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维尔切克:现代物理学谜团

许多人对物理世界好奇,为了个他们一个关于世界运行的简单而不失准确的解答,诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院教授维尔切克写下了《万物原理:关于客观世界的10个答案》(Fundamentals: Ten Keys to Reality)一书,从十条宽泛的原理来说明物理学家究竟是如何理解世界的。如果我们知道了许多关于这个宇宙运行的规则,但是仍有许多问题,所以在这十条原理中,也有一项是如何看待我们不了解的东西。特别是关于时间反演、暗物质和暗能量。

本文经授权选自《万物原理:关于客观世界的10个答案》(中信出版社,2022年1月版)第9章《谜团犹存》,内容有删减,标题为编者所加。

撰文丨弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)

翻译丨柏江竹、高苹

神秘感是我们所能体验的最美好的事物,它是所有真正的艺术和科学的源泉。如果一个人无法体会到神秘感, 不再因好奇而探寻,不再因惊叹而驻足,那么他和一个死人也没什么两样了——他什么都看不见。

——阿尔伯特·爱因斯坦

尽管我们对世界如何运转已经有了诸多了解,但是仍有许多谜团存在。

在这里,我们将会把探索的焦点集中在两个更为引人注目的谜团之上。它们处于当今研究工作的前沿,旨在加深我们对物理世界的基本理解。第一个谜团围绕着基本定律的一个奇异的特征。如果你将时间反演,那么基本定律与时间正向的情况几乎完全一样,却又不尽相同。第二个谜团来自一个令人困惑的发现。天文学家在各种情况下都遇到了看似没有任何可见来源的引力。从表面上看,他们的观测似乎揭示了宇宙的“黑暗面”,它由两种新的物质形式组成——分别是“暗物质”和“暗能量”。尽管它们提供了宇宙中的大部分质量,但是不知为何,我们从来没有观测到它们。

一个有前景的想法可能有助于解决这些谜团。时间反演问题使许多物理学家怀疑存在一种新的粒子,即轴子。大爆炸遗留下来的轴子余辉具备暗物质的特性。围绕这一想法的一系列研究,引发了一场世界各地数百名科学家参与的激烈竞赛。

时间反演(T)

时间的镜像

在我们经历过的现实中,最明显的不对称性就出现在过去和未来之间。我们铭记过去,却只能猜测未来。如果你倒放一部电影,比如查理·卓别林的《城市之光》,你会觉得倒过来的一系列事件看起来一点儿也不像会在现实中发生的样子。你绝对不会将倒放的电影与正常的电影弄混。

然而,从现代科学的诞生开始,从牛顿的经典力学至今, 基本定律都具备的一个共同特性就是,你可以沿着时间把它们倒转回去。也就是说,你根据现在的状态倒推过去的状态,和根据现在的状态预测未来的状态所用到的定律是一样的。例如,你现在如果想要根据牛顿定律拍摄一部行星围绕太阳运行的电影, 那么你将这部电影倒放之后会发现,电影中的运动仍然遵循牛顿定律。定律的这种特征被称为时间反演对称性,简写为T对称性。

定律的范畴一直在扩大,而时间反演对称性依旧存在。例如,电磁场的麦克斯韦方程组以及爱因斯坦修正后的引力方程都具有这样的性质,这些方程的量子版本也同样具备这种性质。对基本相互作用的观察似乎都证实了T 对称性。

日常经验和基本定律之间的这种反差带来了两个问题。其中一个问题是,现实中的宇宙是如何为时间的流动选定方向的。我们在第6章和第7章(特别是第7章)中找到了答案,我们看到引力打破了平衡[1] 。另一个问题就是一个很简单的“为什么”。既然时间反演对称的特征在我们所经历的世界中基本上没怎么出现过,它为何又出现在我们对大自然的基本描述中?

为什么?第一步:底线

家长们常常会被小孩子的十万个“为什么”问得很烦恼。为什么我一定要睡觉?因为人需要休息。为什么?因为人的身体会累。为什么?因为我们的肌肉工作一段时间之后就无法继续保持很好的状态了。为什么?因为它们将我们吃下去的食物转化出来的能量用完了,并且留下了一堆垃圾等待清理。为什么?因为根据热力学第二定律,一个系统内的能量会越来越不可用。为什么?因为在大爆炸期间,引力带来了不平衡……最终,你总会遇到无法解答的问题。[2] 总会有那么一些答案是最为基本的,并且我们无法进一步解释它们:它本来就是这样,没有为什么。

