使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 观点 > 访谈

单枪匹马追寻大统一的人——史蒂文·温伯格专访

时间: 2015年02月05日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
多年来,宇宙和原子一直互不“兼容”。如果说有哪位物理学家能把它们“拧”到一块儿,那必定是史蒂文•温伯格。

史蒂文•温伯格(Steven Weinberg)

 

史蒂文•温伯格(Steven Weinberg)正开着他的红色Camaro跑车,突然灵光一闪,便有了名为《轻子模型》(A Model of Leptons)的论文。算上参考文献和致谢在内,这篇论文一共只有两页半纸。文章在1967年发表,当时回应者寥寥。然而正是这篇文章,后来一跃成为引用数量最多的物理学论文之一,并且帮助温伯格与阿卜杜勒•萨拉姆(Abdus Salam)和谢尔登•格拉肖(Sheldon Glashow)共同获得了1979年的诺贝尔物理学奖。

 

在那两页半里,温伯格证明:自然界4种基本作用力中的两种——电磁力(electromagnetism)和弱核力(weak nuclear force),虽然表面上看起来完全不同,但可能是一种统一的所谓“弱电力”(electroweak)的不同侧面。这一理论预言,在传递弱核力的所谓弱相互作用玻色子(weak boson)当中,还存在一种当时未知的中性粒子。他还解释了这种弱电力固有的对称性何以会消失不见——用物理学家的话来说叫做“自发性破缺”(spontaneously broken),所以我们感知到的电磁力和弱核力才会不同。这种对称性破缺过程给夸克之类的粒子赋予了质量。

 

温伯格还对描述自然界中第3种基本作用力——强核力(strong nuclear force)的理论建立做出了贡献。这些理论构成了今天我们解释物质世界的主流理论,也就是粒子物理学的标准模型(Standard Model)。

 

在那之后,温伯格并未停下深入探究自然界本质的脚步,他提出了种种超越标准模型的理论,希望能够创造出一个不仅包括电磁力和核力、而且包含引力的大统一理论。温伯格在弦论发展初期做了一些研究工作,后来弦论成为大统一理论的首要候选者。温伯格还为大众撰写科普读物,比如最近出版的散文集《湖边景观》(Lake Views)。位于日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)目前正在捕捉希格斯粒子和其他粒子,因此《科学美国人》邀请美国波士顿大学的物理学家阿米尔•D•阿克塞尔,与温伯格探讨这些理论的前景。


《科学美国人》:大型强子对撞机已经运转6个月了,很多人对此兴奋不已。有些人甚至将LHC的预期目标与上世纪头30年的量子理论及相对论带来的变革相提并论。你对此有何看法?

 

温伯格:我觉得这确实让人激动。可以想象,它能给物理学观念带来一场不亚于20世纪初那些伟大进展的变革,但我没有理由对此抱有期待:这样的变革应该发端于某种完全出乎意料的事情——所以我无法预期!

 

眼下,我们正试图一步一步超越标准模型,还要达到这样一个高度,即有信心能够对早期宇宙里发生了什么说出个所以然来。这需要一段时间。在那之后,我们才会寻求一统——去发展一个包含所有粒子和基本作用力的理论。这个终极理论是什么样子,我们还没有头绪。

 

我相信,只要我们在最基本的层次上对自然界有了真正全面的理解,这一理解将渗透到大众文化之中。它大概会非常数学化,需要经过很长时间公众才能够理解它,就像科学家当年花了很长时间才理解牛顿理论一样。不过最终,牛顿的世界观深刻地影响了普罗大众对周围世界和人类生活的看法。在经济学、生物学、政治乃至宗教中,都可以见到它的影子。我想,如果我们真的找到了一个能够全面解释自然界的万物理论,历史也许会重演。

 

我认为我们对自然界的描绘正变得日臻完善,而且过去看上去神秘莫测的东西,比如原子内部将粒子束缚在一起的作用力之本质,现在都有了完美的解释——只不过又有新的未解之谜取而代之,比如标准模型中的粒子为何会具有现在的这些属性。解释一些看上去令人困惑的东西,同时又发现一些新的困惑,这样的过程还将持续很长时间。虽然只是猜测,但我认为我们会跳出这个循环,达到不再有此类困惑的境界。那将是人类智力发展史上一个非凡的转折点。

 

《科学美国人》:希格斯粒子(Higgs particle)经常被说成是LHC的首要目标,当然前提是费米实验室的万亿电子伏特加速器(Tevatron)没有先找到它。弱电统一和标准模型对希格斯粒子的依赖程度究竟有多大?

