犹豫,如今看来只觉得非常奇怪。现今的理论学家,如果从没提出过至少一种还没有实验证据的新粒子,就几乎算不上受人尊敬。1935年,汤川秀树以相当大的勇气,在已知的核力范围的基础上,提出应该存在一种质量约为100MeV的玻色子,在中子和质子的相互作用中被交换。[10]
同时,中子和质子的质量相似也说明两者之间有某种对称性。[11]在莫尔·杜武及其同事们于1936年测量了质子——质子间的核力,并发现它和已知的中子——质子间的力相似之后,格雷戈里·布莱特和尤金·芬伯格确认这一对称性为同位旋守恒对称,数学家们称之为SU(2)。[12]
粒子物理学在二战之后重新开始发展。(这里我不再说出继续这一工作的物理学家的名字,因为会花太多时间,而且我也担心列举时会漏掉某位还在世的人。)在20世纪40年代后期,量子电动力学中无穷大的老问题通过重整化理论被解决了。[13]汤川秀树的介子被发现了,现在叫作π介子,并且与μ子进行了区分。μ子是一种重电子,于1937年被发现。1947年,人们发现一些粒子具有一种新的近似守恒的物理量——奇异性。[14]所有这些新粒子都是在宇宙射线中发现的,但在20世纪50年代,加速器开始代替宇宙射线,成了发现新粒子的工具。加速器变得越来越大——它们从大学物理教学楼的地下室移出来,变成了地理标识,从太空中都看得到。
量子电动力学的绝妙成功自然导致人们希望有一个针对所有基本粒子及其相互作用的量子场论,但是这一计划遇到了严重阻碍。一方面,这样的量子场论将需要对基本的粒子进行选择,决定哪些粒子的场将会出现在理论的方程里。但人们正在发现这么多新的粒子,不可能选出其中的任何一组作为基本粒子。而且,很容易假设出任意多种强相互作用的量子场论,但有什么用呢?强相互作用很强——太强了以至无法做近似计算。一些理论学家至少在强相互作用方面,甚至彻底放弃了量子场论,只依赖于散射过程的一般特征。
另一个问题是,我们应该如何解读像同位旋守恒这样的近似对称,或者更深奥的自发破缺的对称性(比如解释了低能量π介子性质的那一种),甚至更加近似的对称性呢(比如将奇异粒子与普通粒子联系在一起的那一种)?[15]即使是在时空中逆转方向的不变性(分别被称为P守恒或镜像对称,及T守恒),以及交换粒子和反粒子的守恒(被称为C守恒),也被证明是近似的。如果对称性反映了自然的简单性,近似对称是否反映了自然的近似简单性呢?
对于弱相互作用,我们有过一个很好的、符合实验的量子场论,也就是费米在1933年提出的β衰变理论。但是当不满足于最低近似后,这一理论则给出了无穷大的结果,并且显然不能通过重整化消除这个结果。
20世纪六七十年代,一种关于基本粒子的量子场论的发展克服了所有这些障碍,这就是标准模型。它基于精确的局域对称性,其中有些对称是自发破缺的,有些不是。[16]LHC无疑会向我们揭示,弱核力和电磁力之间的局域对称性是通过什么机制自发破缺的。出现在标准模型中的基本粒子是经过选择的——夸克(质子、中子和相关的强相互作用粒子的组成单元)、轻子(电子、中微子和相关弱相互作用粒子)以及与局域对称性相关的玻色子(光子、传递强核力的胶子,以及在β衰变中传递弱核力的W和Z粒子)。对于质子和中子这样的由夸克组成的强相互作用粒子,做出太多计算仍然很难,但是强核力在高能量下变弱使得很多事情可以被计算出来,所以我们知道这一理论是正确的。
重整化的条件强加给标准模型一种简单性——只有场的组合及其变化率的单位(在将普朗克常数和光速取值为1的单位系统里)是质量的4次方或者更少次方,这样的场才能出现在场方程里。[17]必须要满足这一条件,才能将扰动理论中遇到的所有的无穷大吸收到方程中重新定义的有限个常数中。
这一简单性自然地解释了一些神秘的近似对称,例如同位旋守恒这样的强相互作用的近似对称。这一理论的强相互作用部分不会复杂到足以打破这些对称,除了最轻的夸克质量会引起一些小的影响。类似的,强核力和电磁力的理论不会复杂到打破奇异性和其他特性的守恒,或(除了一些细微的量子效应)P、T和C守恒。
显然,有必要超越标准模型。有一种神秘的夸克和轻子质量谱,我们已经关注数十年了,就像它们是一种未知语言中的符号,而我们无法读懂它们。还有,要解释宇宙学中的暗物质也需要超越标准模型的东西。[18]