T对称性似乎是基本定律的一个确切特征,我不知道对它问“为什么?”能不能得到什么有效的信息。它似乎是定律的一种简洁的性质,虽然有些奇特。T对称性可能就是那个位于底线的答案。大多数物理学家都这么认为。

为什么?第二步:神圣原则

1964 年,情况发生了变化。詹姆斯·克罗宁(James Cronin)、瓦尔·菲奇(Val Fitch)以及他们的合作者在Κ介子[3] 的衰变中发现了一个微小、模糊的效应,它违反了T 对称性。既然T对称性已经不再是完全正确的命题,那它就无法作为不言自明的基本事实了。显然,有一个需要进一步深入研究的问题:为什么大自然如此接近地符合T 对称性,却又不完全相符呢?后续的研究表明,这个问题确实能够给我们带来很多有效的信息。

1973 年,小林诚和益川敏英在这一问题上取得了理论性突破。这一突破建立在量子场论以及关于力的核心理论(这些理论在当时还不够稳固)的强大框架之上。我前面已经提到过,这个框架是非常严格的——你无法在不破坏其一致性的情况下轻易地改变它。没人知道如何在不违反相对论、量子力学和局域性的神圣原则[4] 的前提下改变它的结构。但是你可以往里增加一些内容。小林和益川发现,通过在已知的夸克和轻子的基础上再加入第三代夸克和轻子[5] ,就有可能引入一种违反T对称性的相互作用,并产生克罗宁和菲奇观察到的效应。只有两代的夸克和轻子是不够的。

在小林和益川的研究工作完成后不久,他们预测的第三代粒子开始在以更高的能量运行的粒子加速器中出现。在那之后,有很多实验也证实了他们提出的相互作用。

然而,这并不是故事的大结局。除了小林和益川利用的相互作用之外,还有一种相互作用也有可能违背了T对称性,不过它完全符合核心理论以及量子场论的严格框架。解释克罗宁和菲奇看到的现象或是其他任何观察结果都不需要引用这种相互作用。大自然似乎没有选用它。为什么?

为什么?第三步:演化

1977 年,罗伯托·佩切伊(Roberto Peccei)和海伦·奎因(Helen Quinn)对第三个,也可能是最后一个有关T对称性的“为什么”做出了回答。这是一种演化理论,通过扩展核心理论得以展开。他们提出,多余的额外相互作用的强度并不是一个简单的数字,而是一个随时间和空间发生变化的量子场。他们证明,如果新的场具备一些适当的、相对简单的性质,那么作用于其上的力会使其趋于零。佩切伊和奎因暗含的假设是,这个场倾向的取值就是零。大爆炸宇宙学认为,这个场会逐渐向这个取值演化。

最终,在这一基础上,我们将会得到一个满意的答案:T对称性几乎可以被看作基本定律的一项特征,它很接近,但并不完全是。它是更深层次的原理(相对论、量子力学和局域性)作用于这个世界的基本成分的间接结果。

这些理论思想产生了戏剧性的后果,我们很快就会说到。在此之前,我们先看看宇宙中的黑暗面。

宇宙的黑暗面

暗物质和暗能量具有相似的特性,因此将它们放在一起讨论是有意义的。它们都指向了我们观察到的那些没有明显来源的运动。其实如果我们表述成“存在无法解释的加速度”,可能会比“存在暗物质和暗能量”要更加准确,但这样的话这个问题就不会这么引人注目了。这些额外的运动都呈现出一种模式,这说明它们都是由引力引起的,但是引力的来源不可见。为了解释所有的观测结果,我们需要两种不同的新来源,这就是暗物质和暗能量。我得强调一下,无论是暗物质还是暗能量,它们名字里面的“暗”字都并非指代它们的颜色。到目前为止,它们都被证明是不可见的。在暗物质和暗能量应该存在的地方,我们既没有探测到光的发射,也没有探测到光的吸收。

暗物质可能是由大爆炸产生的一种新粒子形成的,这种粒子与普通物质的相互作用非常微弱。暗能量则可能是空间中普遍存在的其自身的密度。以上是相关研究领域中最流行的观点,而它们也确实相当令人信服地解释了一系列观测结果。其他的观点同样也有拥趸,但是这些观点更没有什么证据支持了。

宇宙学的“标准模型”

了解到目前暗物质和暗能量(目前还是假设)构成了宇宙的大部分质量之后,可以预料到的是,它们一定也在宇宙的历史中扮演了重要的角色。为了能“倒放电影”来验证这种直觉,我们需要更具体地了解暗物质和暗能量的性质。重新回顾大爆炸可以给我们了解宇宙黑暗面的更多性质的机会。如果我们对它们的猜测是错误的,那么大爆炸模型就无法产生我们观察到的这个宇宙。

