未解之谜 爱因斯坦「了解上帝思想」或...

爱因斯坦「了解上帝思想」或仍需数千年

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【新三才编译首发】西元1925年,爱因斯坦与一位名叫Esther Salaman的年轻学生在一起散步。当他们闲逛时,他分享了他的知识核心指导原则:「我想知道上帝是如何创造这个世界的。我对于在这个或那个元素的范围内的这些现像不感兴趣。我想知道祂的想法,其余的只是细节罢了。」

「上帝的思想」这几个字是对于现代物理学最终目标的一种令人愉快的隐喻,亦即对自然规律的完美理解──物理学家称之为「万物理论」或简称TOE。在理想情况下,TOE会回答所有的问题,没有甚么是解释不了的。为什么天空是蓝色的?可以解答。为什么引力存在?这答案也包括在内。以更科学的方式来说明,TOE想要用单一理论,单一建构组元和单一力量来解释所有的现象。在我看来,找到TOE可能需要数百年甚至数千年之久。为了理解原因,我们接着看。

我们知道现在有两种理论,当它们结合在一起时,可以很好地描述我们周围的世界,但二者离万物理论的差距都还有光年之远。

首先是爱因斯坦的广义相对论,它描述了重力以及恒星,星系和宇宙在最大尺度上的行为。爱因斯坦将引力描述为空间和时间的弯曲。这个想法已经通过多次验证,最值得注意的是2016年发现了重力波。

第二种理论则被称为标准模型,它描述了亚原子世界。在这个领域上,科学家们已经在万物理论上取得了最明显的进展。

如果我们看看我们周遭的世界──星星和星系、贵宾犬和披萨的世界,我们可以问问为什么物体会具有他们所显示出来的属性。我们知道一切物质都是由原子组成的,而那些原子是由质子、中子和电子组成的。

并且,在20世纪60年代,研究人员发现质子和中子是由更小的称为夸克的粒子组成的,电子则是被称为轻子的粒子类别中的成员。

找到最小的建构组元只是为了设计万物理论的第一步。下一步是要了解控制建构组元如何相互作用的力量。科学家们知道有四种基本力场,其中三种──电磁力、强核力与弱核力──在亚原子层次上被理解了。电磁力将原子结合在一起并负责它的化学性质。强核力将原子核固定在一起,并将夸克保持在质子和中子内部。弱核力则负责某些类型的核衰变。

每个已知的亚原子力具有携带该力的相关粒子或粒子们:胶子携带强核力,光子控制电磁力,W和Z玻色子控制弱核力。还有一个幽灵般的能量场,称为希格斯场,它穿透宇宙并为夸克、轻子和一些携带力的粒子提供质量。总之,这些建构组元和力场构成了标准模型。

应用夸克和轻子以及已知的携带力的粒子,人们可以建立原子、分子、人、行星、甚至是宇宙中所有已知的物质。毫无疑问,这是一项巨大的成就,也是对万物理论的一种很好的近似。

然而事实并非如此。科学家的目标是找到一个单一的建构组元和一个可以解释宇宙物质和运动的力场。标准模型有12个粒子(六个夸克和六个轻子)和四个力场(电磁,重力,以及强、弱核力)。此外,还没有已知的重力量子理论(意思是我们当前的定义仅涵盖涉及尺度如普通尘埃更大的物质的重力),因此,重力甚至根本不是标准模型的一部分。所以,物理学家继续寻找更为基础和深层的理论。要做到这一点,他们需要减少建构组元和力场的个数。

找到一个较小的建构组元将是比较困难的,因为这需要建造比人类有史以来曾经建造过的更强大的粒子加速器。新加速器设备上线的时间需要几十年,而其功能将仅能提供相对现有设备来说适度的增强。因此,科学家必须反过来推测一个较小的建构组元可能会是什么样子。一种流行的观点被称为超弦理论,它假定最小的建构组元不是粒子,而是一个小而振动的「弦」。就如同大提琴的弦可以演奏不止一个音符;不同的振动模式就是不同的夸克和轻子了。通过这种方式,单一类型的弦就可以成为最终的建构组元。