现在,众所周知,标准模型只是一种有效场论,是某种未知的更基本理论的低能近似。这种更基本的理论涉及比我们熟悉的质量范围高得多的质量等级。任何与量子力学和狭义相对论一致的理论(还有一个技术要求,远距离实验具有不相关的结果)都会像一种量子场论一样研究足够低的能量。这些有效理论中的场对应着基本的或者不基本的粒子,这些粒子的质量足够小,可以在探讨的能量内被产生出来。因为有效场论并不是基本理论,所以不能指望它们太简单。相反,在有效理论的方程中,与假设的对称性一致的无限种可能项都会出现在理论里,每一个都与这个理论的一个独立常数相乘。
这样一个具有无限个自由参数的理论,看起来可能没有太多预测能力。有效理论的用处在于一种情况,任何让方程中的一项变得更复杂的过程,比如加入场的因子或其变化率,都会增加它的维度(即它的单位,用质量的次方表示)。因此,除了有限的项以外,其他所有项的单位都会是质量的4次方以上。这些复杂项的系数必须和某些特征质量的负数次方成比例,才能让方程中的所有项单位相同。如果有效场论是通过抛弃(“积分掉”)一个基本的理论(或者至少是更基本的理论)的高能量自由度而得到的,那么表征更高维度相互作用强度的质量会和基本理论的质量量级相同。只要有效场论只用于探索比这一质量量级低得多的能量范围,有效场论就提供了一个近似的系统。这不是通过计数像电子电荷这样的小的相互作用常数的次方,而是先除以基本理论中的大得多的特征能量,然后对能量的次方计数做到的。
因为存在某些相互作用的单位超过质量的4次方,所以有效场论不能像量子电动力学一样被重整化。也就是说,超过最低的近似之后,会遇到无限个能量的和,其中会有不能通过重新定义消除的无穷大。重新定义,即“重整化”,是针对理论中有限个参数进行的。但是这些无穷大可以通过对理论中实际存在的无限个参数进行重新定义而被消除。在每一级近似中,只会遇到有限个自由参数,以及有限个无穷的和,这些无穷大总可以通过对这些自由参数的重整化被消除。
有效场论在研究低能量π介子时被第一次使用,低能量π介子潜在的质量量级大约是1 000MeV。这一有效理论也被扩展到了涉及固定数量的中子和质子的过程中。π介子、中子和质子的有效场论的对称性,尽管是自发破缺的,但是不允许任何传统上可以重整化的相互作用(就像量子电动力学中的可重整化)。
类似的,在万有引力的量子理论中,理论在一般时空坐标变换下的不变性不允许任何传统上可以重整化的引力相互作用。量子引力也被当作一种有效场论。量子引力的问题不是它的无穷大,而是它在足够高的能量下会失去一切预测能力的事实(就像其他所有的有效理论一样)。这里的能量是所谓普朗克能标,质量量级大约是1021MeV,万有引力在这一能标下变成了一种强核力。
讽刺的是,关于β衰变的老的费米理论原本可以被当作一种有效场论的一部分,前提是把质子、中子、电子和中微子之间的相互作用都只当作能量除以约10 000MeV后逐渐升高的次方各项之和的第一项。在这个展开式的下一级中,我们会遇到无限积分,但这些积分可以通过对几个新的相互作用的重整化变成有限。事实证明,费米理论的基本理论早在人们理解怎样把费米理论作为一种有效场论的一部分来使用的时候,就已经被发现了。这里的基本理论就是标准的弱电统一理论,它允许对于远远超过10 000MeV,甚至可能高达1018MeV的能量,使用近似理论。
如果标准模型是一种有效场论,我们期待应该会有一些项补充到它的方程里,这些项的单位超过质量的4次方。实际上,是对称原理允许的所有项,这些项必须通过某些大的新的质量负数次方来抑制。
近年来我们发现了一些证据,表明确实存在一个新的质量量级,在1019MeV附近。标准模型的重整化操作自动使重子数和轻子数守恒,但是没理由相信存在绝对的守恒定律。[19]实际上,中微子质量极小的发现说明,必须要将轻子数不守恒的不可重整化的一些相互作用补充到标准模型里,这些作用被一个约为1除以1019MeV的系数抑制住。我完全相信在即将来临的一个世纪里,我们将会找到类似的被抑制的重子不守恒的过程,因此质子衰变将会成为粒子物理学家们重点关注的一个问题。
当然,早在发现中微子质量之前,我们就知道存在一些标准模型之外的事物,暗示存在质量量级超过1019MeV的新的物理,已经存在的万有引力在那样的能量下就变成了强核力。还有一个事实是,标准模型中决定各力的强度的三个独立参数在1018MeV~1019MeV的能量等级之间似乎会收敛到同一个值。
关于怎样超越标准模型,有很多的好主意,包括超对称和曾被称为弦理论的理论,但是目前还没有实验数据能证实其中任何一个。即使政府对粒子物理学家慷慨得超过我们最疯狂的想象,我们可能也永远建不出能量达到1018MeV~1019MeV的加速器。某一天我们可能会探测到早期宇宙发射出的高频引力波,它会告诉我们高能物理过程。同时,我们希望LHC及其后继者们会提供一些我们极度需要的线索,让我们能够超越过去100年里的种种成功。
