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20 世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，物理學(xué)在20 世紀(jì)取得了突破性的進(jìn)展, 改變了世界以及世界和人們對世界的認(rèn)識。《20世紀(jì)物理學(xué)》是由英國物理學(xué)會、美國物理學(xué)會組織發(fā)起, 由各個領(lǐng)域的知名學(xué)者（有很多是相關(guān)領(lǐng)域的奠基者、諾貝爾獎獲得者）執(zhí)筆撰寫，系統(tǒng)總結(jié)20 世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展的宏篇巨著，其內(nèi)容涵蓋了物理學(xué)各個分支學(xué)科和相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。全書共分3卷27章，最后一章為3位物理學(xué)大家對20世紀(jì)物理學(xué)的綜合思考和對新世紀(jì)物理學(xué)的展望，本文即為其一。 該書全套正在賽先生書店熱銷。價格優(yōu)惠，全場免郵，點擊文章底部“閱讀原文”即可購買。 撰文Steven Weinberg （溫伯格，1979年諾貝爾物理學(xué)獎得主）翻譯曹則賢（中國科學(xué)院物理研究所研究員） 二十世紀(jì)末科學(xué)的狀態(tài)與世紀(jì)初相當(dāng)不同。不只是我們現(xiàn)在知道的更多了——在這個世紀(jì)里我們還理解了科學(xué)知識的模式。在1900年的時候，許多科學(xué)家認(rèn)為物理、化學(xué)和生物學(xué)是各自運作在一套獨立的規(guī)律之下的。科學(xué)的版圖據(jù)信由一些分立的共同體組成，它們和平相處且又各自為政。少數(shù)一些科學(xué)家抱持著牛頓的所有科學(xué)大融合的夢想，但對達(dá)成這樣的大融合所依據(jù)的條件缺乏明確的想法。今天我們知道化學(xué)現(xiàn)象之所以如此是因為電子、電磁學(xué)和那一百種左右的原子核的物理性質(zhì)。當(dāng)然，生物學(xué)以一種不同于物理和化學(xué)的方式牽扯到歷史偶發(fā)事件，但是驅(qū)動生物進(jìn)化的遺傳機制如今在分子的術(shù)語基礎(chǔ)上得到理解，而生機論，即關(guān)于獨有的生物學(xué)規(guī)律的信條，無疑地已消亡了。這實在是一個還原論獲勝的世紀(jì)。 同樣的還原論傾向也見于物理學(xué)領(lǐng)域。問題不是我們?nèi)绾螐氖挛锢韺W(xué)研究的實踐，而是我們?nèi)绾慰创匀槐旧怼Ｓ性S多有趣的難題等待著被解決，這包括過去遺留下來的如湍流一類的問題和新近出現(xiàn)的高溫超導(dǎo)之類的問題。這些問題必須用其自身特有的詞匯加以闡述，而不是還原到基本粒子物理的層面。但是，到這些難題被解決時，其解的形式將是自已知的物理定律，比如流體力學(xué)或電磁學(xué)的方程，所作的現(xiàn)象推演；若我們欲問一問為什么這些方程取這樣的形式，我們循著得到答案的中間步驟會抵達(dá)同樣的源頭：基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型。基本粒子理論同引力理論和宇宙學(xué)一道構(gòu)成了整個科學(xué)知識的最前沿。 標(biāo)準(zhǔn)模型是一種量子場論。出現(xiàn)在其方程里的自然之基本要素是場：我們熟知的電磁場和二十種左右的其它場。