美讓物理學(xué)誤入歧途

琉花

對稱與統(tǒng)一的美

物理學(xué)作為所有科學(xué)中最基本的學(xué)科，它研究自然的本質(zhì)，研究物質(zhì)最基本的構(gòu)成，研究世界上所有的運(yùn)動。小到最基本的粒子，大到無垠的宇宙，我們很容易從物理學(xué)中感受到美。例如，物理學(xué)總是有著對稱之美：粒子與反粒子，正電荷與負(fù)電荷，電生磁與磁生電，動能轉(zhuǎn)化為勢能與勢能轉(zhuǎn)化為動能等。從物質(zhì)存在形式，物理過程再到物理規(guī)律，這些“有序”“均衡”“重復(fù)”的東西，因?yàn)榭臻g上的和諧布局和時間上的節(jié)律協(xié)和，總是能讓我們感受到美。

想必物理學(xué)家也一定是愛美的，不然他們不會由正物質(zhì)的存在，就推測出反物質(zhì)一定存在，雖然反物質(zhì)至今還沒有被徹底研究明白。

物理學(xué)家們會根據(jù)三個美麗的標(biāo)準(zhǔn)選擇理論：簡單、自然和優(yōu)雅。在兩個效果相同的理論中，物理學(xué)家傾向于選擇更簡單的，甚至是絕對簡單的。當(dāng)理論還不夠簡單的時候，他們就會通過統(tǒng)一幾種力或者假設(shè)新的對稱來讓理論變簡單。第二個標(biāo)準(zhǔn)是自然，自然是一種試圖擺脫人為因素的嘗試。這一準(zhǔn)則通常適用于沒有單位的常數(shù)值，例如基本粒子質(zhì)量比，自然要求這樣的數(shù)字應(yīng)該接近1。如果不是這樣，就會有理論解釋它為什么不是1。美麗標(biāo)準(zhǔn)的第三個方面——優(yōu)雅是最難理解的，它是簡單和驚喜的結(jié)合，是事情步入正軌的那一瞬間，它要我們?nèi)ソ沂臼挛镏g新的聯(lián)系。

物理學(xué)一定要優(yōu)美對稱？

物理學(xué)家認(rèn)為，根據(jù)這三個標(biāo)準(zhǔn)，如果一個理論是美麗的，那么這個理論就是有希望的、可信的。這使物理學(xué)家做出質(zhì)子應(yīng)該能夠衰變的預(yù)測。粒子物理學(xué)表明，如果某粒子的衰變方式不違背任何物理學(xué)守恒定律，那么該衰變方式就可以自發(fā)地進(jìn)行。比如，中子是粒子中質(zhì)量比較大的，它可以很自然地衰變?yōu)楦p的質(zhì)子、電子以及反中微子，這早已被物理學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。那么，比較輕的質(zhì)子呢？雖然物理學(xué)實(shí)驗(yàn)一直沒能證實(shí)質(zhì)子衰變的存在，但質(zhì)子衰變的理論不違背任何守恒定律，所以科學(xué)家相信它肯定存在。

根據(jù)三個美麗標(biāo)準(zhǔn)，物理學(xué)家還預(yù)測，我們應(yīng)該能夠探測到暗物質(zhì)粒子，比如軸子和弱相互作用的大質(zhì)量粒子。許多的實(shí)驗(yàn)被實(shí)行來尋找這種理論上可能存在于宇宙中的不可見物質(zhì)，但到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)任何假設(shè)中的粒子。

20世紀(jì)70年代，為了統(tǒng)一強(qiáng)力、弱力和電磁力這三種基本力，物理學(xué)家建立了一個標(biāo)準(zhǔn)模型。“標(biāo)準(zhǔn)模型”非常成功，很好地統(tǒng)一了三大基本作用力。但根據(jù)三個美麗標(biāo)準(zhǔn)，它又很丑陋——它像個大雜燴，把多達(dá)61種基本粒子全部裝進(jìn)去，既不簡單、也不自然，更談不上優(yōu)雅。因此，物理學(xué)家一直希望尋找一種更簡潔有力的理論來改造標(biāo)準(zhǔn)模型。

因此，超對稱理論登上了粒子物理學(xué)的舞臺。超對稱理論描述了費(fèi)米子（自旋為半整數(shù)的粒子，包括輕子、中子、質(zhì)子等）和玻色子（自旋為整數(shù)的粒子，包括介子、光子、膠子等）之間的對稱性，認(rèn)為每種費(fèi)米子都應(yīng)有一種玻色子與之配對，它們被包括進(jìn)來是為了彌補(bǔ)“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論的審美缺陷。

超對稱理論雖然很漂亮，但不是必須的。即使沒有超對稱，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)模型理論在數(shù)學(xué)上也是說得通的，只是不是特別漂亮。粒子物理學(xué)家利用超對稱性來彌補(bǔ)這一不足，從而使這個理論更加美麗。然而，費(fèi)米子和玻色子之間的對稱性至今在自然界中尚未被觀測到。

拋棄美的桎梏

有科學(xué)家認(rèn)為，過度追求物理學(xué)理論的對稱與優(yōu)美，會讓我們對物理學(xué)的探索誤入歧途。

如果我們仔細(xì)閱讀科學(xué)史，我們應(yīng)該能學(xué)到：美不能作為理論發(fā)展的向?qū)АＴS多美好的假設(shè)都是錯誤的，比如約翰尼斯·開普勒的觀點(diǎn)，行星軌道堆積在規(guī)則的多面體中;還有20世紀(jì)40年代一些學(xué)者提出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，即宇宙處于“穩(wěn)定狀態(tài)”而不是在膨脹。這些理論看起來都很優(yōu)美，但卻都是錯誤的。

一些曾經(jīng)被認(rèn)為是丑陋的理論也經(jīng)受住了時間的考驗(yàn)。當(dāng)開普勒認(rèn)為行星是沿著橢圓而不是圓運(yùn)動時，同時代的人都覺得這太丑了，不可能是真的。保羅·狄拉克指責(zé)更新后的麥克斯韋理論很難看，因?yàn)樗枰獜?fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算公式。然而，那些被認(rèn)為是丑陋的想法是正確的，它們至今仍在被使用，我們不再覺得它們丑陋。

實(shí)際上，很多物理學(xué)理論的進(jìn)步、突破是為了解決數(shù)學(xué)上的矛盾。例如，愛因斯坦廢除了絕對時間觀念，因?yàn)檫@個觀念在數(shù)學(xué)上與麥克斯韋的電磁學(xué)理論相矛盾，從而創(chuàng)造了狹義相對論。然后他解決了狹義相對論和牛頓引力之間的矛盾。狄拉克后來消除了狹義相對論和量子力學(xué)之間的分歧，這導(dǎo)致了量子場論的發(fā)展，今天我們?nèi)匀辉诹Ｗ游锢韺W(xué)中使用量子場論。很多成功的預(yù)測和推論是建立在堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)推理基礎(chǔ)之上的。

因此，當(dāng)物理學(xué)家試圖追尋純粹美麗的理論時，他們可能會把時間浪費(fèi)在那些不是真正問題的問題上。一味要求宇宙規(guī)律符合人類對美的理想是沒有意義的，相反可能還會有害，把物理學(xué)研究帶進(jìn)沒有未來的死胡同。我們應(yīng)該讓扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)引導(dǎo)我們走向新的自然法則，“美”會在那里等著我們。