这些都值得吗?我们真的需要知道为什么有三代夸克和轻子,或者自然界是否遵守超对称,或者暗物质是什么吗?是的,我这样认为。因为解答这类问题是了解自然中一切规律(非历史偶然性的一切)是如何遵循几条简单定律的下一步。
在卢瑟福发现原子核之后的这些年里,随着量子力学的出现,这一计划第一次有了实现的可能。在那之前,化学被视为另一门独立科学,其基础理论与物理原理并不相关——以至在19、20世纪之交,尽管在通过物理原理推出化学定律方面还没有做任何工作,科学家便开始说物理学已经完成了。物理学家们并不担心那些,因为对他们来说,解释化学并不是他们的工作。但是在1929年,量子力学发展起来之后,狄拉克宣布“更广泛的物理学和整个化学的数学理论所需要的内在物理规律已经完全知晓了”。
这一还原论的计划——将所有科学原理追溯到几条简单的物理定律——并不是唯一重要的科学,甚至不是唯一重要的物理学。但它自有一种特殊的重要性,将会继续激励下一个世纪的粒子物理学家们。
[1]在薛定谔发展的这一版本的量子力学中,一个系统的状态用一个波函数描述。如果系统是单个粒子,比如原子核电场中的电子,它的波函数是一列数字,每个电子可能占据的位置都对应一个数字。数字最大的地方,就是粒子最有可能在的地方。波函数决定着这些数字在位置和时间上的变化。
[2]自旋这一物理量,表征粒子绕着某条给定的线进行的旋转。具有1/2自旋的粒子具有光子自旋的一半。光子是一种粒子,大量光子组成了一束光。
[3]已经在2012年被发现了。
[4]在量子场论中,量子力学被应用到场中,比如电场和磁场,而不是直接应用于粒子。量子场论中的基本粒子是各种场里成束的能量和动量。
[5]β衰变是原子核的一种放射性衰变,在这种衰变中,一个质子变成一个中子,或者反过来。
[6]库仑势垒是原子核的正电荷与α粒子的正电荷之间的排斥,或者原子核与用来探测原子核的其他带正电粒子之间的排斥。
[7]中微子是电中性的,相互作用非常微弱。在β衰变中,它们和原子核释放出的电子分享能量,但是除此以外,想要探测到它们非常难。
[8]正电子是电子的反粒子,和电子具有完全相同的质量、自旋,并具有同样大小的电荷,只不过是正电而不是负电。
[9]费米子和玻色子的区别是,当全同粒子交换时,两者波函数变化的方式不同。如果是费米子,波函数就要改变符号;如果是玻色子,就不改变。一个像原子核这样的复合系统,如果其中包含奇数个费米子,系统就是费米子;否则就是玻色子。中子、质子和电子是费米子,所以如果氮14的核由14个质子(赋予它所观察到的重量)和7个轻得多的电子(和7个质子的电荷相同,赋予它观测到的净电荷)组成,那么它就会是费米子。但是两个氮原子组成的分子表明氮14的核实际上是一个玻色子,如果它包含7个质子和7个中子(确实如此),就会如此。
[10]MeV代表百万电子伏特,在核物理中是一个方便的能量和(使用爱因斯坦质能关系的)质量单位。比如,一个电子质量中的能量约为半个MeV。
[11]在本书第11篇文章中详细讨论了对称性,那篇文章是专为普通读者写的。
[12]这是一个不变性原理,要求在中子和质子变成对方,甚至是变成质子和中子的混合物后,决定中子、质子及其相互作用力的方程应该没有变化。
[13]在20世纪30年代早期,人们注意到,在电子和电磁的量子理论中,当能量计算不再停留于最简单的近似,能量就变成了无穷大。人们认识到如果对电子的质量和电荷,以及电子和光子的场进行恰当的重新定义(“重整化”),这些无穷大将会被抵消,于是这一问题得到了解决。
[14]这些粒子看起来奇异是因为它们只能彼此结伴产生,永远不会单独产生。
[15]如果决定物理现象背后的方程遵循一种对称性,但是物理现象本身不遵循,这种对称性就是自发破缺的。
[16]局域对称性,也被称为规范对称性,是物理方程在适当变形下守恒的原理。这些变形的效果(不像同位旋对称变换)随时空变化而变化。
[17]普朗克常数是量子力学的基本常数,是由马克斯·普朗克在他1900年的热辐射理论中引入的。
[18]暗物质是一种通过其万有引力效应才被了解到的物质,天文学家们告诉我们,它组成了宇宙质量的大约5/6。
[19]重子是质子、中子和存在强相互作用的粒子。轻子是电子、中微子和存在弱相互作用的粒子。重子数和轻子数守恒意味着,重子总数减去其反粒子总数的差值永远不变,对轻子也是一样。

