《纽约时报》专访：粒子物理学会走向何方？_风闻

未来属于那些为它做准备的人。向NASA和美国能源部等联邦机构申请研究基金的科学家们深知这一点。毕竟，空间望远镜或粒子加速器等大型仪器的价格可能高达100亿美元。

眼下，物理学界开始考虑他们下一步要做什么，以及为什么要这么做。

这是美国国家科学院新设立的一个委员会的研究主题，该委员会名为“基本粒子物理学：进展与希望”。委员会主席由两位著名物理学家担任，分别是加州理工学院的物理学教授玛利亚•斯皮罗普鲁（Maria Spiropulu），以及美国物理学会前主席、宇宙学家迈克尔•特纳（Michael Turner）。

20世纪80年代，一部分科学家开始使用粒子物理学工具来研究大爆炸和宇宙演化，并利用宇宙来学习粒子物理学，特纳博士正是其中之一。

出生于希腊的斯皮罗普鲁博士曾在欧洲核子研究中心工作，她所属的团队于2012年发现了学界寻觅已久的希格斯玻色子。如今，她正使用量子计算机研究虫洞的性质。该委员会预定于2024年6月发布报告。

近期，《纽约时报》采访了这两位科学家，与他们讨论了新委员会的进展、过去20年的得失以及未来的挑战。

编译 | 苦山

《纽约时报》：为什么在此时开设这个委员会？

特纳：我觉得粒子物理学从来没有像现在这样令人兴奋过，如今，我们有机会理解空间和时间、物质和能量，以及基本粒子——甚至有机会找出它们究竟是不是粒子。如果你问一位粒子物理学家，这个领域将走向何方，你会得到很多不同的答案。

但是（粒子物理学的）宏伟蓝图是什么样的？这个领域激动人心的地方在哪里？1980年的时候，我为大统一的想法感到兴奋不已，但如今再看，和前方的无数可能性相比，它倒显得微不足道了。

《纽约时报》：你指的是大统一理论（GUT），它被认为是实现爱因斯坦梦想的途径之一，爱因斯坦想要找到一个能够包含所有自然力的方程式。我们在大统一理论上的进展如何？

特纳：据我们所知，物质的基本构成单元是夸克和轻子；支配它们的规则需要由名为“标准模型”的量子场论来描述。除了这些基本构成单元外，还有力的载体——传递电磁力的光子、强力的8个胶子、弱核力的W何Z玻色子，并解释了部分粒子质量来源的希格斯玻色子。对希格斯玻色子的发现彻底完成了标准模型的构建。

但对基本规则的追索并未终止。为什么有两种不同的基本构成单元？为什么有这么多的“基本”粒子？为什么是四种力？暗物质、暗能量、引力和时空又该如何嵌入标准模型中？回答这些问题正是基本粒子物理学的工作。

斯皮罗普鲁：难题在于，我们搞不懂希格斯玻色子的质量是怎么回事，它大约是氢原子质量的125倍。

在我们发现希格斯玻色子的时候，我们首先预想的是能够找到这些其他的、新的超对称粒子，因为如果这些粒子不存在，我们测量到的质量就会是不稳定的，但是我们至今还没有找到它们。（假如希格斯场崩溃，我们可能会落入一个不同的宇宙——而这自然还没有发生。）

这件事对我是有些打击的，整整20年来，我一直在追逐超对称粒子。结果，我们就像车灯前的小鹿一样吓呆了：我们没能找到超对称性，我们没能找到暗物质粒子。

特纳：力的大统一只是粒子物理学研究的一部分，而非全部。但是，与有关空间和时间的更庞大的问题相比，它就显得无聊了。空间和时间的本质是什么？它们从哪里来？如今，对这两个问题的探讨已经被纳入了粒子物理学的领域。

从宇宙学的角度来看，大爆炸是空间和时间的起源，至少从爱因斯坦的广义相对论来看是这样的。所以在宇宙的起源，空间和时间是联系在一起的。宇宙有尽头吗？有多重宇宙吗？有多少个空间和时间？这个问题本身有没有意义？

斯皮罗普鲁：顺便说一下，对我来说，大统一并不无聊。我就是提一句。

特纳：我的意思是相对而言比较无聊。它还是很有趣的！

斯皮罗普鲁：对于自然力大统一理论，目前看上去最有力的证据来自粒子物理学。在足够高的能量下，基本力——引力、电磁力以及强核力与弱核力——似乎变得彼此相等。

但是我们的粒子加速器还没有达到上帝的尺度。所以我们很可能要对这个问题进行重新构思。在我看来，终极大律仍然会是一个持久的难题，我们需要通过新的思维方式来解决它。

特纳：我喜欢玛丽亚说的。我们可能会觉得我们已经把所有的谜题都摆在了桌面上，看起来就像是，我们看到的四种不同的力只是一种大统一的力的不同方面。但这种表述问题的方式可能并不正确。这就是伟大科学的特征——你先问一个问题，之后往往会发现这是个错误的问题，但你必须先问出它才能发现它是错误的。如果它的确是个错误的问题，你就再问一个新的。