所謂的基本粒子，如光子、夸克和電子，是場的“量子”，即場的能量和動量束。這些場以及它們之間的相互作用之性質(zhì)很大程度上是由對稱性原理[1]，包括愛因斯坦的狹義相對論以及可重整化原理[2]所支配的；此原理規(guī)定場之間只能通過某些特別簡單的方式發(fā)生相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)經(jīng)受住了已有實驗設(shè)施所能夠加于其上的所有考驗。 但標(biāo)準(zhǔn)模型顯然不是故事的終結(jié)。我們不知道它為什么遵從某些而不是別的對稱性，或者為什么它要包含六種夸克，而不是比這多一點或少一點。此外，標(biāo)準(zhǔn)模型中有18個之多的數(shù)值參數(shù)（像夸克質(zhì)量比）必須手工調(diào)節(jié)以使得模型的預(yù)言同實驗結(jié)果相符合。最終一點，引力依然不能被帶入標(biāo)準(zhǔn)模型的量子場論框架中去，因為引力作用并不滿足支配其它相互作用的可重整性。 當(dāng)前我們有必要朝向一個關(guān)于自然的真正統(tǒng)一的觀點邁出下一步，但不幸的是這下一步非常艱難。我們似乎是處于德謨克利特當(dāng)年一樣的境況——我們看到了一個統(tǒng)一理論的輪廓，但這個理論的結(jié)構(gòu)只當(dāng)我們在遠(yuǎn)小于實驗室里能觸及到的距離尺度上檢視自然才會變得清晰起來。德謨克利特推測原子的存在，二千年后在比他本人小十個數(shù)量級（小一百億倍，或者是10-10 倍）的尺度上原子被發(fā)現(xiàn)。今天我們推測有一個能夠?qū)⑺邢嗷プ饔媒y(tǒng)一的理論，我們也看到這個理論的結(jié)構(gòu)比我們實驗上能夠研究的距離尺度要小得多。 關(guān)于這個基本尺度我們有兩條線索。其一是強核力（即把夸克約束在原子核里面的粒子里面的作用力）的強度隨距離的減小非常緩慢地減弱，而電磁力和弱核力[3]卻是更加緩慢地增加的，所有這些力的強度，按照目前的估計，在電子大小[4]的10-16 倍的距離尺度上變得相等。另一個線索是引力在電子大小的10-18 倍的距離尺度上變得和其它相互作用一樣強。這兩項估算很接近，讓我們相信確實存在一個終極的統(tǒng)一理論，其結(jié)構(gòu)在電子大小的10-18 ~ 10-16 倍的距離尺度上才變得清晰起來。但僅從純數(shù)值來看，我們離能看到這些結(jié)構(gòu)的差距，比起德謨克利特要看到原子的差距，要大得多。 那么我們現(xiàn)在怎么辦？我相信我們沒有理由談?wù)摶疚锢淼慕K結(jié)。我也不認(rèn)為（盡管我不是很肯定）物理的風(fēng)格有必要作大的改變。在我看來遵循本世紀(jì)行之有效的還原論的模式就有很大的希望取得進(jìn)步。明確一點說，有兩條路線還沒有窮盡：一條高的，一條低的，這里的“高”和“低”指的是欲研究之過程的能量的高低。 路線之一，低的，就是通過理論物理學(xué)家和實驗物理學(xué)家的共同努力，在實驗室可達(dá)到的能量尺度上努力達(dá)成對物理學(xué)的理解。能量越高，可研究的結(jié)構(gòu)的尺度就越小；憑借不高于萬億電子伏特的能量，我們無法對約為電子大小1%的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。如上所述，此尺度上的物理可以由標(biāo)準(zhǔn)模型加以描述。此理論部分地是基于一個對稱性原理，該對稱性禁止理論方程中出現(xiàn)的、已知的基本粒子獲得任何質(zhì)量。已知粒子之外的某個存在必須打破這個對稱性。