我们常常听到物理学家用“美”形容物理理论。我们或许可以直观地感受理解艺术之美,但物理之美意味着什么呢?让我们一起来听听哈佛大学的理论物理学家哈沃德·乔吉对于美的深刻见解。 撰文哈沃德·乔吉(Howard Georgi) 翻译严寒 校对郑伟 物理理论的美,意味着什么呢?真实的世界中充满了美的事物。有谁不会被绮丽的彩虹,或者细致完美的雪花而感动呢?但究竟是怎样一个理论能够用“美”来形容呢?当然,在某种程度上说,这无关紧要。在艺术中,作品本身也许就足以让人领悟其中的美;但在科学中,最终的检验标准是,这个理论能否帮助我们理解世界。然而,许多物理学家都认为美至关重要。对此,我不确定该作何思考,但幸运的是,我找到了两个理论,我和我的许多同事都认为很美。这就是大家所知晓的:“大统一理论(Grand Unified Theories)”(虽然我认为这些理论的确很大,但这名字不是我起的)。 读者也许会产生疑问:“找到(find)一个理论”是什么意思呢?也许“发现(discover)” 或“发展(develop)”的用语,比“找到”听起來更加科学。但事实上我的确是找到了这些理论。我的同事——诺奖得主谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow),曾经和我一起,为了寻找这些所谓美的理论花了将近两年时间。我们猜测它们就在那里,并且非常努力地一起探寻它们,探索我们认为它们所在的理论世界。我们和其他人发展了许多理论工具去寻找它们,并检验它们是否与实验结果一致(那个时候,实验也正在迅速发展)。但我们一无所获,因为我们没有在正确的方向上搜寻,这让人沮丧。 1973年冬天的一个下午,我们意识到,我们一直在理论的地图上回避一片巨大的区域,因为那里看起来相当难以驾驭,并且危机四伏。我们因而决定铤而走险,在那个下午开始探索这片崭新的领域,但当时我们没有意识到,我们仍在回避其中最野性最危险的地方,而美的理论就藏匿于此。晚饭后我回到家中,在继续搜寻中经历了一次神奇的体验。 在这篇文章中,我希望向你传达我所经历的一些乐趣——也就是某种美妙的数学,指引我到达那最关键最危险的领域时,其中所经历的乐趣,而且最终甚至与我的意志相反,我被迫面对危险。当然,在这儿谈论引我走向那个美妙之夜的所有物理或数学是不可能的,我得依赖比喻和图像来解释。而且我得先置外不提一些非常有趣的东西,比如在这儿几乎不讨论弱力,这是有些遗憾的。在那段时间试图理解弱力,以及它与希格斯粒子(Higgs particle)(其理论预言提出将近50年后才在LHC上被发现)之间的联系,是当时在理论领域中取得巨大成就的最主要的促进因素之一。但如果谈到它的话,这里的图片就会变成4维!我不知道该怎么画出来,不过,我会尝试用新的方法讨论这个问题,或许能让你感受到其中的美。幸运的是,数学用以图像呈现,助我走出当时的困惑丛林。 我们从上世纪60年代中期开始说起,那时标准模型以及夸克携带色荷的思想才刚萌芽。我们现在说,夸克拥有“味”和“色”。这个夸克列表,如果你读过关于标准模型的文章,或许会感到熟悉。对于不同种类(types)的夸克,“味”,是完全人为的叫法,而且不太有用(我不确定只用“种类”有什么不对)。标准模型把夸克的“味”分为三类,最轻的 u 和 d 夸克,似乎与电子和电中微子有关联。更重的c和s似乎与更重的电子类似物——缪子,及中微子有关联。再重一些的t和b,和再重一些的电子类似物——τ子和τ子中微子的关联。电子与它更重的伙伴及其对应的中微子,一般称为“轻子”。最轻的家族,u、d、电子及中微子对我们的存在都至关重要。我们是由前三个构成(因为质子和中子由u和d夸克构成),而且如果没有第四个,太阳就不会发光。直到今天,我们都不知道其他家族对我们来说有何作用。我将要讲述的故事,是与最轻的家族有关(稍后也会谈到它们的反粒子)。而其他家族以类似的方式,同样地融入这个美的理论中。 (责任编辑:本港台直播) |