鉴于我们对黑暗面的了解少之又少,猜测暗物质和暗能量在大爆炸初期会有何表现似乎是一项不可能完成的任务。幸运的是,事实证明我们不需要了解太多,一些简单的猜测就已经非常有效了。

对于暗物质来说,我们假设它是由某种粒子组成的,这种粒子与普通物质及其自身的相互作用都很弱。我们还要假设它在早期宇宙中与火球的其他部分处于平衡状态,但在那之后不久它就与其他物质脱离了联系,成为我们在第6章中提到过的那种余辉。一个很微妙的问题是,当粒子逃离时,它们的运动速度一定比光速慢得多[6] (之前的一些有关暗物质的早期理论正是因此而失败)。因为(根据假设)引力是唯一与之相关的力,而引力并不能区分不同形式的物质,这就是我们需要知道的全部。一旦暗物质脱离联系,我们就可以计算出暗物质是如何运动的,以及它是如何影响宇宙的其他部分的。这就是所谓的冷暗物质模型。

对于暗能量来说,我们采用爱因斯坦的观点,即暗能量代表空间本身的一种普遍存在的密度,它与普遍存在的负压有关。

基于这些假设,我们可以对宇宙微波背景辐射的密度进行对比,这些辐射中包含的信息可以反映出大爆炸后38万年至今的宇宙是什么样的。暗物质的加入使得不稳定性生效的速度更快。引入暗物质之后,模型中宇宙的演化与我们的宇宙是差不多的;如果没有暗物质,那就会变得不一样。如此一来,“黑暗势力”从微小的初始密度差异开始,通过引力的不稳定性, 让我们的大爆炸宇宙学得以产生我们今天在宇宙中观察到的结构。

轴子:“清洁剂”量子

在十几岁的时候,我有时会陪妈妈一起去超市。在一次逛超市的过程中,我注意到一种名字叫“滴洁”(Axion)的洗衣粉。我突然想到,这真是一个适合给基本粒子命名的好名字。它简短、朗朗上口,与质子(proton)、中子(neutron)、电子(electron)和π 子(pion)放在一起也不违和。在那一瞬间我想,如果我有机会能给一个粒子命名,那我就要叫它轴子(axion)。

1978年,我真的得到了这个机会。我当时意识到,佩切伊和奎因的那个引入一个新的量子场的想法有一个他们自己没有注意到的重要结果[7] 。我们之前讨论过,量子场会产生粒子,也就是该量子场的量子。这一特殊的场产生了一种非常有趣的粒子,这种新粒子有一个有趣的技术特征,它用轴向电流“扫清”了一个问题。辰宿列张,轴子(在物理学文献中)登场!

(顺带一提,如果我在论文发表之前公开了我的真实动机, 那么《物理评论快报》的编辑,可能还有滴洁洗衣粉的制造商是绝对不会同意我用这个名字的。我当时在文章中提到了“轴向电流”,才借此机会将这种粒子命名为轴子。)

寻找它们的余辉

轴子的性质让它成为宇宙中暗物质组成部分的候选人:它们与普通物质以及自身的相互作用都非常微弱。它们在高温下产生,之后从宇宙火球中挣脱出来。它们的余辉(即轴子背景)充斥着整个宇宙。我们计算出的轴子背景密度与观测到的暗物质密度一致,而且轴子是在几乎静止的状态下产生的。因此,轴子背景满足了“冷暗物质”宇宙学的假设。

这个故事很美妙,但它是真的吗?正如我们所说,轴子与物质的相互作用极其微弱,但是我们可以从理论中得知它们确实会发生相互作用,以及以何种方式相互作用。为了探测轴子背景,我们需要根据它们的特性设计灵敏的新型探测器。现在,成百上千的物理学家,既包括理论物理学家也包括实验物理学家, 正在努力攻克这个难题。如果正义和运气不缺席的话,我们可能很快就会看到一个与海王星、宇宙微波背景、希格斯粒子、引力波和系外行星等发现同等重要的传奇故事。科学的神秘故事的解决方案往往都价值连城。

有关谜团的未来展望

谜团如何终结

瓦尔·菲奇是早期T对称性破缺研究领域的代表性人物,他是个挺有幽默感的聪明人。他之前是普林斯顿大学物理系的主任,当时我也是那里的教授,那还是在我研究生涯早期的时候。我在把有关轴子和暗物质的新想法告诉他时[8] ,自然而然地提到了T对称性破缺,就好像那是一个自古以来颠扑不破的事实一般。毕竟,我刚开始学习的时候,它就已经被学界广泛接受了。在我们交谈中的某一时刻,他和蔼地笑了笑并对我说道:“昨天的轰动事件就是今天的准绳。”