04 安息于得州的教育家和学者们

我从来没有多想过我的葬礼。我只需要一个不错的骨灰盒,甚或一个空的咖啡罐。但是当奥斯汀的得克萨斯州墓园为我和我妻子提供了一块墓地的时候,我忍不住觉得很高兴。州墓园在奥斯汀的东边,是一块宜人的绿地,附近一个街区有家不错的墨西哥餐馆。在纽约、加利福尼亚州和马萨诸塞州生活了多年之后,我和妻子在得克萨斯州安了家,并且很高兴地了解到我们在这里会永久地受到欢迎。
所以当得克萨斯大学出版社邀请我为他们一本关于州墓园的书撰稿时,我出于感恩之情同意了。他们邀我为关于安葬在公墓中的教育者和学者们的章节写一篇导言。我不得不挖掘了得克萨斯的一些历史片段,希望这些历史能够吸引那些原本对墓园没有兴趣的读者。
当移民们初到得克萨斯的时候,他们面临着诸多问题,包括开荒农垦、与印第安人战斗、处理得克萨斯独立战争和内战造成的严重分歧,问题多到根本顾不上担忧高等教育。即便如此,从一开始就有一些得州人梦想着建立一个文明社会,拥有高等学院和大学方显其荣耀。最初的学院是在得克萨斯共和国时期建立的小型教会学校:1840年成立的西南大学,以及1845年成立的贝勒学院,即如今的玛丽·哈丁——贝勒大学。三一大学(以三一河命名)则是在美国内战后的1869年建立。
这些学校得到的资助都无法与东部的哈佛和耶鲁相提并论。只有州政府有资源可以建成一所重点大学。得克萨斯共和国曾呼吁建立一所“一流”大学,并且留出周长240多千米的土地作为资助,却从未真正着手建设一所大学。博物学家吉迪恩·林瑟肯作为第一位在科学上获得国际声誉的得州人,是自学成才的,也从没在大学任职。
1876—1881年,得州终于开始建立大学:得州农工大学卡城分校、草原风光农工大学、得州大学奥斯汀分校以及加尔维斯顿的医学部。这一过程中,贡献最大的是阿什贝尔·史密斯,他是草原风光农工大学成立的总干事、得州大学建校校委和首任校长,并且是医学部的倡导者。
从此以后,得州的大学和学院的能力和知名度逐渐提高。其中三所——得州大学奥斯汀分校、得州农工大学卡城分校、莱斯大学,现在都是国际知名的研究中心;得州大学医学部和贝勒大学医学院位居国际最优之列;得州的其他多所学校都有其优异之处。
高等教育的发展既影响了得州的公众生活,同时也受其影响。曾长期担任得州大学法学院院长的佩杰·基顿,在20世纪五六十年代坚定地维护了学术自由,并且遵从最高法院决议的指令和精神,让法学院对黑人学生开放。首位黑人女众议员芭芭拉·乔丹为公众效劳一生之后,来到了得州大学LBJ学院,将她的智慧和精神贡献给了学院。
尽管得州的高等教育在不断发展,在得州墓园中安息的学者和科学家却屈指可数。部分原因是在很多年里,墓园只接收内战退伍军人、州当选官员、州议会成员以及这些人的家属。得到了州长的文告或者在立法行动之后,墓园才接纳了历史学家弗兰克·多比和佩杰·基顿。1997年,立法机关成立了得州墓园委员会,这一委员会可以决定接收在任意领域为本州做出了杰出贡献的得州人。教育者们大概不会拥有可以和“得克萨斯之父”斯蒂芬·奥斯汀或者美国内战时的南方首任两线总司令阿尔伯特·西德尼·约翰斯顿纪念碑比肩的墓碑,但是至少他们可以安息在此,为得州科学与学术的繁荣给出无声的证明。

05 标准模型的兴起

《纽约书评》创刊于1963年,正值导致《纽约时报》和其他一些报纸停刊的印刷工人罢工期间。在罗伯特·西尔弗斯和芭芭拉·爱泼斯坦(直到2006年去世)的带领下,《纽约书评》逐渐发展,被另一家杂志称为“最重要的英文语言文学知识杂志”。自从我在1995年发表了我的第一篇文章,我一直非常享受为《纽约书评》写作。《纽约书评》给作者们提供了一个表达看法的机会,范围不仅可以超出对所评书籍的价值的判断,有时甚至完全不需要做任何评论。而且我发现,和西尔弗斯一起工作,使我的写作水平有了显著提高,而我和其他期刊的编辑合作时并不总是这样。所以2013年,当我被邀请和其他24位作者一起为《纽约书评》的50周年纪念特刊撰稿时,我非常高兴。下面的文章在2013年11月发表于50周年纪念特刊上。
在过去50年里,物理学的两大分支都发生了历史性的转变。我记得宇宙学和基本粒子物理学在20世纪60年代都是一片嘈杂,充斥着相互矛盾的猜想。现在,两个领域各自有了一个被广泛接受的理论,被称为“标准模型”。
宇宙学和基本粒子物理学跨越了我们所知的最大距离到最小距离。宇宙学家们展望宇宙的边际,这是自从138亿年前宇宙对光变得透明之后,光可以传播到的最遥远的距离。基本粒子物理学家们则探索远远小于原子核的距离。然而,这两个标准模型确实有效——它们允许我们进行高精度的数值预测,而且结果与观测相符合。
