物理學陷入困境:接下來我們該怎麼辦?

  19世紀末,由於牛頓力學和麥克斯韋電磁理論趨於完善,一些物理學家認為,“物理學的發展實際上已經結束,物理學已經走到窮途末路了”。殊不知,彼時彼刻,物理學正醞釀著兩場翻天覆地的大革命:愛因斯坦的相對論徹底地改變了人們對時間、空間、重力以及宏觀宇宙的理解;而量子力學則揭示出一個奇異的微觀宇宙。這兩大橫空出世的革命令人驚覺宇宙之神奇以及人類直覺之不可靠。

 

  然而,事情並沒有就此結束,物理學的車輪仍然在科學的驅使下滾滾前行。將量子理論和粒子物理學標準模型這兩大20世紀的支柱理論整合起來,創建出一個最終解釋萬事萬物運行規律的“萬物之理”,仍舊是科學家們一直在苦苦追尋的夢想。疑似希格斯玻色子的發現或許只是一個啟示,告訴我們到了我們再次刷新物理學面貌的時候了。當然,一切還是要從最基本的問題出發。

  為此,英國《新科學家》網站集結了眾多當代著名物理學家的真知灼見,為我們梳理了物理學的現狀和面臨的困境,以幫助我們消除心頭的疑問。

  第一部分:

  物理學陷入的困境

  布賴恩·格林:美國哥倫比亞大學的理論物理學教授,以下文字摘自於他2011年出版的著作《隱藏的現實》。格林被公認在超弦理論中做出了很多具有開拓性的發現,他曾在20多個國家開過普及和專業講座,著有《優雅的宇宙》《宇宙結構和優雅宇宙》等書。

  數學是現實之根嗎?

  是什麼讓我們如此確定數學能揭示自然界最深處的奧秘呢?

  19世紀晚期,英國物理學家、數學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋意識到光是一種電磁波,他基於此創立的麥克斯韋方程組表明,光速應該為30萬千米/秒。這一數據與實驗測得的數值相差無幾。但是,麥克斯韋方程組給後人留下了一點小小煩惱,那就是,30萬千米/秒這一數值是相對於什麼而言的呢?

  愛因斯坦為了解決光速的參考系問題,人為地引入了“以太(aether)”這一概念。愛因斯坦設想在宇宙中充滿了一種均勻的無質量的物質,他把它叫做“以太”,光速就是以這種“以太”為參照系的。但是,後來的理論發展和實驗卻證明,“以太”是不存在的,光速在任何參考系中都是一樣的。這也是狹義相對論的一個基礎。

  愛因斯坦創立的狹義相對論顛覆了幾個世紀以來與空間、時間、物質和能量有關的一切思想,但愛因斯坦並沒有止步於此,最終,他創立了廣義相對論。廣義相對論認為,萬有引力不是一般的力,而是時空彎曲的表現。廣義相對論目前仍然是宇宙模型的基礎。

  上述細節具有重大的歷史意義,但又不僅如此,所有人都看到了麥克斯韋方程組背後的數學,而只有天才的愛因斯坦才花費了很大的精力和心血來研究它,並最終基於此做出了偉大的發現。

  這個故事很好地闡釋了諾貝爾獎得主史蒂芬·溫伯格的一段話。溫伯格曾經表示:“我們的錯誤並不在於我們太把已有的理論當回事,而在於我們並沒有對它們給予足夠的重視。”

  溫伯格的這段話指的是天文學上的另一個重大突破——美國科學家拉爾夫·阿爾法、羅伯特·赫爾曼以及喬治·伽莫夫的預測,即大爆炸之後的瞬間會產生宇宙微波背景輻射。其實,只要科學家們將廣義相對論與基本的熱力學理論結合在一起考慮,就會自然而然地得出上述結論。

  1948年,阿爾法和赫爾曼預言,宇宙大爆炸產生的殘留輻射,由於宇宙的膨脹和冷卻,如今它所具有的溫度約為絕對零度(零下273攝氏度)以上5開,或者說5K。但是他們的預言並未引起人們的普遍重視。