在理論的初始版本，這個“某個存在”是充滿宇宙的一個場，它以地球引力場破壞了上下對稱性同樣的方式破壞了（標(biāo)準(zhǔn)模型理論里的）對稱性。該場的量子在實驗中會以粒子的面目出現(xiàn)，被稱為Higgs粒子。還有其它的替代方案，但所有的理論都認(rèn)為若我們在能夠產(chǎn)生萬億電子伏特量級的質(zhì)量——即質(zhì)子質(zhì)量的一千倍——上進(jìn)行碰撞實驗，一定會有標(biāo)準(zhǔn)模型中已知粒子以外的“某個事物”出現(xiàn)。 理解對稱破缺機理的細(xì)節(jié)是至關(guān)重要的，因為是這個機理確立了夸克、電子和其它已知粒子的質(zhì)量尺度的。而在最簡單版本的標(biāo)準(zhǔn)模型理論中出現(xiàn)的唯一質(zhì)量是Higgs粒子的質(zhì)量。從質(zhì)量的單位我們可以推導(dǎo)出長度的單位，所以這也確立了基本粒子的特征長度尺度了。因此，如果我們要解決“層次結(jié)構(gòu)難題”，即如何理解我們在實驗室遭遇的尺度——比如電子的大小——同所有的力得以統(tǒng)一的尺度之間的巨大差異的難題，就必須理解這個對稱破缺機制。 我們希望在超級超導(dǎo)對撞機上解決的就是這個問題。現(xiàn)在，美國國會已經(jīng)決定取消超級對撞機項目，我們寄希望于在歐洲建造一個類似的對撞機，大型重子對撞機。同時，我們會有相當(dāng)?shù)臋C會獲知在哪里能找到Higgs粒子或其替代物的進(jìn)一步信息。其關(guān)鍵點是牽扯到這一（或這些）粒子不斷產(chǎn)生和湮滅的量子漲落會在當(dāng)前設(shè)施能夠測量到的一些量上，比如W子的質(zhì)量，有些微的效應(yīng)。我們預(yù)計，歐洲聯(lián)合核子中心進(jìn)行的實驗?zāi)軌蚋_地確定W子的質(zhì)量，而費米實驗室的實驗正朝著精確測量頂夸克的質(zhì)量努力著，頂夸克的質(zhì)量也會影響W子的質(zhì)量。如果這件事得以完成，我們將能夠估算Higgs粒子的質(zhì)量（如果恰好有一個的話），或者排除存在任何質(zhì)量的單一Higgs粒子的可能性。但我們依然需要大型重子對撞機來鎖定為基本粒子提供質(zhì)量的對稱破缺機制。 在我們等待下一代大型加速器期間我們的實驗可能會有一些新的發(fā)現(xiàn)。這包括中子或電子的電偶極矩，一些對稱破缺理論要求電偶極矩的出現(xiàn)，或者各種為了解決層次結(jié)構(gòu)問題而提出來的理論（超對稱性，人工色理論）所預(yù)言的粒子。在最終統(tǒng)一的非常小的尺度上發(fā)生的物理過程可能會直接產(chǎn)生一些微弱的效應(yīng)，比如質(zhì)子的衰變或中微子的質(zhì)量。這些奇異的效應(yīng)可表現(xiàn)為違反前述可重整化原理的對標(biāo)準(zhǔn)模型之補充。雖然不是被禁止的，但是這些效應(yīng)同距其發(fā)生點之微小距離的高階冪成正比，因此是非常小的，這也可能是它們至今未被探測到的原因。但將來它們也許會被探測到。不久將有一臺新的名為超級神岡探測器的地下設(shè)施要建成，也許能發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的衰變；而對來自太陽的中微子的研究間接暗示中微子質(zhì)量的存在。所有這些，或其中任何的一個，都可能在未來的實驗中出現(xiàn)。自從標(biāo)準(zhǔn)模型完成之日我們這么說了近二十年了，但目前為止一個也沒有（得到證實）。 現(xiàn)在來說高的途經(jīng)。