物理學(xué)要走向何方？我們又要何時才能抵達目的地？兩位著名物理科學(xué)家討論他們所處領(lǐng)域的未來。

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

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

這是美國國家科學(xué)院新設(shè)立的一個委員會的研究主題，該委員會名為“基本粒子物理學(xué)：進展與希望”。委員會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)名譽教授、美國國家科學(xué)基金會前助理主任、美國物理學(xué)會前主席、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)家開始使用粒子物理學(xué)工具來研究大爆炸和宇宙演化，并利用宇宙來學(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，她所屬的團隊在2012年發(fā)現(xiàn)了學(xué)界尋覓已久的希格斯玻色子。如今，她正使用量子計算機研究蟲洞的性質(zhì)。該委員會預(yù)定于2024年6月發(fā)布報告。

最近，《紐約時報》會見了這兩位科學(xué)家，與他們討論了委員會的進展、過去20年的得失以及未來的挑戰(zhàn)。

為什么在此刻開設(shè)這個委員會？

特納：我覺得粒子物理學(xué)從來沒有像現(xiàn)在這樣令人興奮過，如今，我們有機會理解空間和時間、物質(zhì)和能量，以及基本粒子——甚至有機會確定它們究竟是不是粒子。如果你問一位粒子物理學(xué)家，這個領(lǐng)域?qū)⒆呦蚝畏?，你會得到很多不同的答案?/p>

但是（粒子物理學(xué)的）宏偉藍圖是什么樣的？這個領(lǐng)域激動人心的地方在哪里？1980年的時候，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），它被認為是實現(xiàn)愛因斯坦夢想的途徑之一，愛因斯坦想要找到一個能夠包含所有自然力的方程式。我們在大統(tǒng)一理論上的進展如何？

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”的量子場論來描述。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)量來源的希格斯玻色子。對希格斯玻色子的發(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、引力和時空又該如何嵌入標(biāo)準(zhǔn)模型中？回答這些問題正是粒子物理學(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)希格斯玻色子的時候，我們首先預(yù)想的是能夠找到這些其他的、新的超對稱粒子，因為如果這些粒子不存在，我們測量到的質(zhì)量就會是不穩(wěn)定的，但是我們至今還沒有找到它們。（假如希格斯場崩潰，我們可能會落入一個不同的宇宙——而這自然還沒有發(fā)生。）

這件事對我是有些打擊的，整整20年來，我一直在追逐超對稱粒子。結(jié)果，我們就像車燈前的小鹿一樣嚇呆了：我們沒能找到超對稱性，我們沒能找到暗物質(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)空間和時間的更龐大的問題相比，它就顯得無聊了。空間和時間的本質(zhì)是什么？它們從哪里來？如今，對這兩個問題的探討已經(jīng)納入了粒子物理學(xué)的領(lǐng)域。

從宇宙學(xué)的角度來看，大爆炸是空間和時間起源之始，至少從愛因斯坦的廣義相對論來看是這樣的。所以在宇宙起源之時，空間和時間是聯(lián)系在一起的。宇宙有盡頭嗎？有多重宇宙嗎？有多少個空間和時間？這個問題本身有沒有意義？

斯皮羅普魯：順便說一下，對我來說，大統(tǒng)一并不無聊。我就是提一句。

特納：我的意思是相對而言比較無聊。它還是很有趣的！

斯皮羅普魯：對于自然力大統(tǒng)一理論，目前看上去最有力的證據(jù)來自粒子物理學(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有達到上帝的尺度。所以我們很可能要對這個問題進行重新構(gòu)思。在我看來，終極大律仍然會是一個持久的難題，我們需要通過新的思維方式來解決它。

特納：我喜歡瑪利亞說的。我們可能會覺得已經(jīng)把所有的謎題都擺在了桌面上，看起來就像是，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。但這種表述問題的方式可能并不正確。

這就是偉大科學(xué)的特征：你先問一個問題，之后往往會發(fā)現(xiàn)這是個錯誤的問題，但你必須先問出它才能發(fā)現(xiàn)它是錯誤的。如果它的確是個錯誤的問題，你就再問一個新的。

弦理論——也就是許多人宣稱的“萬物理論”——將自然界中的基本粒子和基本力描述為振動的能量弦。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)百萬倍的能量層級上才會體現(xiàn)出來。一些科學(xué)家批評稱，弦理論并不屬于科學(xué)范疇。

斯皮羅普魯：它是不可驗證的。

特納：但它是一種強大的數(shù)學(xué)工具。如果你回顧一下過去2 500年間科學(xué)的進步，從一開始根本沒有數(shù)學(xué)的米列希安人，一路到現(xiàn)在，你會發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)一直是加速科學(xué)進步的項目。幾何、代數(shù)、牛頓和微積分，還有愛因斯坦和非黎曼幾何。

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

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

弦理論有許多特點，其中之一是，它的方程似乎有10???個解，描述了10???個、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：我認為我們必須解決這個問題，盡管它聽起來很瘋狂。多重宇宙讓我頭痛，它至少在現(xiàn)階段是不可驗證的，因此它不是科學(xué)。但它可能是我們這個時代最重要的概念。這是必須擺在臺面上討論的事情之一。不管它會不會讓我們頭痛，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)模型沒有說明宇宙的95%是什么，這為什么會被認為是一場勝利？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：沒錯，這就是一個巨大的成功，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，就會停滯不前。在某個時刻，我們需要改變策略——改變問題或是改變方法。歸根結(jié)底，理解宇宙的物理學(xué)不是在公園散步那么簡單。得不到回答的問題比得到了回答的問題更多。

如果大統(tǒng)一是錯誤的問題，那么什么才是正確的問題？

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

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

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

我們必須牢牢記住你之前說的話。粒子物理學(xué)中的許多工具需要很長時間才能開發(fā)出來，而且非常昂貴。這些投資總是有回報的，它們往往會帶來巨大的驚喜，從而改變科學(xué)的進程。

這讓進步變得具有挑戰(zhàn)性。但我對粒子物理學(xué)持樂觀態(tài)度，因為如今有著前所未有的寬廣機會，而且這個領(lǐng)域多年來一直處于科學(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，以及國家級、全球性的設(shè)施。如果我們以史為鑒，那么我們敢說，沒有什么能夠阻止他們回答這些重大的問題！

詹姆斯 · 韋布空間望遠鏡用了三十年時間才造好。

斯皮羅普魯：空間——瞧，我說的沒錯！

特納：我的意思是，科學(xué)就是一個又一個宏大的夢想嘛。有時候你無法立刻觸及你的夢想。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、大型強子對撞機、激光干涉引力波天文臺、韋布望遠鏡——它們擴展了我們的視野，增強了我們塑造未來的能力。如今，在我們做這些大事的時候，是通過合作實現(xiàn)它們的。如果我們繼續(xù)心懷遠大的夢想、攜手并進，前方還有更令人驚嘆的事情。

資料來源 The New York Times

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