  直到1965年,美國新澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在為跟蹤一顆衛星而校準一具很靈敏的無線電天線時,十分意外地發現了這種宇宙輻射場。與此同時,在附近的普林斯頓大學,由羅伯特·迪克領導的科學小組也已獨立地發現了阿爾法和赫爾曼作過的預言,並著手設計出了一台探測器以供搜索大爆炸的殘留輻射。他們假設它是熱輻射,那麼它所具有的能量就相應於2.7K的溫度——這與阿爾法和赫爾曼富於靈感的估計非常接近。科學家們將其稱為“宇宙微波背景輻射”。宇宙微波背景輻射的存在,給大爆炸理論提供了有力的支持。

  無可否認,溫伯格的這句話具有很強的現實意義。儘管多年來,已經有很多實驗證明與現實世界有關的數學是他埋首於書桌得到的,但是這並不是說我們的理論學家們隨便塗抹的任何方程式都能達到溫伯格的水平。沒有令人信服的實驗結果,認定哪個方程式值得認真對待,這可真是一件藝術活。

  當然,愛因斯坦就是這方面的藝術大師。在他於1905年發表了狹義相對論公式之後的幾十年內,他就對數學的各個領域爛熟於心了,而同時代的大多數物理學家則對這些領域知之甚少甚至一無所知。在他邁向廣義相對論的最終等式的過程中,在將這些數學結構同他的物理學直覺結合在一起這個方面,愛因斯坦展示出了罕見的天賦。

  比如,1919年,當愛因斯坦看到一條消息說,科學家們對日全食的觀測證實了廣義相對論的預測——光應沿著曲線行進時,他強調說,要是結果不一樣,“他只能對上帝說‘抱歉’了,因為他確信他的理論是正確的”。

  我非常確信,當能夠顛覆廣義相對論的有說服力的數據出現時,愛因斯坦肯定會換種口氣說話。但是,愛因斯坦的這句話,卻很好地展示了一套數學方程式如何通過它們條理清晰的內部邏輯、優雅美妙的結構以及廣泛的適用性來精確地彰顯現實。幾個世紀的發現已經為我們提供了豐富的證據,表明數學能夠揭示世間萬事萬物不為人知的運行奧秘,而且,物理學也在數學的引領下,一次次迎來了不朽的巨變。

  然而,愛因斯坦對於他本人提出的數學方程,接受程度也是有限的。他並沒有“足夠認真”地看待他的廣義相對論,他並不相信廣義相對論能預測出黑洞或者宇宙在不斷膨脹。但是,其他科學家卻比愛因斯坦本人更重視廣義相對論的方程式,而且,這些科學家研究愛因斯坦理論所取得的成就在近百年來已經為人們理解宇宙學確定了航向。

  相反,在其生命的最後20年裡,愛因斯坦將全副身心都投入到了數學領域,希望能夠為物理學創立一個大一統的理論。不過,當我們檢閱歷史時,我們不得不承認,那些年裡,愛因斯坦對他所處的數學叢林過於執著了,甚至有人都覺得他好像被數學牽著鼻子走,有點過於“盲目”了。在應該認真嚴肅地對待哪個方程式這一問題上,甚至愛因斯坦有時也會犯錯。

  量子力學卻為這種物理學和數學之間的困境提供了另外一種可能的解決辦法。1926年,埃爾溫·薛定諤寫下了他的量子波等式,在此後的幾十年間,人們認為這個等式僅僅與分子、原子和亞原子粒子等一些微小的領域相關。但是,1957年,普林斯頓大學的休·艾福雷特博士對愛因斯坦在半個世紀之前的建議——要嚴肅對待數學作出了回應。艾福雷特認為,薛定諤的等式應該可以適用於任何方面,因為所有的物質,無論大小,都由原子、分子和亞原子粒子組成,而這些粒子全部遵循薛定諤提出的概率法則。按照這種邏輯推演下去,我們可以得出一個結論,那就是,不僅實驗裝置會遵循薛定諤方程,實驗對象也是如此。艾福雷特據此提出了他的“多重宇宙理論”。該理論認為,宇宙在第一次“大爆炸”後還在不斷“大爆炸”,形成無數宇宙,因此,在一系列平行世界中,所有可能的結果都可能會實現。