相當(dāng)一部分粒子理論學(xué)家如今試圖越過所有中間步驟而直接進(jìn)行到終極的統(tǒng)一理論，不再等待新的數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)模型取得成功后的1970年代的一段時間里，人們認(rèn)為終極的統(tǒng)一理論應(yīng)該取量子場論的形式，類似標(biāo)準(zhǔn)模型但更簡單、更顯統(tǒng)一。這個愿望如今相當(dāng)程度上已被放棄了。原因之一是，我們現(xiàn)在明白任何物理上令人滿意的理論在足夠低的能量上都應(yīng)該看起來象是量子場論，因此標(biāo)準(zhǔn)模型中量子場論的巨大成功并不能告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于深層的、可以導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)模型之理論的有用信息。標(biāo)準(zhǔn)模型被看成一種'有效'量子場論，即一種相當(dāng)不同的基本理論的低能近似。試圖將引力納入量子場論框架內(nèi)的努力所不斷遭遇的失敗表明終極的基本理論是相當(dāng)不同的。 沿著這條思路成功的最大希望寄托在某種類型的弦論上。弦是假想的一維基本存在，象橡皮筋那樣閉合的或者象一段普通的弦那樣是開的，如同小提琴的弦那樣能在非常多的頻率上振動。它們的大小約是電子尺寸的10-18倍，所以在實驗室的尺度上它們可以被看作是不同類型的點粒子， 類型取決于弦振動的模式。 關(guān)于弦論激動人心的一點是某些版本的弦論能憑預(yù)測開列出一張粒子類型的單子，同我們在自然界中已經(jīng)觀察到的頗為相似。進(jìn)一步地，所有弦論都預(yù)測到的一類粒子是引力子，即引力場的量子。因此，弦論不僅將引力同基本粒子物理統(tǒng)一起來，它還能解釋為什么引力必須存在。最后一點，攔在引力之量子場論路上的無窮大老問題在弦論里也得以避免。量子場論計算中的無窮大是由于粒子占據(jù)同一時空點所造成的。但是弦有有限尺寸，因此兩條弦永遠(yuǎn)不能處于零距離。弦論由此為我們提供了第一個候選的終極統(tǒng)一理論。 可惜的是，弦論至今并沒有滿足人們在1980年代對它抱有的太大期望。有太多變種的不同弦論，人們也廣泛懷疑這些變種會是同一個普適理論的不同解，沒人知道普適理論該是什么樣子。在求解弦論以期找出可觀測的物理量，比如夸克質(zhì)量，的路上堆積著可怕的數(shù)學(xué)障礙，我們也不能從第一性原理判斷到底哪個弦論的版本是正確的；即便這些障礙得以克服，我們?nèi)匀贿€要面對為什么真實世界要用弦論之類的東西來描述的問題。 通過追溯弦論的歷史起源人們建議了一個對此問題可能的回答。在1960年代，在關(guān)于強核力相互作用的標(biāo)準(zhǔn)量子場論出現(xiàn)之前，許多理論物理學(xué)家放棄了任何用量子場論語匯描述這些力的想法，轉(zhuǎn)而借助于一個稱為“S-矩陣?yán)碚摗钡膶嵶C主義綱領(lǐng)來計算核子和介子的性質(zhì)，避免涉及電子的場之類的不可觀測量。依照這個綱領(lǐng)，計算過程中要對可觀測量施加物理上合理的限制，特別是關(guān)于任何數(shù)目的粒子間所有可能反應(yīng)之幾率的限制（在這些限制條件中，一條是所有可能反應(yīng)的幾率加起來總是100%；另一個要求是這些幾率是參加反應(yīng)的粒子之能量和運動方向的光滑函數(shù)；還有一個是關(guān)于這些幾率在高能量上的行為的；最后是各種對稱條件，包括根植于狹義相對論原理中的關(guān)于時空的對稱性）。