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2009年10月15-25日在位于加拿大滑鐵盧的圓周研究所舉辦了一個(gè)“從量子到宇宙”的主題節(jié)日，期間有數(shù)位世界最頂尖的物理學(xué)家受邀參加了一個(gè)脫口秀節(jié)目。在這個(gè)節(jié)目中所有的物理學(xué)家都被要求回答同一個(gè)問(wèn)題——什么難題能讓你夜不能寐？ 盡管幾乎所有的物理學(xué)家都表示自己并不存在睡眠問(wèn)題，不過(guò)在這個(gè)談話節(jié)目進(jìn)行的過(guò)程中還是有7個(gè)問(wèn)題浮出了水面。 為什么是這個(gè)宇宙？
擴(kuò)展閱讀 世間萬(wàn)物由什么組成？
擴(kuò)展閱讀 復(fù)雜性是如何產(chǎn)生的？
弦理論會(huì)被證明是正確的嗎？
擴(kuò)展閱讀 物理學(xué)有沒(méi)有終點(diǎn)？
也許最大的問(wèn)題是，自伽利略和開(kāi)普勒以來(lái)不斷探索這個(gè)宇宙的過(guò)程是否正在臨近終點(diǎn)。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）說(shuō)：“我擔(dān)心我們已經(jīng)到達(dá)了實(shí)證科學(xué)的極限。”他想知道，為了了解我們的宇宙為什么會(huì)如此是否必須要認(rèn)知其他的宇宙。如果這些認(rèn)識(shí)是無(wú)法企及的，那也許這就是進(jìn)一步深化我們對(duì)這個(gè)宇宙認(rèn)識(shí)過(guò)程的終點(diǎn)。人們習(xí)慣于把理論物理的進(jìn)展看成是某種偶然，是否存在一條途徑可以加速我們的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)。
（本文已刊載于《科學(xué)畫(huà)報(bào)》2010年第4期） |
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在不斷追尋自然界基本規(guī)律的過(guò)程中，物理學(xué)家們一直試圖在搞清楚一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題：為什么宇宙是我們所看到的這個(gè)樣子。為什么我們居住的空間是3維，而不是2維、10維或者25維？為什么光速是如此之快而音速是如此之慢？為什么原子是如此得渺小，而恒星又是如此得碩大？為什么宇宙是如此得年老？如果還存在其他的物理定律，那是不是意味著在其他地方還存在著不同的宇宙？“對(duì)于我們所處的宇宙來(lái)說(shuō)，也許我們最終會(huì)發(fā)現(xiàn)它別無(wú)其他的可能，只能是這個(gè)樣子，”美國(guó)加州理工學(xué)院的物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說(shuō)，“但我懷疑這并不正確。”很容易想象，如果自然界允許不同的宇宙擁有不同的物理規(guī)律，那么這個(gè)問(wèn)題就變成了，在我們這個(gè)宇宙中為什么是這些物理定律而不是其他的？
現(xiàn)在已經(jīng)清楚地知道，普通物質(zhì)——原子、恒星和星系——只占據(jù)了整個(gè)宇宙的4%。美國(guó)密歇根大學(xué)的物理學(xué)家凱瑟琳·弗里茲（Katherine Freese）則致力于弄清楚其余的96%是什么。每個(gè)星系都包含有暗物質(zhì)，也正是這些不為人知的物質(zhì)使得我們所居住的銀河系免于瓦解。當(dāng)暗物質(zhì)聚集到相當(dāng)數(shù)量的時(shí)候，它們就會(huì)發(fā)生碰撞湮滅，產(chǎn)生電子、質(zhì)子、正電子和反質(zhì)子。弗里茲非常興奮，因?yàn)榘滴镔|(zhì)的性質(zhì)即將被解開(kāi)。美國(guó)宇航局費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)，銀河系中暗物質(zhì)粒子之間正在以能被我們觀測(cè)到的速率在湮滅，這將揭示出它們的性質(zhì)。但是對(duì)驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的暗能量的發(fā)現(xiàn)又帶來(lái)了一系列新的難題，且在短時(shí)間恐怕難以有所進(jìn)展。這些問(wèn)題包括暗能量自身的特性是什么？為什么它是如此之小，能讓星系和恒星得以形成以及生命出現(xiàn)在這個(gè)宇宙中？
從金融市場(chǎng)的不可預(yù)測(cè)行為到生命的出現(xiàn)，美國(guó)芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家和應(yīng)用數(shù)學(xué)家利奧·卡德納諾夫（Leo Kadananoff）則致力于復(fù)雜系統(tǒng)的出現(xiàn)。他擔(dān)心，如果粒子物理學(xué)家和宇宙學(xué)家僅僅關(guān)注最小和最大尺度的東西，那么他們將會(huì)錯(cuò)過(guò)非常重要的東西。“我們?nèi)匀徊恢来安Ａ侨绾伪３炙男螤畹模?#8221;卡德納諾夫說(shuō)，“因此研究我們熟悉的事物也同樣的重要。”只有破解了簡(jiǎn)單的成分和簡(jiǎn)單的相互作用如何產(chǎn)生出復(fù)雜的現(xiàn)象之后，生命才有可能真正被了解。