  50多年過去了,我們仍然不知道艾福雷特的推論方法是否正確。但是,通過非常嚴肅認真地對待量子理論背後的數學,他可能已經做出了科學探索領域內最有意義的一個。從此,旨在幫助我們更深入地理解現實的很多數學方程式,都普遍引入了各種版本的多重宇宙。簡而化之,“多重宇宙”指的是在數學上允許存在的每個可能的宇宙都對應著一個真實的宇宙。極端一點來說就是,數學即現實。

  如果迫使我們思考平行世界的某些數學方程式或者所有的數學方程式都被證明與現實有關,那麼,愛因斯坦著名的“追問”——該宇宙擁有它所具有的特徵是否僅僅因為沒有其他宇宙可能具有該特徵這一問題將有一個確定無疑的答案:不。我們的宇宙並非唯一一種可能,其性質可能與現在不同,而且,其他宇宙的性質確實也可能不同。如果真是如此,那麼,為什麼某些事情會是現在這種情況?為其尋找一個基本的解釋將是一件徒勞無功的事情。毫無疑問,統計可能或者純粹是偶然無疑會進入我們對於巨大宇宙的理解中。

  我並不知道事情最終會有一個怎樣的結局,也沒有任何人知道。但是,只有通過無畏的付出和追尋,我們才能深切地瞭解到我們的局限性。只有通過理智地追尋理論,通過嚴肅地對待數學,即使有些數學方程式會將我們引入完全陌生的領域,我們也有機會揭示隱藏著的現實。

  斯蒂芬·巴特斯:現居倫敦,是《新科學家》雜誌的顧問。

  宇宙心臟深處的黑暗虛空

  我們已經建立起來的宇宙模型非常成功,可能很大程度上是因為,模型中的絕大部分完全是出自於我們的想像吧。

  對我們的眼睛來說,星星即宇宙。但是,對宇宙學家來說,星星不過是一些閃光的微塵,是宇宙這所大房子的重要裝飾物而已。在宇宙空間內,還存在著兩種難以捉摸的物質,其重要性遠遠超過普通的星星和氣體,那就是:暗物質和暗能量,我們對它們一無所知,但我們知道,它們顯然與萬事萬物都有關聯。

  這對“孿生幽靈”或許足以讓我們停下奔忙的腳步,促使我們思考,我們歷時一個多世紀費心費力創建的宇宙模型是否正確。而且,情況還不止於此。我們的標準宇宙學模型也表明,在大爆炸之後的一霎那,空間就被第三種目前還不為人所知的東西拉伸成形,科學家們將這第三種“暗勢力”稱為“暴脹場”。這或許意味著,在我們看不見的地方,還存在著無窮多個其他的宇宙,其中的大部分宇宙對於我們來說另類得不可思議,其存在可能只是為了讓我們建立的宇宙模型更好地發揮作用而已。

  那麼,讓我們的觀察來承載這些“暗夜幽靈”,是否有點過於沉重呢!?難不成真如馬克·吐溫所說的:我們只是投資了一點微小的事實,就能得到一大堆的推測?

