物理學(xué)的未來(lái)

物理學(xué)要走向何方？我們又要何時(shí)才能抵達(dá)目的地？?jī)晌恢锢砜茖W(xué)家討論他們所處領(lǐng)域的未來(lái)。

未來(lái)屬于那些為它做準(zhǔn)備的人——向美國(guó)宇航局和美國(guó)能源部等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)申請(qǐng)研究基金的科學(xué)家深知這一點(diǎn)。畢竟，空間望遠(yuǎn)鏡或粒子加速器等大型儀器的價(jià)格可能高達(dá)100億美元。

因此，2022年6月，物理學(xué)界開(kāi)始考慮他們下一步要做什么，以及為什么要這么做。

這是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院新設(shè)立的一個(gè)委員會(huì)的研究主題，該委員會(huì)名為“基本粒子物理學(xué)：進(jìn)展與希望”。委員會(huì)主席由兩位著名物理學(xué)家擔(dān)任，分別是加州理工學(xué)院的陳尚義物理學(xué)教授瑪利亞 · 斯皮羅普魯（Maria Spiropulu），以及芝加哥大學(xué)名譽(yù)教授、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)前助理主任、美國(guó)物理學(xué)會(huì)前主席、宇宙學(xué)家邁克爾 · 特納（Michael Turner）。

20世紀(jì)80年代，一部分科學(xué)家開(kāi)始使用粒子物理學(xué)工具來(lái)研究大爆炸和宇宙演化，并利用宇宙來(lái)學(xué)習(xí)粒子物理學(xué)，特納博士正是其中之一。出生于希臘的斯皮羅普魯博士曾在歐洲核子研究組織工作，她所屬的團(tuán)隊(duì)在2012年發(fā)現(xiàn)了學(xué)界尋覓已久的希格斯玻色子。如今，她正使用量子計(jì)算機(jī)研究蟲(chóng)洞的性質(zhì)。該委員會(huì)預(yù)定于2024年6月發(fā)布報(bào)告。

最近，《紐約時(shí)報(bào)》會(huì)見(jiàn)了這兩位科學(xué)家，與他們討論了委員會(huì)的進(jìn)展、過(guò)去20年的得失以及未來(lái)的挑戰(zhàn)。

為什么在此刻開(kāi)設(shè)這個(gè)委員會(huì)？

特納：我覺(jué)得粒子物理學(xué)從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣令人興奮過(guò)，如今，我們有機(jī)會(huì)理解空間和時(shí)間、物質(zhì)和能量，以及基本粒子——甚至有機(jī)會(huì)確定它們究竟是不是粒子。如果你問(wèn)一位粒子物理學(xué)家，這個(gè)領(lǐng)域?qū)⒆呦蚝畏剑銜?huì)得到很多不同的答案。

但是（粒子物理學(xué)的）宏偉藍(lán)圖是什么樣的？這個(gè)領(lǐng)域激動(dòng)人心的地方在哪里？1980年的時(shí)候，我為大統(tǒng)一的想法感到興奮不已，但如今再看，和前方的無(wú)數(shù)可能性相比，它倒顯得微不足道了。

你指的是大統(tǒng)一理論（GUT），它被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)愛(ài)因斯坦夢(mèng)想的途徑之一，愛(ài)因斯坦想要找到一個(gè)能夠包含所有自然力的方程式。我們?cè)诖蠼y(tǒng)一理論上的進(jìn)展如何？

特納：據(jù)我們所知，物質(zhì)的基本構(gòu)成單元是夸克和輕子。支配它們的規(guī)則需要由名為“標(biāo)準(zhǔn)模型”的量子場(chǎng)論來(lái)描述。除了這些基本構(gòu)成單元外，還有力的載體——傳遞電磁力的光子、強(qiáng)色力的8種膠子、弱核力的W和Z玻色子，以及解釋了部分粒子質(zhì)量來(lái)源的希格斯玻色子。對(duì)希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)徹底完成了標(biāo)準(zhǔn)模型的構(gòu)建。

但對(duì)基本規(guī)則的追索并未終止。為什么有兩種不同的基本構(gòu)成單元？為什么有這么多的“基本”粒子？為什么是四種力？暗物質(zhì)、暗能量、引力和時(shí)空又該如何嵌入標(biāo)準(zhǔn)模型中？回答這些問(wèn)題正是粒子物理學(xué)的基本工作。

斯皮羅普魯：難題在于，我們搞不懂希格斯玻色子的質(zhì)量是怎么回事，它大約是氫原子質(zhì)量的125倍。

在我們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的時(shí)候，我們首先預(yù)想的是能夠找到這些其他的、新的超對(duì)稱粒子，因?yàn)槿绻@些粒子不存在，我們測(cè)量到的質(zhì)量就會(huì)是不穩(wěn)定的，但是我們至今還沒(méi)有找到它們。（假如希格斯場(chǎng)崩潰，我們可能會(huì)落入一個(gè)不同的宇宙——而這自然還沒(méi)有發(fā)生。）