人們發(fā)現(xiàn)要找到任何一組能滿足上述所有條件的概率是非常困難的。最終，得自靈光一現(xiàn)的猜測，一個能給出滿足上述所有條件的幾率的公式于1968-1969年之間被發(fā)現(xiàn)。此后不久，人們認(rèn)識到該理論實際上是弦論。這段歷史也許反映了弦論出現(xiàn)的邏輯基礎(chǔ)。即是說，弦論可以最終被理解為能滿足施加于反應(yīng)幾率上的所有物理上合理的條件的唯一選擇，至少是滿足任何包含引力的理論中的這些條件的唯一選擇。 這個觀點內(nèi)含悖論的元素。在我們談?wù)揝-矩陣?yán)碚撝械母鞣N反應(yīng)的幾率時，我們頭腦已經(jīng)構(gòu)思了兩個或多個粒子在自由飛越了相當(dāng)長的距離后碰到了一起，然后反應(yīng)，產(chǎn)生新的粒子，這些新粒子最終會相互遠(yuǎn)離直到它們不再有相互作用。這是現(xiàn)代基本粒子物理里的范式實驗。但是這樣的反應(yīng)只能發(fā)生在或多或少是空的且“平”的宇宙——即未被高密度物質(zhì)填充的、未被強的引力場充滿從而彎曲了的時空。這確實是我們當(dāng)前宇宙的狀態(tài)，但在早期宇宙卻不是這樣；即便今天也依然有黑洞之類的物體，其周圍的空間是嚴(yán)重彎曲的。所以，把施加于反應(yīng)幾率的一組“合理的條件”當(dāng)作物理學(xué)基本原理，而這些條件所限制的反應(yīng)既不是由來如此，今天也不是處處如此，就顯得有點怪怪的了。 確實，當(dāng)前的宇宙或多或少是空的且平的本身就是悖論的。在多數(shù)理論中， 多種場的量子漲落會在“空的”空間[5]中引入那樣大的能量密度以至于由此產(chǎn)生的引力場會讓時空是相當(dāng)彎曲的—是如此的彎曲以至于不會有任何常規(guī)的基本粒子反應(yīng)會發(fā)生，也不會出現(xiàn)科學(xué)家來觀測它。這個問題在弦論中也未能得到解決;大量的弦論中的大多數(shù)都預(yù)言存在巨大的真空能量密度。 為了解決真空能量密度問題，我們也許要求助于不只是新的，而是新型的、完全不同于當(dāng)前看起來合情合理的那些原理的物理原理。這不是第一次我們不得不改變關(guān)于什么才是可允許的基本原理的思想。1909年在其《電子理論》一書中，洛侖茲借機評論四年前愛因斯坦提出的狹義相對論同他自己工作之間的不同。洛侖茲曾試圖用電子結(jié)構(gòu)的電磁學(xué)理論來表明，由電子作為組成部分的物質(zhì)在運動中會表現(xiàn)出這種的行為方式，以至于不能感知其運動對光速的效應(yīng)，從而解釋了為什么一直以來都不能測量到垂直和平行于地球繞太陽運動方向上光速的差別。不同的是，愛因斯坦把光速對所有觀察者不變當(dāng)作一個公理來接受。洛侖茲抱怨道：“我們費力不討好地要從電磁場基本方程中推導(dǎo)出來的東西，愛因斯坦只是簡單地推測一下。”但歷史站在了愛因斯坦這一邊。以現(xiàn)代的觀點，愛因斯坦所做的就是引入一個對稱性原理——自然定律對觀察者速度的變化所表現(xiàn)的不變性——作為自然的一個基本原理。自愛因斯坦的時代起，我們已經(jīng)越來越熟悉這套把各種對稱性原理當(dāng)作合情合理的基本假設(shè)的思想。標(biāo)準(zhǔn)模型很大程度上是基于一組設(shè)定的對稱性原理，弦論也可以這樣看待。但在愛因斯坦和洛侖茲的時代，對稱性一般地被認(rèn)為是數(shù)學(xué)稀罕物，對晶體學(xué)家有很大的價值，但很難讓人以為值得納入自然的基本定律中去。不難理解洛侖茲對愛因斯坦的狹義相對論假設(shè)感到的不自在。