  我們的標準宇宙學的物理學基礎是愛因斯坦的廣義相對論,廣義相對論始於一個非常簡單的觀察:任何物體的引力重量完全等於其慣性質量,愛因斯坦對這一等效原理的闡釋,亦是廣義相對論的根本精神,就是質量導致時空彎曲,而彎曲的時空則導致其他質量加速。蘋果落地就可以採用這種方法來解釋:因為地球的質量很大,使其周圍的四維時空發生了彎曲,因此,蘋果就順著彎曲的時空向地球移動了。

  廣義相對論是一種嶄新的重力理論。當涉及到微弱的重力場時,它可被簡化為牛頓理論。因此牛頓的重力理論可看成是廣義相對論的近似。日常生活的重力現象都可以用牛頓或廣義相對論描述。不過,當重力場很強的時候,二者就有差異。在強大的重力場下,廣義相對論預言的有些結果就與牛頓重力相異。這些當然都由時空彎曲引起。例如光線會被重力場扭曲,就沒有牛頓理論的對應。

  廣義相對論的另外一個重要預測是,時空擾動可以波動形式傳播。這些引力波就像水面被擾動時傳出的水波,但波動的是時空本身。不過,引力波的強度很弱,而且物質對引力波的吸收效率極低,因此直接探測引力波極為困難。美歐日等國家都在建造一些大型的引力波天線,希望能接收到宇宙遠方傳來的微弱的引力波。曾有人宣稱在實驗室內探測到了引力波,但未得到公認。1974年,天文學家們觀察到一對緻密的名為脈衝星的恆星相互圍繞,按照廣義相對論的預測,如果它們因為釋放出引力波從而損失一部分能量就會如此。

  在宇宙的尺度上,萬有引力是自然界的支配之力,因此,代表了現代物理學中引力理論研究最高水平的廣義相對論(是一種關於萬有引力本質的理論)是我們最好的工具,我們可以借助廣義相對論為宇宙創建模型,描述和展示宇宙作為一個整體是如何移動的以及宇宙的一舉一動。廣義相對論方程是一個以時空為自變量、以度規為因變量的帶有橢圓形約束的二階雙曲型偏微分方程,它以複雜而美妙著稱,而且,其可調節的參數多得令人發楚,如果提供一個複雜的輸入,諸如真實宇宙的質量和能量散亂分佈的細節,這個方程幾乎就很難有解了。為了創建出一個實用的宇宙學模型,我們需要簡化假設。

  其中主要的假設是哥白尼原則(The Copernican principle),這是物理學和哲學的一條基本法則,以文藝復興時代提出“日心說”的波蘭天文學家尼古拉·哥白尼命名。它的定義是:沒有一個觀測者有特別的位置,宇宙各處看起來應該都一樣。當我們在足夠大的層面上觀察時,也的確如此,萬事萬物都分佈得非常均勻。這意味著愛因斯坦方程只需要帶入一個參數就夠了,那就是宇宙的物質密度。廣義相對論認為,時空彎曲的程度是由物質的密度分佈所決定的。

  愛因斯坦最大的錯誤

  有鑒於此,愛因斯坦用具有統一密度的惰性塵埃來填充他的第一個精簡版的宇宙模型,該模型所展示的宇宙在自身的引力下會收縮。他認為這是個問題,因此,發明了一個術語(宇宙常數)來抵消幾乎無處不在的引力,用以保持宇宙的恆定不變。然而,上世紀20年代,觀測結果表明,宇宙實際上在不斷膨脹,愛因斯坦後來將宇宙常數稱為他一生中“最大的錯誤”。

  隨後,其他科學家將廣義相對論的方程式應用於不斷膨脹的宇宙,並創建出了一個新的宇宙模型,該模型認為宇宙源於一個最初密度無限大的點,因為物質的重力,宇宙膨脹的速度逐漸變慢。宇宙大爆炸天文學就這樣橫空出世了。不過,我們也面臨一個主要的問題,那就是,這種膨脹是否會停止。答案似乎是否定的。在不斷漂浮的星系內,重力能夠駕馭的物質少得可憐,宇宙將不斷平滑地向外膨脹。

  此時此刻,暗物質和暗能量這些宇宙“幽靈”開始慢慢浮出水面,變得具體,且進入人們的思維。20世紀30年代,瑞士天文學家弗裡茨·茨威基發表了一個驚人結果:在星系團中,看得見的星系只佔總質量的1/300以下,而99%以上的質量是看不見的。茨威基首先發現了暗物質的存在,他的發現大大推動了物理學的發展。但由於暗物質根本不與光發生作用,更不會發光,在天文上用光的手段絕對看不到暗物質,因此,當時許多人並不相信茨威基的結果。