玛利亚•斯皮罗普鲁（左） 、迈克尔•特纳（中）和记者丹尼斯·奥弗拜（Dennis Overbye）共进早餐

《纽约时报》：弦理论，也就是许多人宣称的“万物理论”，将自然界中的基本粒子和基本力描述为振动的能量弦。我们是否有望更好地理解它？这种所谓的“弦性质”只有在比任何粒子加速器所能想象到的还高出数百万倍的能量层级上才会体现出来。一些科学家批评称，弦理论并不属于科学范畴。

斯皮罗普鲁：它是不可验证的。

特纳：但它是一种强大的数学工具。如果你回顾一下过去2500年间科学的进步，从一开始根本没有数学的米列希安人，一路到现在，你会发现数学一直是加速科学进步的项目。几何、代数、牛顿和微积分，还有爱因斯坦和非黎曼几何。

斯皮罗普鲁：我有一个更大胆的论点，我要说弦理论是一个框架，就和我们已经发现的其他框架一样，而我们试图在这些框架中解释物理世界。标准模型也是一个框架，并且事实已经证明，在我们可验证的能量范围内，这个框架是有用的。

特纳：或者也可以说，我们是创造了新的词汇和语言来描述自然。数学是科学的语言，而我们的语言越丰富，我们就越能充分地描述自然。我们必须要等待一段时间，看看弦理论能带给我们什么结论，但我认为它能带来的东西是很庞大的。

《纽约时报》：弦理论有许多特点，其中之一是，它的方程似乎有10⁵⁰⁰个解，描述了10⁵⁰⁰个、甚至是更多可能存在的不同宇宙。我们是否生活在多元宇宙里呢？

特纳：我认为我们必须解决这个问题，尽管它听起来很疯狂。多重宇宙让我头痛，它至少在现阶段是不可验证的，因此它不是科学。但它可能是我们这个时代最重要的概念。这是必须摆在台面上讨论的事情之一。不管它会不会让我们头痛，我们都得解决它。它也要“非升即走”，要么升格为科学的一部分，要么被剔除出科学。

《纽约时报》：宇宙学的标准模型没有说明宇宙的95%是什么，这为什么会被认为是一场胜利？其中只有5%是原子物质，比如恒星和人类；25%是其他“暗物质”，另外大约70%是更奇怪的东西——迈克将其命名为“暗能量”——而它们正在导致宇宙加速膨胀。

特纳：没错，这就是一个巨大的成功，是的。我们已经为所有主要的组成部分命名了。

《纽约时报》：但你并不知道其中大部分都是什么东西。

斯皮罗普鲁：当我们探到极深处时，就会停滞不前。在某个时刻，我们需要改变策略——改变问题或是改变方法。归根结底，理解宇宙的物理学不是在公园散步那么简单。得不到回答的问题比得到了回答的问题更多。

《纽约时报》：如果大统一是错误的问题，那么什么才是正确的问题？

特纳：我认为，如果你想谈论空间、时间、物质、能量和基本粒子，那你必须先讨论宇宙的历史。大爆炸看起来像是空间和时间的起源，于是我们可以问，空间和时间到底是什么？爱因斯坦向我们展示了它们不仅仅是事物发生之处，就和牛顿说的一样。它们是动态的：空间可以弯曲，时间可以变形。但如今，我们已经准备好回答这个问题了：它们从哪里来？

我们是时间的产物，所以我们认为宇宙的一切都和时间有关，而这种看待宇宙的方式可能是错误的。我们必须牢牢记住你之前说的话。粒子物理学中的许多工具需要很长时间才能开发出来，而且非常昂贵。这些投资总是有回报的，它们往往会带来巨大的惊喜，从而改变科学的进程。

这让进步变得具有挑战性。但我对粒子物理学持乐观态度，因为如今有着前所未有的宽广机会，而且这个领域多年来一直处于科学的前沿。从粒子物理学的研究中生发出了大型的、全球性的科学学科，以及国家级、全球性的设施。

如果我们以史为鉴，那么我们敢说，没有什么能够阻止他们回答这些重大的问题！

资料来源

Where is Physics Headed (and How Soon Do We Get There)?

本文经授权转载自微信公众号“世界科学”，原标题为《宇宙是否有尽头？多重宇宙真存在？大统一理论无聊吗？大牛访谈聊物理学走向何方》。

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