這件事對(duì)我是有些打擊的，整整20年來(lái)，我一直在追逐超對(duì)稱粒子。結(jié)果，我們就像車燈前的小鹿一樣嚇呆了：我們沒(méi)能找到超對(duì)稱性，我們沒(méi)能找到暗物質(zhì)粒子。

特納：力的大統(tǒng)一只是粒子物理學(xué)研究的一部分，而非全部。但是，與有關(guān)空間和時(shí)間的更龐大的問(wèn)題相比，它就顯得無(wú)聊了。空間和時(shí)間的本質(zhì)是什么？它們從哪里來(lái)？如今，對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的探討已經(jīng)納入了粒子物理學(xué)的領(lǐng)域。

從宇宙學(xué)的角度來(lái)看，大爆炸是空間和時(shí)間起源之始，至少?gòu)膼?ài)因斯坦的廣義相對(duì)論來(lái)看是這樣的。所以在宇宙起源之時(shí)，空間和時(shí)間是聯(lián)系在一起的。宇宙有盡頭嗎？有多重宇宙嗎？有多少個(gè)空間和時(shí)間？這個(gè)問(wèn)題本身有沒(méi)有意義？

斯皮羅普魯：順便說(shuō)一下，對(duì)我來(lái)說(shuō)，大統(tǒng)一并不無(wú)聊。我就是提一句。

特納：我的意思是相對(duì)而言比較無(wú)聊。它還是很有趣的！

斯皮羅普魯：對(duì)于自然力大統(tǒng)一理論，目前看上去最有力的證據(jù)來(lái)自粒子物理學(xué)。在足夠高的能量下，基本力——引力、電磁力以及強(qiáng)核力與弱核力——似乎變得彼此相等。

但是我們的粒子加速器還沒(méi)有達(dá)到上帝的尺度。所以我們很可能要對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行重新構(gòu)思。在我看來(lái)，終極大律仍然會(huì)是一個(gè)持久的難題，我們需要通過(guò)新的思維方式來(lái)解決它。

特納：我喜歡瑪利亞說(shuō)的。我們可能會(huì)覺(jué)得已經(jīng)把所有的謎題都擺在了桌面上，看起來(lái)就像是，我們看到的四種不同的力只是一種大統(tǒng)一的力的不同方面。但這種表述問(wèn)題的方式可能并不正確。

這就是偉大科學(xué)的特征：你先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，之后往往會(huì)發(fā)現(xiàn)這是個(gè)錯(cuò)誤的問(wèn)題，但你必須先問(wèn)出它才能發(fā)現(xiàn)它是錯(cuò)誤的。如果它的確是個(gè)錯(cuò)誤的問(wèn)題，你就再問(wèn)一個(gè)新的。

弦理論——也就是許多人宣稱的“萬(wàn)物理論”——將自然界中的基本粒子和基本力描述為振動(dòng)的能量弦。我們是否有望更好地理解它？這種所謂的“弦性質(zhì)”只有在比任何粒子加速器所能想象到的還高出數(shù)百萬(wàn)倍的能量層級(jí)上才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。一些科學(xué)家批評(píng)稱，弦理論并不屬于科學(xué)范疇。

斯皮羅普魯：它是不可驗(yàn)證的。

特納：但它是一種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具。如果你回顧一下過(guò)去2 500年間科學(xué)的進(jìn)步，從一開(kāi)始根本沒(méi)有數(shù)學(xué)的米列希安人，一路到現(xiàn)在，你會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)一直是加速科學(xué)進(jìn)步的項(xiàng)目。幾何、代數(shù)、牛頓和微積分，還有愛(ài)因斯坦和非黎曼幾何。

斯皮羅普魯：我有一個(gè)更大膽的論點(diǎn)，我要說(shuō)弦理論是一個(gè)框架，就和我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的其他框架一樣，而我們?cè)噲D在這些框架中解釋物理世界。標(biāo)準(zhǔn)模型也是一個(gè)框架，并且事實(shí)已經(jīng)證明，在我們可驗(yàn)證的能量范圍內(nèi)，這個(gè)框架是有用的。

特納：或者也可以說(shuō)，我們是創(chuàng)造了新的詞匯和語(yǔ)言來(lái)描述自然。數(shù)學(xué)是科學(xué)的語(yǔ)言，而我們的語(yǔ)言越豐富，我們就越能充分地描述自然。我們必須要等待一段時(shí)間，看看弦理論能帶給我們什么結(jié)論，但我認(rèn)為它能帶來(lái)的東西是很龐大的。

弦理論有許多特點(diǎn)，其中之一是，它的方程似乎有10???個(gè)解，描述了10???個(gè)、甚至是更多可能存在的不同宇宙。我們是否生活在多元宇宙里呢？