在某种程度上,宇宙学和粒子物理学的故事可以分开讲。但到本文末尾,就像在我们的科学工作中一样,两者会融为一体。
科学的宇宙学始于20世纪20年代。当时人们发现,在恒星之间的固定位置总可以观察到的那些小小的云状物,实际上每一个都是像我们的银河系一样的遥远星系,其中包含数十亿颗恒星。接下来人们发现,这些星系都在快速地远离我们,也远离彼此。数十年里,宇宙学的研究几乎全都在试图确定宇宙膨胀的速率,并且测量出这一速率可能如何变化。
奇怪的是,几乎没有人注意到一个明显的结论:如果星系在快速分开,那么在过去,一定有一段时间,这些星系都挤在一起。根据所测得的膨胀速率,可以得出结论,这一时间是数十亿年前。20世纪40年代末的计算表明,早期宇宙一定非常热,否则宇宙中所有的氢(目前极其常见的元素)就应该聚合成更重的元素。这种热物质应该会发光,这些光则会存在至今并因宇宙的膨胀而冷却,只比绝对零度高几度,以一种微弱的微波辐射存在。[1]
但是没有人尝试寻找这种剩余宇宙微波背景辐射,这一预言也几乎被忘记了。有一段时间,一些理论学家甚至怀疑宇宙是处于稳恒态的,即有新的物质不断出现,来填充退行星系之间产生的空隙,因此宇宙看起来几乎总是一样的。
48年前,人们偶然发现了宇宙微波背景辐射,科学宇宙学的现代时期就此开始了。稳恒态宇宙学到此为止——早期宇宙确实存在过。从此之后,人们使用地球轨道无人卫星,以及大型地基射电望远镜,深入研究这一微波辐射。我们现在知道,它当前的温度是绝对零度之上2.725摄氏度。当用这一数据计算大爆炸后最初三分钟原子核的形成时,当前轻元素(氢、氦和锂的同位素)的预测丰度与观测基本相符(关于锂有一些疑义)。人们已经知道更重的元素是在恒星内部产生的。
比测量这一温度的精确值更重要的,是1992年的一项发现——天空中的微波辐射温度并不完全相同。温度存在小的波纹,大约有十万分之一的起伏。这并不出乎意料,必须要有早期宇宙中的物质团块引起的这样的小波纹,而这些团块是后来万有引力将物质凝聚成星系所必需的种子。
这些团块和波纹来自早期宇宙物质中混乱的声波。只要宇宙的温度仍高于约3 000度,这种灼热物质中的电子就是自由的,持续地将辐射散射开来,因此这种声波的压缩和稀释就造成了辐射强度上的相应变化。我们不能直接看到这一时期,因为辐射和自由电子的相互作用使这一时期的宇宙不透明。但是当宇宙冷却到3 000度的时候,自由电子被锁在了氢原子中,宇宙就变得透明。当时存在的辐射留存下来,只是被接下来宇宙的膨胀所冷却,但仍然携带着宇宙变透明之前充满宇宙的声波的印记。
这些物理过程不可避免地接受了严密的观测和理论研究。这些工作表明,在原子核形成后的约38万年,宇宙突然变得透明了。根据观测到的宇宙微波背景上波纹的细节,我们可以计算出在宇宙透明之前必然存在的各类基本粒子的丰度。
这项研究的结果揭示了一个谜团。要解释传播声波的灼热物质的质量,我们已知的粒子并不够。宇宙中足有5/6的物质必须是既不发光也不吸收光的某种暗物质。在此之前,人们已经推断出现今宇宙中存在这些暗物质,因为人们观测到星系团中的星系具有很高的随机速度,但星系团仍可以由万有引力吸引到一起。一个巨大的谜题来了:暗物质是什么?围绕这个谜题出现了大量理论。人们也试图用地球上的探测器抓住周围的暗物质粒子或者其湮灭的残余物,或者在加速器中创造暗物质。但是目前为止,人们还没有找到暗物质,也没有人知道它是什么。[2]
天文学家一直致力于测量星系远离我们同时远离彼此的速度。他们的工作有了一个伟大的发现。由于星系之间的万有引力,人们曾自然地以为宇宙的膨胀必然在变慢,就像向上扔的石头在地球万有引力的影响下减速上升一样。一直以来的大问题是,宇宙的膨胀是否会最终停止并且反向,就像石头掉回地面一样;还是尽管在变慢却仍然持续膨胀下去,就像一块向上扔的石头超过了逃逸速度一样。1998年,两组天文学家使用爆炸恒星的视亮度来测量遥远星系的距离,结果都发现宇宙的膨胀根本不是在变慢,而是在加快。在广义相对论的规则下,只能用一种能量解释这一现象,这种能量并不包含在任何暗或者不暗的粒子中,而是空间本身内生的一种“暗能量”,它产生出一种反重力,使星系彼此远离。
通过这些测量,也通过研究宇宙膨胀对微波背景辐射的影响,人们发现暗能量现在占宇宙总能量的大约3/4。我们也了解到,宇宙在变透明后已经膨胀了138亿年。所以现在我们有了一个宇宙学的标准模型:我们正在膨胀的宇宙主要由暗能量和暗物质组成。在这片黑暗之中,有一些小的污染物,百分之几的普通物质,这些物质组成了恒星、行星和我们。