 

温伯格:我会说,它们完全依赖于弱电对称性破缺这个想法。不过,如果你再追问为什么弱电对称性会破缺,这个问题还没有答案。在(我和萨拉姆发展出的)弱电理论中,这种对称性破缺机制要求存在一种新的粒子,也就是现在所说的希格斯粒子。我们的简单物理图像能够预言弱相互作用玻色子的质量之比,看起来非常美妙。

 

但是,也存在另一种可能性,即这种对称性破缺是由新的强作用力引起的,这样就不会存在希格斯粒子。这些新的作用力必须非常强,比普通的强核力更强。我和伦纳德•萨斯坎德(Leonard Susskind)各自独立地提出过一个理论,我们称之为人工色(Technicolor)模型。对于弱相互作用玻色子的质量,这一理论能够作出跟“原版”弱电理论相同的预言,但在解释夸克质量时会遇到困难。一些理论学家仍在继续研究人工色模型,认为这是一个可行的理论。这可能是对的。果真如此的话,LHC应该能够找到它。那些人工色力(Technicolor force)会带来大量新的粒子。

 

所以,即便LHC没找到希格斯粒子,它也会发现某种起到相同作用的东西,比如人工色。实际上你可以证明,如果完全没有任何新的粒子,你会在数学上陷入自相矛盾的境地。

 

《科学美国人》:超对称(supersymmetry)是物理学家希望用LHC验证的另一个原理。这一原理认为,传递相互作用的粒子(比如弱相互作用玻色子)与物质粒子(比如电子和夸克)之间存在深层联系。一些物理学家对超对称很有信心,就像爱因斯坦当年对相对论有信心一样——认为它极具说服力,以至于肯定是正确的。你也这样认为吗?

 

温伯格:不,我不这么看。狭义相对论与当时已知的理论和实验都吻合得天衣无缝——不论是麦克斯韦的电磁理论,还是没人能够发现当时人们认为存在的“以太”(ether)的任何效应这一事实。如果我足够幸运能在1905年提出狭义相对论,我会和爱因斯坦当年一样,认为这个理论肯定必须是正确的。

 

但是对于超对称,我没有这样的感觉。超对称取得了一些小小的成功。它改进了对标准模型中一个关键参数的预测。它为暗物质粒子提供了一个天然的候选者(参见《环球科学》本期《暗物质的隐秘生活》一文)。它还拥有一个优美动人之处——这是能够想到的唯一一个可以将弱相互作用玻色子等作用力传递粒子与电子等物质粒子统一起来的对称性。但是,这些闪光之处都没有耀眼到足够说服你认为它必须是正确的地步。

 

《科学美国人》:你还研究过人择原理(anthropic principle)。这种观点认为,我们的宇宙之所以是现在这样,并不需要什么深层次的解释;宇宙可以有其他各种可能的形态,但只有一些特定形态才适宜生命生存,而我们只能生活在其中。确切地说,你曾经主张,解释暗能量密度的最好办法就是人择原理。这种神秘的东西正在导致宇宙加速膨胀。你能跟我们谈谈这些吗?

 

温伯格:我们把我们看到的许多东西都当成是基本的,比如粒子的质量、各种不同的作用力、我们生活在其中的三维空间加一维时间,等等。但是,或许所有这些都不是基本的,只不过是外部环境。宇宙的广度或许远远超出我们的想象,远不止我们周围的这场大爆炸那么简单。或许宇宙存在许多不同的区域——这里的“区域”不单是指时空区域,还可以用其他东西来划分——它们拥有截然不同的性质:不同的区域里我们称之为自然法则的东西或许并不相同,甚至时间和空间的维数都不一样。如此复杂的宇宙背后必定藏有一个深层次规律,但我们离这个规律还很遥远,比我们想象的要远得多。

 

我在1987年首次写下这些观点时,对于人们能够设想到的、将宇宙划分成不同区域且不同区域暗能量密度不同的各种方式,我都持相当开明的态度——这一点至今没变。安德烈•林德(Andrei Linde)的混沌暴涨(chaotic inflation)理论就是其中一种方式。按照这一理论,宇宙中发生过许多次大爆炸,它们在这里或者那里随机发生,每次都拥有不同的性质,比如暗能量密度。