特納：我認(rèn)為我們必須解決這個(gè)問(wèn)題，盡管它聽(tīng)起來(lái)很瘋狂。多重宇宙讓我頭痛，它至少在現(xiàn)階段是不可驗(yàn)證的，因此它不是科學(xué)。但它可能是我們這個(gè)時(shí)代最重要的概念。這是必須擺在臺(tái)面上討論的事情之一。不管它會(huì)不會(huì)讓我們頭痛，我們都得解決它。它也要“非升即走”，要么升格為科學(xué)的一部分，要么被剔除出科學(xué)。

宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)有說(shuō)明宇宙的95%是什么，這為什么會(huì)被認(rèn)為是一場(chǎng)勝利？其中只有5%是原子物質(zhì)，比如恒星和人類，25%是其他“暗物質(zhì)”，另外大約70%是更奇怪的東西——邁克將其命名為“暗能量”——而它們正在導(dǎo)致宇宙加速膨脹。

特納：沒(méi)錯(cuò)，這就是一個(gè)巨大的成功，是的。我們已經(jīng)為所有主要的組成部分命名了。

但你并不知道其中大部分都是什么東西。

斯皮羅普魯：當(dāng)我們探到極深處時(shí)，就會(huì)停滯不前。在某個(gè)時(shí)刻，我們需要改變策略——改變問(wèn)題或是改變方法。歸根結(jié)底，理解宇宙的物理學(xué)不是在公園散步那么簡(jiǎn)單。得不到回答的問(wèn)題比得到了回答的問(wèn)題更多。

如果大統(tǒng)一是錯(cuò)誤的問(wèn)題，那么什么才是正確的問(wèn)題？

特納：我認(rèn)為，如果你想談?wù)摽臻g、時(shí)間、物質(zhì)、能量和基本粒子，那你必須先討論宇宙的歷史。

大爆炸看起來(lái)像是空間和時(shí)間的起源，于是我們可以問(wèn)，空間和時(shí)間到底是什么？愛(ài)因斯坦向我們展示了它們不僅僅是事物發(fā)生之處，就和牛頓說(shuō)的一樣。它們是動(dòng)態(tài)的：空間可以彎曲，時(shí)間可以變形。但如今，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好回答這個(gè)問(wèn)題了：它們從哪里來(lái)？

我們是時(shí)間的產(chǎn)物，所以我們認(rèn)為宇宙的一切都和時(shí)間有關(guān)，而這種看待宇宙的方式可能是錯(cuò)誤的。

我們必須牢牢記住你之前說(shuō)的話。粒子物理學(xué)中的許多工具需要很長(zhǎng)時(shí)間才能開(kāi)發(fā)出來(lái)，而且非常昂貴。這些投資總是有回報(bào)的，它們往往會(huì)帶來(lái)巨大的驚喜，從而改變科學(xué)的進(jìn)程。

這讓進(jìn)步變得具有挑戰(zhàn)性。但我對(duì)粒子物理學(xué)持樂(lè)觀態(tài)度，因?yàn)槿缃裼兄八从械膶拸V機(jī)會(huì)，而且這個(gè)領(lǐng)域多年來(lái)一直處于科學(xué)的前沿。從粒子物理學(xué)的研究中生發(fā)出了大型的、全球性的科學(xué)學(xué)科，以及國(guó)家級(jí)、全球性的設(shè)施。如果我們以史為鑒，那么我們敢說(shuō)，沒(méi)有什么能夠阻止他們回答這些重大的問(wèn)題！

詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡用了三十年時(shí)間才造好。

斯皮羅普魯：空間——瞧，我說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)！

特納：我的意思是，科學(xué)就是一個(gè)又一個(gè)宏大的夢(mèng)想嘛。有時(shí)候你無(wú)法立刻觸及你的夢(mèng)想。但科學(xué)已經(jīng)讓人類做到了一些偉大的事情——新冠病毒疫苗、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)、激光干涉引力波天文臺(tái)、韋布望遠(yuǎn)鏡——它們擴(kuò)展了我們的視野，增強(qiáng)了我們塑造未來(lái)的能力。如今，在我們做這些大事的時(shí)候，是通過(guò)合作實(shí)現(xiàn)它們的。如果我們繼續(xù)心懷遠(yuǎn)大的夢(mèng)想、攜手并進(jìn)，前方還有更令人驚嘆的事情。

資料來(lái)源 The New York Times

本文作者丹尼斯 · 奧弗比（Dennis Overbye）于1998年加入《紐約時(shí)報(bào)》，自2001年起擔(dān)任記者。他著有兩本書(shū)：《環(huán)宇孤心：探索宇宙奧秘的故事》和《戀愛(ài)中的愛(ài)因斯坦：科學(xué)羅曼史》。