劍橋大學(xué)的物理學(xué)家戴維·堂（David Tong）則著迷于弦理論的數(shù)學(xué)之美。弦理論認(rèn)為我們觀測(cè)到的基本粒子并不是“點(diǎn)”狀的而是微小的“弦”。但當(dāng)他意識(shí)到興許在他的有生之年也無(wú)法知道這一理論是否真的能描述宇宙萬(wàn)物的時(shí)候，他也感到了茫然。即使是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和“普朗克”衛(wèi)星這些旨在揭示出新物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)也無(wú)法對(duì)弦理論下任何決定性的結(jié)論。另一方面，有些弦理論預(yù)言自然界還存在一種極其微弱的力，對(duì)于不同組成的物質(zhì)它會(huì)使得引力發(fā)生微小的變化，這就會(huì)使得不同的物體在引力場(chǎng)中以不同的速度下落。但這一差別遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前可測(cè)量的范疇。不過(guò)當(dāng)他知道弦理論中的方法還可以用于其他更實(shí)際的問(wèn)題——例如，夸克的行為和特殊金屬——時(shí)，他也感到了一絲欣慰。“這是一個(gè)有用的理論，”堂說(shuō)，“因此我正試圖專注于它的應(yīng)用。”
對(duì)于宇宙學(xué)家、圓周研究所主任尼爾·圖羅克（Neil Turok）來(lái)說(shuō)，讓他無(wú)法入睡的問(wèn)題則是世間一切的起始——大爆炸。在宇宙創(chuàng)生之時(shí)，它處于溫度和密度都無(wú)窮大的狀態(tài)——奇點(diǎn)，所有已知的物理定律在那時(shí)都會(huì)失效。“我們不知道該如何描述它，”他說(shuō)，“任何一個(gè)囊括所有物理的理論怎么能不包含它？”為了避免宇宙創(chuàng)生的奇點(diǎn)，他參與提出了“火劫”理論。這一理論認(rèn)為，我們所處的世界是至少10維的宇宙中的一張低維膜，兩個(gè)分立的三維膜會(huì)沿著垂直的維度前后震蕩。每一萬(wàn)億年左右，這兩個(gè)膜就會(huì)彼此靠近并且碰撞，碰撞會(huì)釋放出一個(gè)火球進(jìn)而使得每個(gè)宇宙“重生”。同時(shí)，圖羅克還寄希望于弦理論以及相關(guān)的“全息原理”。根據(jù)全息原理，一個(gè)三維的奇點(diǎn)可以被轉(zhuǎn)換為二維空間中一個(gè)在數(shù)學(xué)上更容易處理的東西。這也許意味著第三維和引力只不過(guò)是一種“幻影”。他說(shuō)：“這些工具給我了一條思考這一問(wèn)題的新途徑，并且它在數(shù)學(xué)上非常讓人滿意。”
物質(zhì)世界在一定程度上可能超出了我們的認(rèn)識(shí)，但是維也納大學(xué)的物理學(xué)教授安東·蔡林格（Anton Zeilinger）認(rèn)為物理學(xué)家僅僅是抓住了它的表面。量子力學(xué)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)古怪而難以想像的現(xiàn)象，例如一個(gè)粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。然而隨著我們從原子大小的尺度進(jìn)入蘋(píng)果大小的尺度，模糊的量子世界便讓位給了我們熟知的、確定的經(jīng)典物理世界。蔡林格的專長(zhǎng)是量子實(shí)驗(yàn)，他的小組通過(guò)富勒烯（碳60）之間的量子干涉證明了測(cè)量?jī)x器的選擇決定了被測(cè)物體的行為是量子的還是經(jīng)典的。這同時(shí)也彰顯了觀測(cè)者對(duì)物理實(shí)在（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）的影響。他說(shuō)：“也許當(dāng)我們開(kāi)始了解實(shí)在、知識(shí)和我們行動(dòng)之間的聯(lián)系時(shí)，真正的突破就會(huì)到來(lái)。”這一觀點(diǎn)看似虛幻，但卻是實(shí)實(shí)在在的。蔡林格和其他人已經(jīng)證明，彼此遠(yuǎn)離的粒子的量子態(tài)有著某種聯(lián)系，因此觀測(cè)其中一個(gè)就為影響另一個(gè)的狀態(tài)。還沒(méi)有人知道這一現(xiàn)象背后的真正原因。
當(dāng)蘋(píng)果砸到牛頓頭上的時(shí)候，那年他25歲，隨后他提出了引力定律并發(fā)展了微積分。同樣也是在25歲，愛(ài)因斯坦提出了相對(duì)論，狄拉克提出了相對(duì)論性量子力學(xué)方程。也正是在這個(gè)年齡海森堡給出了量子力學(xué)的矩陣形式（矩陣力學(xué)）。因此美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的高能理論物理學(xué)家吉諾·西格雷（Gino Segre）鼓勵(lì)年輕人勇于思索一些奇特、怪異的想法。這也許將會(huì)是科學(xué)的終點(diǎn)，也可能會(huì)是更激動(dòng)人心的事物的開(kāi)端。對(duì)此我們沒(méi)有答案。