这就是成功的科学发现的命运。我曾在渐近自由和QCD(量子色动力学)的故事结尾感受过类似的过程。在我们取得突破之后的几年时间里,人们对于它是否真的解开了强力的谜团满怀兴奋和质疑。在多次大型国际会议上,主题为“检验QCD”的报告都是亮点部分,介绍了运用该理论做出的预测,以及在实验中对其进行检验的进展。然而,随着疑虑逐渐消失,人们的兴奋也逐渐消退。如今,同样的工作转至幕后仍在继续,不过现在已经比那时要复杂得多了,我们将其称为“背景计算”。昨天的轰动就是今天的准绳,以及明天的背景。

了解和疑惑

除了对特定谜团的未来展望之外,对谜团本身的未来发展也有很多有趣的问题值得探讨。

克莱基金会提供了100万美元,奖励给证明QCD 预测了夸克禁闭的人。物理学家的标准更低一些(我觉得更恰当的说法应该是,物理学家的标准有所不同),据我所知,我们已经远远不止于证明了夸克禁闭现象。在计算机的帮助之下,我们可以在很小的误差之内计算出QCD 会生产出哪些粒子,但是孤立的夸克并没有在计算结果中出现。事实上,这些计算结果中粒子的质量和性质与我们在自然界中观测到的粒子完全一致。

超级计算机应该获奖吗?负责编写代码的程序员呢?

2017 年,一个叫作阿尔法零(AlphaZero)的计算机程序极富创新性地使用了人工神经网络,在掌握了国际象棋规则之后,它与自己进行了几个小时的对弈,从中吸取经验之后,最终取得了超越人类的表现。阿尔法零懂国际象棋吗?如果你想回答“不懂”,那我建议你去看看伊曼纽尔·拉斯克(Emanuel Lasker)是怎么说的,他曾在1894年至1921年间连续27年夺得世界冠军[9]

在国际象棋的棋盘上,谎言和伪善绝不会长久。富有创造力的组合会充分揭露谎言,伪君子会在残酷的现实中被将死。

这样的案例表明,有一些方法是人类意识无法获得的。但是说实话,这不是什么新鲜事。有很多事情同样是人类意识无法提供的,但人类本能地知道该怎么做,比如怎样以极快的速度处理视觉信息,以及如何让身体保持直立、行走和奔跑。

人类和地球上其他生物的基因组是另外一个巨大而无意识的知识宝库。它们已经解决了有机体为蓬勃发展而遇到的很多复杂的问题,这些壮举远远超出了人力可及的范围。它们并不是通过任何逻辑推理过程,而是通过漫长而低效的生物演化过程逐渐“学会”了如何做到这些,而且它们不可能有意识地知道自己掌握了这些事情。

我们的机器能够进行冗长而精确的计算,能够储存大量的信息,能够以极快的速度学习,这些能力为理解问题的方式带来了质的飞跃。计算机将会朝着各个方向拓宽知识的边界,最终到达人类大脑无法抵达之处。当然,有了计算机辅助的大脑能够为这些探索提供帮助。

人类有一种进化和机器所不具备的特殊特质,就是能够识别自身理解中的空白,并且从填补空白的过程中获得快乐。体验神秘感和力量感是再美好不过的事了。

注释

[1] 当然,为什么会发生这样的事显然需要进一步的解释。我们在第6章和第7章讨论了一些相关的概念,特别是暴胀以及简单中的复杂性。

[2] 或者,你的答案有可能会让孩子昏昏欲睡。

[3] Κ介子是强相互作用粒子(强子),它极不稳定,我们可以使用高能加速器仔细研究其性质。Κ介子是所有包含奇夸克的强子中最轻的。

[4] 当然,从神学意义上来说,任何一种科学原则都不会像宗教教条那样神圣。但是如果相对论、量子力学或局域性是错误的,我们就要在知识的荒原上重新开疆拓土,因为这些原理很好地发挥了作用,并且能将很多事情解释清楚。换句话说,它们可能比T对称性更为基本。

[5] 有关这些“额外”粒子的更多信息请参见附录,其细节对于接下来的内容并不重要。

[6] 如果粒子运动得太快,它们就会影响引力不稳定性的增长,这样你得到的宇宙模型就和我们的宇宙不一样了。

[7] 史蒂文·温伯格同样独立地发现了这一点。

[8] 我们还谈论了宇宙中物质和反物质之间的不对称性。

[9] 拉斯克在纯数学领域同样做出了杰出贡献。

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