但问题是没有证据证明超弦确实存在。此外,为了能观察到它们所需的预期能量称为普朗克能量,这是千兆倍(10的15次方倍)于我们目前所能产生的。非常大的普朗克能量与所谓的普朗克长度密切相关,这是一个不可思议的微小长度,使得量子效应在这尺度之下变得如此之大,以至于无法测量任何更小的尺寸。同时,小于普朗克长度(或大于普朗克能量),光子或光粒子之间重力的量子效应变得很重要,相对论不能再起作用。这可能是用来理解量子引力效应的尺度了。当然,这一切都是推测来的,但它反映了我们目前的最佳预测。而且如果它是真的话,在可预见的未来,超弦必须保持是纯理论性的。

过多的力场也是一个问题。科学家希望能「统一」这些力场,说明它们只是单一种力的不同表现形式。( 艾萨克.牛顿爵士就是这样做的,他展示使物体落在地球上的力和控制天体运动的力是一样的;詹姆斯.克拉克.马克斯威尔表明,电力和磁力实际上是一个统一力场的不同行为,叫做电磁力。)

在20世纪60年代,科学家们能够证明弱核力和电磁力实际上是合称为电弱力的两个不同面像。现在,研究人员希望电弱力和强力可以统一到所谓的大统一力量中。 然后,他们希望大统一的力量将来能够与重力统一起来,形成万物理论。

然而,物理学家怀疑这种最终的统一是否能发生在普朗克能量上,这也是因为这是相对论中,它的量子效应的能量与尺度已经不再是可以忽略的了。并且,正如 我们所看到的,这个能量比我们希望短期内在粒子加速器能实现的能量高得多的。为了理解当前理论与万物理论之间的鸿沟,如果我们代表粒子的能量,我们可以视自己为细胞膜的宽度,而普朗克能量则是像地球那么大。虽然可以想像到对细胞膜有透彻了解的人,也许可以预测细胞内的其他结构──像DNA和线粒体这样的东西──但是人们不可能准确预测到地球是怎样的。他们有多大可能来预测火山、海洋或地球的磁场呢?

简单的事实是,如果粒子加速器中当前可实现的能量与普朗克能量之间存在如此大的差距,正确地推论出万物理论似乎是不可能的。

但这并不意味着物理学家应该全部退休并改行从事山水画──仍然有有意义的工作等著完成。我们仍然需要了解不明原因的现象,如暗物质和暗能量,它们占已知宇宙的95%,并利用这种理解创造出更新、更完整的物理理论。这个较新的理论不会是一个万物理论,但会比目前的理论框架更好。我们必须得一遍又一遍地重复这一过程以求进步。

有点失望吗?我也是。毕竟,我一直致力于揭示宇宙的一些秘密,但也许有些观点是有道理的。第一次统一的力场是在1670年代用牛顿的万有引力理论完成的。第二个是在19世纪70年代与马克斯威尔的电磁学理论。在半个世纪前发展的电弱力统一理论则是相对之下较新的成果。

鉴于我们在这个旅程中迈出了第一个重要的成功步骤已经过去了350年,也许展现在我们前面的这条道路比那更长也就不那么令人惊讶了。将会有一种天才的见解导致在未来几年内完全发展出万物理论的想法是一个神话。我们陷入了漫长的困境中──即使是今天科学家的孙子也不会看到它的终结。

这将是一个多么艰难的过程啊。

本文原作者唐林肯是一名费米实验室物的理学研究员。他是《大型强子对撞机:希格斯玻色子的非凡故事和其他将会打击你心灵的东西》(约翰霍普金斯大学出版社,2014年)的作者,他开展了一系列科学教育的视频。最初发表在《生命科学》上 。

(编译:心宇)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才编译首发)

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