  直到20世紀70年代初,科學家在觀測宇宙其他一些星系中的恆星運行速度時就發現,越往外,圍繞中心的速度並不都是衰減下去,而是和內圈恆星的速度差不多。這與越往外,物質越少,引力也越小,速度也應該越低的常規不符。由此反推,此時雖然外圈的那些能被直接觀測到並數出來的星星數目變少了,但其實內部的物質數量並沒有減少,引力也沒有變小,只不過觀測不到而已,科學家們大膽地猜測:宇宙中一定有某些物質沒有被我們的天文觀測所發現,這些物質被稱為“暗物質”。

  此後,其他證據,包括星系群的運動方式、星系朝我們而來的路上彎曲光線的方式等,都成為暗物質存在的證據。另外,在最開始,為了將物質緊緊膠合在一起產生星系,也需要暗物質。科學家們還推測,暗物質的數量可能是可見的氣體和星星的5倍。

  目前,暗物質的身份對我們來說仍是一個未解之謎,暗物質似乎並不在粒子物理標準模型之內。儘管我們盡了最大努力,卻仍然沒有在地球上製造出甚至觀察到暗物質。但是,它對宇宙學標準模型的影響微乎其微:在廣義相對論中,其引力作用與普通物質的引力作用一模一樣,而且,即使有這麼多能產生豐富引力的物質,也很難讓宇宙停下膨脹的腳步。

  第二種“暗勢力”則引發了一場更加深刻的變革。在上世紀90年代,使用名為1a型的超新星爆發時測量的數據,天文學家們對宇宙膨脹進行了更加精確地追蹤。種種觀測數據表明,宇宙正在加速膨脹,似乎有某種斥力瀰漫於廣袤的宇宙間,徹底打敗了物質間的萬有引力。科學家將這種尚不知道的反引力作用稱為“暗能量”。

  精準的配方

  這可能是愛因斯坦的“宇宙學常數”的再生,當然,這和當初愛因斯坦引入以給出平滑的宇宙模型不同,現在的“宇宙學常數”代表了暗物質和暗能量。科學家們認為,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能嚴格說其是一種斥力,只能稱其為能量。儘管如此,粒子物理學家們仍在糾結,為什麼空間本身暗藏有這麼小的能量密度呢?於是,富有想像力的理論學家們紛紛給出各種解釋,比如由迄今為止還沒有被看到的粒子產生的能量場;來自於可見的宇宙之外或者由其他維度發射過來的作用力等等。

  不過,上述富有想像力的觀點目前都沒有得到證實。無論暗能量是什麼,它似乎足夠真實。目前為科學界普遍接受的宇宙起源理論認為,宇宙誕生於距今約137億年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景輻射被認為是“大爆炸”的“餘燼”,均勻地分佈於整個宇宙空間。“大爆炸”之後的宇宙溫度極高,之後30多萬年,隨著宇宙膨脹,溫度逐漸降低,宇宙微波背景輻射正是在此期間產生的。

  宇宙微波背景輻射上有一些溫度不一的斑點,分別代表著年輕宇宙密度稍高和密度稍低的地方。這些斑點的典型尺度可以被科學家們用來衡量空間作為一個整體被其內的物質和運動彎曲到何種程度。結果表明,宇宙看上去幾乎平滑無比,這意味著所有這些彎曲效應都必須被抵消。這就使得科學家們再次需要某些額外的排斥能量來平衡由於膨脹和物質的引力所導致的彎曲。星系在空間中的分佈模式也給出了同樣的結論。

  所有這些觀測線索,讓我們獲得了一份宇宙的精確配方。空間中普通物質的平均密度是0.426攸克(yoctogram)(1攸克為10-24克)/立方米,這些物質占宇宙總能量密度的4.5%,而暗物質占22.5%,暗能量占73%。我們建立在廣義相對論基礎上的宇宙大爆炸模型與我們的科學觀察非常吻合,只要我們坦然接受我們虛構出來的“暗勢力”佔據了宇宙95.5%的份額。