我們也許也要去發(fā)現(xiàn)新型的假設(shè)，如同愛因斯坦的對稱性原理之于洛侖茲，該假設(shè)對于我們來說一開始也是不易接受的。 我們已經(jīng)遭遇過這樣的假設(shè)了。所謂的人擇原理宣稱自然規(guī)律必須允許能夠研究自然規(guī)律的生命體的出現(xiàn)。此原理目前當(dāng)然還未被廣為接受，盡管它提供了目前為止我們能解決大真空能量密度的唯一方式。（太大的真空能量密度，取決于它的符號，要么能阻止星系的形成，或者早早地結(jié)束大爆炸過程以至于生命來不及產(chǎn)生。)在某些宇宙學(xué)理論中，弱人擇原理版本不過是常識。如果現(xiàn)在我們稱之為自然規(guī)律的東西，包括物理常數(shù)是在宇宙的不同地點，不同時段，或者在描述宇宙的量子力學(xué)波函數(shù)的不同項中，都是不一樣的，我們當(dāng)然只能存在于宇宙的某個地點，某個時段，或者某項對智慧生命友好的波函數(shù)中。長遠(yuǎn)來看，我們需要一種強的人擇原理形式。當(dāng)我們理解了物理的終極規(guī)律，我們將面臨這樣的問題，即為什么自然是由這些而不是別的規(guī)律描述的。可以想象大量的邏輯上是完美相容的、但卻是錯誤的理論。比如，牛頓力學(xué)邏輯上就沒有什么錯誤。可以想到，正確的終極理論一定是與智慧生命出現(xiàn)相容的、唯一的那么一組邏輯上相容的原理。 人擇原理只不過是一類不尋常假設(shè)的一個例子，但卻是受到廣泛關(guān)切的一個例子。在我們尋找自然的終極規(guī)律的努力中，也許我們在二十一世紀(jì)中不得不接受比我們目前能夠想象到的還要奇怪的新型基本物理原理的合理性。 注釋 [1] 對稱性原理指的是，若我們以某種方式改變我們的視點，自然定律保持不變。狹義相對論指出對于以恒定速度相互運動的觀察者來說，自然定律不變。還存在其它的時空對稱性，指出若我們轉(zhuǎn)動或平移我們的實驗室，或者重新設(shè)定我們的時鐘，自然定律保持不變。標(biāo)準(zhǔn)模型是建立在這些時空對稱性以及其它一些對稱性的基礎(chǔ)之上的。所謂的其它對稱性要求我們以某種方式改變對理論的場的標(biāo)記，自然定律仍取同樣的形式。——原注 [2] 重整化的概念出現(xiàn)在1940年代的后期，是為了將在將量子電動力學(xué)計算推廣到一階近似以外所遇到的無窮大的能量和反應(yīng)速率賦予一些意義所作的努力。一個理論是可重整化的，如果這些無窮大可以通過合適的對理論的一組參數(shù)值，比如質(zhì)量和電荷，在重新定義（重整化）加以消除。 可重整化已不再看作是消除無窮大的基本物理要求了，但我們將會看到因為其它一些原因它仍被保留在標(biāo)準(zhǔn)模型中了。——原注 [3] 原文如此，即弱相互作用。——譯者注 [4] 電子并沒有一個完好定義的尺寸。在我們的理論中它是一個點粒子。我這里所說的電子大小，是指電子的經(jīng)典半徑，即假設(shè)有一個所帶電荷為一個電子的電荷而其靜電能等價于電子質(zhì)量的球，則此球的半徑就是電子的經(jīng)典半徑。此半徑可以用來表征基本粒子物理中遇到的特征距離;比如它同典型的原子核大小差別就不大。——原注 [5] 原文為'empty' space。這個怪怪的翻譯是因為我們早先把 space 錯誤地翻譯成空間所造成的。——譯者注 本文選自科學(xué)出版社出版的《20世紀(jì)物理學(xué)（3卷本）》第三卷第27章“對20世紀(jì)物理學(xué)的省思：散文三篇”。《賽先生》經(jīng)出版社和譯者授權(quán)發(fā)表。 |
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