基本粒子物理学的发展进程和宇宙学非常不同。50年前的我们并不是缺乏数据,而是淹没在无法理解的数据之中。进步通常是从理论进步开始的,实验则在相互矛盾的理论之间扮演裁判。
20世纪40年代末期,我们有了一个很好的理论,可以解释作用在诸如电子这样的基本粒子上的一种力——电磁力。这一理论是量子电动力学,它是一大类理论中的一种特殊情况,这一大类理论被称为量子场论。也就是说,出现在基本方程中的量是场,场充满空间,就像水充满水池一样。基本粒子是次要的,是场中的“量子”,即场的能量与动量的束,就像水中的漩涡。光子是光的无质量的粒子,是电磁场的量子。电子则是电场的量子。
因为力相当微弱,量子电动力学中的计算可以做得极为精确。在一种量子场论中,任何过程的可能性都由很多项之和给出,其中每一项对应于发生过程中可能出现的中间步骤的一种顺序。比如,当两个电子碰撞的时候,一个电子可能释放出一个光子由另一个电子吸收;或者一个电子可能释放出两个光子由另外一个电子吸收(吸收顺序是释放的顺序或者相反的顺序);或者一个电子可能发射两个光子,其中一个光子被发射它的电子吸收,另一个光子被另一个电子吸收;等等。
这些场景的总数量是无限的,通常不可能精确计算。但是当力较弱时,过程概率主要来自最简单的场景。在量子电动力学中,只留下几个贡献最大的项,其他都忽略掉,得出的结果与实验惊人地吻合。50年前,我们中的一些人梦想找到一种更全面的量子场论,希望能够像量子电动力学描述光子和电子那样,对自然中所有的粒子和力进行那么贴切的描述。事实也的确(多多少少)如此。
这花了一些时间。还有一种力比电磁力更弱,叫作弱核力,它有时会将原子核中的中子变成质子,或者把质子变成中子。到了20世纪50年代,人们通过研究放射性得到了关于弱核力的量子场论,它可以很好地解释现有数据。麻烦是,将这一理论应用到熟悉的放射性领域之外,并用它计算难以进行实验研究的异常过程时,它给出了无穷大的结果,这显然是荒谬的。在量子电动力学的早期发展中也遇到过类似的无穷大,但是理论学家们后来意识到,如果我们仔细地定义电子的质量和电荷(这一过程被称为重整化),这些无穷大都会抵消。[3]但是对于弱核力,似乎不可能存在这样的抵消。
20世纪60年代末发现的解决办法是关于弱核力的一种新量子场论。这一理论不仅模仿了量子电动力学,而且将量子电动力学作为一种特殊情况包括了进来。在这种“电弱”理论中,就像电磁力通过交换光子传递一样,弱核力是通过交换W+WZ0等相关粒子传递的。
这类理论有一个显而易见的问题:光子没有质量,而W+WZ0粒子必须非常重,否则人们在数十年前就该发现它们了——粒子越重,在加速器中产生它所需的能量就越大,加速器就越昂贵。答案在于所谓对称破缺的想法,这一想法自从1960年就已经成功应用到了粒子物理学的其他领域。一个理论的方程可能具有特定简单性,比如光子、W+WZ0粒子之间的关系,但描述我们实际观察结果的方程的解却不具有这种性质。[4]在电弱理论中,弱核力与电磁力的对称性是破缺的,W+WZ0粒子以及电子从4个假设的充满宇宙的“标量”场中获得质量。[5]2012年发现的一种新粒子看起来是这些标量场之一所预言的量子。[6]
因为电弱理论的方程与量子电动力学的方程类似,看来这一理论中所有无穷大可能会抵消。这在1971年得到了证实。1973年,人们探测到了Z0粒子交换的效应,并且结果符合电弱理论的预期。W+WZ0粒子则在10年后被发现,它们的性质都符合人们的预期。
人们又多花了一些时间才理解另一种力——强核力,它将原子核中的质子和中子聚集在一起。50年前,关于这种力的数据堆积成山,并且我们可以想出无数的量子场论描述这种力,但我们无法用这些数据挑选出正确的理论。因为这种力很强,在这些理论中,中间步骤的每种可能顺序都为我们的计算结果做出了重大的贡献。我们不可能像对电弱理论那样近似地将这些贡献加起来。
更糟的是,随着时间过去,人们发现了越来越多类型的粒子,这些粒子都受到强核力作用。所有这数百种粒子似乎不可能都是不同场的量子或能量束,每种场对应一种粒子。通过假设它们都是由被称为夸克的几种真正基本粒子组成的复合体,可以在某种程度上理解所有这些粒子。人们假设原子核中的质子和中子由三种夸克组成。但如果是这样,为什么实验者们尚未找到这些夸克呢?我记得一种广泛的令人绝望的怀疑是,强核力能否用某种量子场论来解释?