 

就像斯蒂芬•霍金(Stephen Hawking)描述的那样(参见《环球科学》2010年第11期霍金撰写的《真实世界的“真实”》一文),宇宙也可能像薛定谔那只著名的猫一样,处于不同状态的一个量子叠加态中。正如薛定谔的猫可能同时处于两种状态,一种状态下它还活着,另一种状态下它已经死了,宇宙也可能如此。在猫活着的状态下,猫知道自己还活着,而在另一个状态下,它就什么都不知道了。同样道理,在一些宇宙态里科学家探索着在他们看来就是整个宇宙的东西,而在其他宇宙态里,宇宙太小或者演化太快,那里就没有科学家、也没有人会注意到它是什么样子。

 

人择原理预言,暗能量密度应该小到足以让星系形成,又不至于太小,因为暗能量密度太小的宇宙比较罕见。1998年,按照我与美国得克萨斯大学奥斯汀分校的两位天体物理学家——雨果•马特尔(Hugo Martel)和保罗•R•夏皮罗(Paul R. Shapiro)合作进行的计算,我们得出了结论:任何形式的暗能量都必须足够大,很快就会被发现。没过多久,天文学家就发现了暗能量。

 

《科学美国人》:物理学家分为两大流派:一派专攻宇宙学和广义相对论,另一派精研粒子物理和量子理论。你在这两派之间架起了桥梁。你是否认为这种兼收并蓄帮助你看清了如何统一这两个领域?

 

温伯格:我还没有看到统一的方向。我当然想知道如何统一。对于统一可能采取的路线,我也有一些从基本粒子物理学经验中得来的想法。但这些想法与现实世界是否真有关联,现在还言之过早。

 

弦论常被认为是对付引力量子理论中出现无穷大的唯一办法,但还有另外一条路可走,它的基础是量子场论,跟标准模型中用到的量子场论同属一个大类。这条路我称之为渐近安全(asymptotic safety)。作用力的强度在高能下趋于一个有限值,从而避免出现无穷大,以确保安全。

 

这个想法在很长一段时间内停滞不前,因为很难证明一个理论究竟是否渐进安全。我做过一些初步计算,我认为还是令人鼓舞的,但这些计算太难了,于是我转而去研究别的东西了。后来,在2000年到来之前没多久,这个方案被欧洲的一些研究者捡了起来。他们用各种近似检验渐近安全,并且证明渐近安全在数学上与标准模型一样明确。

 

《科学美国人》:这种方法与弦论有什么不同?

 

温伯格:它与弦论南辕北辙。弦论放弃了标准的量子场论,发明了一些全新的东西。弦论是朝一个全新的方向迈出了一大步。渐近安全则认为,我们已经研究了六七十年的那种既熟悉又好用的量子场论,就是你所需要的全部。

 

我不打算给渐进安全大说好话,认为它就是正确的方向。如果事实证明弦论才是真理,我也不会感到意外。弦论在数学上很漂亮,或许真的就是正确答案。渐近安全只是一条值得认真探索的可能途径而已。

 

到目前为止,还没有哪一种方法取得过任何重大突破,比如说计算出标准模型中的数学参数。这些参数在标准模型中是直接给定的,至于为什么要如此取值,却没有给出真正的解释。比如说,你知道不同粒子的质量之比是多少,但你还要理解为什么它们会有这样的质量之比——这才算是真正的考验。看着这些粒子的质量,就好像在看一份用线形文字A(Linear A)撰写的古代手稿。从头到尾一个字都不缺,但我们就是看不懂它在说些什么。

 

《科学美国人》:你如何挤出时间去写物理学之外的东西?

 

温伯格:我热爱物理学——就算有机会从头再来一遍,我也不会选择任何其他职业。但这是一份相当冷僻和孤寂的职业,特别是像我这样的理论学家,大多数时候都是单枪匹马。我做的研究与人世间事无关;人类的兴趣和情感根本不涉及其中。只有少数专业研究人员能够理解我的工作。

 

为了到这座象牙塔外透透气,我喜欢想点别的东西,并把它们写下来。而且,和大多数科学家一样,我很清楚我们的研究是由公众资助的,如果不尝试着向公众解释我们在干什么以及我们希望怎样去做,他们的资助我们是受之有愧的。