  不過,這並不意味著我們已經大功告成,我們必須“發明”更多東西才行。為了解釋宇宙為什麼在各個方向看起來如此一致,目前的主流宇宙學理論還引入了第三種“詭異”元素,那就是暴脹場。宇宙學理論認為,當宇宙形成僅10-36秒時,一種具有顛覆性的力量接管了整個宇宙,這種力量就是暴脹場,其像暗能量一樣是排斥力,但比暗能量強大很多,它導致宇宙爆炸性地膨脹為原來的1025倍,讓宇宙變平滑,同時抹去了所有的整體不規則性。

  當這段暴脹期終結時,該暴脹場就轉化為物質和輻射。該暴脹場中的量子漲落,變成了宇宙密度的細微變化,最終演變為宇宙微波背景中的斑點和我們目前看到的漫天星系。

  而且,這個夢幻般的故事似乎與我們觀察到的事實非常吻合,它也再次引入了很多“空想”出來的概念。對於廣義相對論而言,暴脹並不麻煩,在數學上,只需要加上一個與宇宙學常數完全一樣的術語而已。但是,在某一時刻,該暴脹場一定佔據了宇宙100%的空間,而且,其起源也像暗物質或暗能量一樣,對人們來說是個未解之謎。更重要的是,暴脹一旦開始,就很難停下來:它會繼續製造出很多與我們的宇宙風格迥異的宇宙。對有些宇宙學家來說,當他們重新審視我們的標準宇宙學的基本假設時,預言多重宇宙的存在顯而易見就有點迫不及待了。

  標準宇宙模型也有很多同我們的觀察不一致的地方。比如,宇宙大爆炸製造出的鋰-7在理論上多於宇宙本身包含的。另外,該模型也沒有解釋宇宙背景輻射中某些特徵似乎能夠排列成行以及特定視線方向上的星系看起來似乎更傾向於左旋自轉。而且,科學家們最近發現了一個長達40億光年的超星系結構,也讓人們對宇宙在大層次上是平滑的這一假設提出了質疑。

  黑暗三重奏

  如果科學家們獲得更多數據,或者改變計算方法,上述諸多小麻煩很可能就會消失殆盡。但是,更大的問題仍然存在。美國哈佛—史密森尼天體物理學中心的物理學家羅伯特·柯什納表示:“我們不瞭解暗能量,也不瞭解暗物質,這令我們感到相當沮喪。”柯什納也是首先發現暗能量的超新星團隊中的一員。

  自從愛因斯坦創立滿是塵埃的宇宙模型以來,作為基礎的數學方法並沒有發生改變,但是,科學家們不斷朝這個模型“添磚加瓦”,使得現在的宇宙模型更富活力,而且細節更加明晰。科學家們現在已經精確地知道該宇宙的年齡和組成了。暗物質似乎製造出了星系和其他結構;暗能量則暗示著宇宙會加速膨脹,最終進入一個冰冷和孤獨的未來;暴脹理論表明宇宙源於一場暴力事件中。這三駕黑暗馬車,每一駕都指向一項全新的物理學。

  柯什納將這看成是一個挑戰。他說:“這並不意味著我們的理論中存在著任何瑕疵。我們也並不會因此而失望,相反,我們深受鼓舞。”但是,只要我們沒有在實驗室中獲得暗物質的證據,或者為暗能量找到能證明其存在物理學基礎,我們就有可能深陷某種根本性誤解的桎梏之中——或許,我們的宇宙學模型的數學基礎出現了一個非常根本的偏差,根本到了迄今為止還沒有人能夠想像得出這個錯誤會是哪種形式,只是一個未知的未知。那麼,量子引力論會是我們前進的方向嗎?或者,某些新的觀察會讓我們再一次重寫我們建立在廣義相對論基礎上的宇宙學說?




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