20世纪70年代早期,正确的理论被发现了。就像成功的电弱理论一样,它也类似于量子电动力学,只是用一个被称为颜色的物理量代替电荷。在这一被称为量子色动力学的理论中,夸克之间的强核力是通过交换被称为胶子的类似光子的8种粒子产生的。量子色动力学解释了一个实验结果——当在精细的距离尺度上研究夸克的时候,比如夸克被高能电子撞击时,它们之间的强相互作用似乎变弱了。这种变弱现象使我们有可能像在电弱理论中一样做一些近似计算,并且结果与实验相符,证实了该理论。
人们从没在任何实验中找到过胶子。一开始,人们认为这是由于这些粒子的质量太大了,不能在现存的加速器中产生出来。就像W+WZ0粒子在电弱理论中获得质量的方式一样,胶子可以通过一种对称破缺获得极大质量。即便如此,为什么从未找到夸克仍然是一个谜。很难相信夸克非常重,它们总不会比质子和中子这样包含夸克在内的粒子还重。
然后一些理论学家提出,既然量子色动力学中的强核力在小距离尺度研究时变弱,也许在大距离尺度研究时它就会变得非常强。因为实在太强,以至不可能将夸克和胶子这样的有颜色的粒子分开。没有人在数学上证明过,但是大部分物理学家相信这是真的。
所以现在我们有了一个基本粒子的标准模型。它的构成包括量子场,以及这些场的量子——各种各样的基本粒子:光子,W+WZ0粒子,8种胶子,6种夸克,电子和两种类似的粒子,三种几乎没有质量的叫作中微子的粒子。这一理论的方程并不是随意的,它们被各种各样的对称原理和无限大的抵消条件严格限制。
即便如此,标准模型也很明显不是终极理论。它的方程包含很多数字,比如各种夸克的质量,这些数字只能通过实验测得,我们不理解为什么会是那样的数值。而且,标准模型并不包括人类了解时间最长也最熟悉的力——万有引力。我们通常使用广义相对论这种场论来描述万有引力,但是它不是一种量子场论,在那种量子场论中,无穷大会像在标准模型中一样抵消。
20世纪80年代起,大量复杂的数学工作被投入一种量子理论的发展。在这一理论中,基本的要素不是粒子或者场,而是微小的弦,我们观察到的弦的各种震动模式形成了各种基本粒子。这些模式之一对应于引力子,是引力场的量子。如果弦论是正确的,它并不会说明标准模型或者广义相对论这样的场论不可靠,只是会将它们降格为有效场论,也就是在我们能够探索的距离和能量尺度上的有效近似。
弦论很有吸引力,因为它包含引力子,不包含无穷大,并且其结构被数学上的一致性条件紧紧束缚住,所以看起来只有一种弦论。不幸的是,尽管我们现在还不了解弦论的基本方程,但有理由相信不论方程是什么,它们都有大量的解。我一直是弦论的粉丝,但是目前还没有人成功找到对应于我们所观测到的世界的一个解,这令人失望。
基本粒子物理学和宇宙学的问题日渐融合。一个经典的宇宙学问题是:为什么宇宙是几乎均匀的呢?宇宙变透明至今的138亿年里,任何物理影响都来不及将我们看到的相反方向上的宇宙联系起来,也来不及将宇宙变成我们观测到的在各个方向上的密度和温度都是均匀的。20世纪80年代早期,人们发现在各种量子场论中,在原子核形成之前,应该有一个更早的“暴胀”时期,在这一时期宇宙以指数方式膨胀。曾经极小的高度均匀的区域在暴胀中扩大到比现在所观测到的宇宙还大,并仍保持近似均匀。这种推理非常可疑,但是它获得了巨大的成功:计算表明,暴胀期间的量子涨落恰好引发了那种混乱的声波,几十万年后,我们现在在宇宙微波背景辐射中看到了这种声波的印记。
暴胀天然就是混乱的。膨胀的宇宙中形成了很多泡泡,每一个都变成了一个大或者小的爆炸,我们称为自然常数的那些数值可能在每一个泡泡里都有所不同。一个泡泡的居民(如果有的话)不能观测到其他的泡泡,所以对他们来说,他们的泡泡看起来就是整个宇宙。所有这些宇宙加起来就是所谓的多重宇宙。
这些不同的泡泡可能会穷尽弦论方程的所有不同解。如果确实如此,要想为我们在大爆炸中观测到的夸克质量和标准模型中其他常数的精确值找到一个合理的解释,就不太可能了,因为它们的取值仅仅是一个巧合,刚好发生在多重宇宙中我们所居住的这个部分。对于我们观测到的宇宙的某些方面,我们必须满足于一个粗糙的人择原理的解释:任何像我们一样能够研究宇宙的生物,必须生活在宇宙中这样的一个部分——其自然常数允许生命与智慧的演化。人类可能的确是万物的尺度,尽管并不完全是古希腊哲学家普罗泰戈拉所表达的那个意思。
到目前为止,对我们观测到的暗能量的数值来说,人择原理的推测似乎是唯一的解释。在标准模型和其他所有已知的量子场论中,暗能量只是一个自然常数。它可能取任何值。如果我们找不到更好的解释,我们可能会发现暗能量的密度与基本粒子物理学中的典型能量密度近似,比如原子核中的能量密度。但是那样的话,这个宇宙就会膨胀得过于迅速,以至不会形成任何星系、恒星或行星。如果想要生命得以演化,暗能量就不能比我们观测的值更大,也没有理由让它变得更小。
这样粗糙的人择原理的解释并非我们在物理学中希望得到的,但可能我们不得不满足于此。物理学的历史性进展并不只是发现自然现象的精确解释,也包括发现哪类事物可以被精确解释。这些事物可能比我们曾经认为的要少。
[1]如果辐射在单位体积和单位波长范围内的能量,与墙壁保持在特定温度时一个房间中的辐射相同,辐射就具有这一温度。如果温度是数千度,这一辐射就主要是可见光的形式;如果是我们在日常生活中熟悉的温度,就主要是红外线的形式;如果是绝对零度之上几度,就是微波辐射。
[2]2018年的时候仍然如此。
[3]也就是说,有些项对于一个概率或能量的贡献是正的无穷大,其他一些是负的无穷大,但是加起来是有限的。
[4]我在之前一篇文章中讨论过这种破缺的对称性,即本书的第11篇文章。
[5]标量场是一个在空间中不指向任何方向的场,不像电场或磁场那样有一个特定的方向。
[6]见本书第13篇文章。

06 长的时间和短的时间

在《数沙者》中,阿基米德通过估算填满宇宙所需要的沙粒数量,展示了他知道如何处理大数字。当然,他并不知道宇宙的大小,他使用的是阿里斯塔克斯估计的到球形宇宙边缘的距离。当时的人认为宇宙是球形的,恒星就在那个球壳上旋转。这没什么关系——他想说的无关天文学,而是关于数学。他用“万”“万万”“万万个万万”等来描述大的数字。这用现代术语来讲要简单多了:一万是10 000,也就是10自乘4次,写作104;万万是104乘以104,即108;万万之万万是108乘以108,即1016;等等。阿基米德的结论用现代记数表示的话,填满宇宙需要的沙子不超过1063粒。
阿基米德在《数沙者》中关注的是体积:用很大的数字乘以一粒沙的体积来表示恒星天球的体积。科学家们也必须处理其他各类非常大和非常小的数量,我们也用10的次方来描述。荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特和斯蒂芬·范多伦将现代物理学中遇到的巨大时间尺度在一本书中做了描述——《时间之幂》,最初以荷兰语出版,并且由特·胡夫特的女儿萨斯基亚画了可爱的插画。2013年7月,我收到了一封特·胡夫特发来的电子邮件,问我能否为这本书的英文版写一篇前言。特·胡夫特是一位伟大的当代理论物理学家,是我的老朋友,而且我一直在思考物理学和天文学历史上遇到的时间尺度,因此我同意了。胡夫特和范多伦这本书的英文版在2014年由世界科学出版社出版,下面的短文就是这本书的前言。
普通人经历的时间跨度从几秒钟到数十年,其中最长和最短的时间间隔相差10亿倍左右。但是科学发展的一个标志就是科学家们越来越熟悉人类生活中体验不到的、极为漫长或者极为短暂的时间间隔。
大约公元前150年,希腊天文学家希帕克观测到秋分时太阳在恒星背景上的位置缓缓移动,按照这个速度,秋分时的太阳需要大约27 000年绕黄道带一整圈。牛顿后来将这种分点进动解释为地球自转轴缓慢晃动引起的效应。而自转轴的晃动则是太阳和月亮对地球赤道凸起的万有引力造成的。现在我们知道地球的自转轴进动每25 727年完成一圈。希帕克第一次对一个远远超过人类寿命的时间间隔进行了严肃的科学计算,而且他的结果误差只有大约5%。
21世纪,我们已经习惯于更长的时间尺度。从铀同位素的相对丰度,我们可以推断,太阳系形成时的原始物质是大约66亿年前一颗恒星爆炸所产生的物质。继续往回看,通过观测星系如今相互远离的速度,我们可以推断出,138亿年前,宇宙中的物质压缩得非常厉害,当时没有星系、恒星,甚至都没有原子——只有灼热浓密的基本粒子气体。
我们的经验向更短时间间隔的延伸更富戏剧性。通过观测类似散射这类与光的波动性有关的现象,在19世纪早期,人们了解到可见光的典型波长是一厘米的大约万分之0.3。当时已知光的传播速度约是30万千米每秒,所以光波的周期,也就是光传播一个波长所需要的时间,就是大约10–15秒(1秒的千万亿分之一)。这和原子中的电子绕转一周的时间(只考虑经典描述)差不了太多。
现代基本粒子物理学所研究的时间间隔还要短得多。W粒子(弱核力令放射性核里的中子转变成质子,而W粒子就是引起弱核力的带电重粒子)的寿命只有3.16×10–25秒,这个时间还不够接近光速飞行的W粒子走过一个原子核的直径。
我觉得非常值得一提的,不仅是科学家们开始面对这些极长和极短的时间间隔,而更令人惊叹的是我们的实验和理论已经足够可靠,所以我们能够给出精确的数字,比如138亿年和3.16×10–25秒,并且有一定的信心认为我们了解自己所谈论的事物。

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