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物理学家温伯格首次面向中国公众的演讲 | 施郁详解

图源:worldsciencefestival.com
 
导 言
 
斯蒂文·温伯格是世界上健在的最伟大物理学家之一。他只在1978年来过中国。最近,深居简出的温伯格教授通过网络,第一次面向中国观众做了一次公众演讲。这个活动的科学顾问正是《知识分子》顾问、复旦大学教授施郁。他邀请了温伯格,并为温伯格作了现场翻译。在本文中,施郁教授详细介绍了温伯格和这次活动,包括演讲梗概,并书面翻译了演讲之后的精彩对话。
 
撰文 | 施 郁(复旦大学物理学系教授)
 
1 为何邀请温伯格?
 
最近,中国科学技术馆委托我,作为科学顾问,邀请诺奖得主做网络连线活动。
 
我想到温伯格,1979年诺贝尔物理学奖得主,美国德克萨斯大学教授。2004年,温伯格获得富兰克林奖章,颁奖词说他 “被很多人认为是今日世界上健在的最杰出物理学家之一”。温伯格也是科学传播大师。他曾作为科学的发言人角色和实在论的代表,参与了与后现代主义的论战。
 
我2010年至2011年在德克萨斯大学访问。其间旁听了温伯格教授在量子场论和量子力学方面的两门课程,并和他讨论过若干问题。他主动送给我出版不久的文集《 Lake View 》(后来中译本译为《湖畔遐思》)。他告诉我,他仅在1978年访问过中国,没有对中国听众做过公众演讲。
 
因此,请温伯格教授面向中国听众做一个公众演讲,具有非凡的意义,将会是非常好的科学传播。
 
2 科学研究与科学传播的顶尖典范
 
斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)出生于1933年,是粒子物理标准模型的建立者之一。1967年,温伯格提出弱相互作用和电磁相互作用的统一理论,后来成为粒子物理标准模型的一部分。他因此分享了1979年诺贝尔物理学奖。
 
温伯格早年毕业于纽约Bronx理科高中,1954年获康奈尔大学学士学位,1957年在普林斯顿大学获得博士学位。1972年,他成为哈佛大学 Eugene Higgins 讲座教授。1982年以来,他是德克萨斯大学奥斯汀分校的 Jack S. Josey-Welch Foundation Regents 讲座教授。
 
温伯格教授一直活跃在科研一线,至今不断发表研究论文。他也一直工作在教学一线,并出版了很多不同领域的教材,从最初的《引力和宇宙学》,到后来的《量子场论》(3卷),《量子力学讲义》,《宇宙学》,以及最近的《天体物理讲义》。
 
温伯格教授还热心科学传播,做过很多公众演讲,写过很多科普文章和杂文,出版过很多书,涉及面很广。他1977年的畅销书《 The First Three Minutes 》(中译本:《最初三分钟》)为大爆炸宇宙学在科学家和公众中的传播起到了历史性作用。他将公众演讲和报刊文章汇编为三本文集,《 Facing Up 》(中译本:《仰望苍穹》)、《 Lake View 》(中译本:《湖畔遐思》)以及最近的《 Third Thoughts 》(《第三思想》)。这三本书汇集的文章分别写作于2000年之前,2000-2008年和2009-2018年。这些文章涉及物理学和天文学,科学史和科学人物,公共事务,政治,宗教,个人经历,等等,清晰展示了他理性、还原论、实在论和非宗教的思想。
 
3 温伯格欣然接受邀请
 
9月4日,我向温伯格教授发出邀请,20小时后就收到了他的答复,表示接受邀请,问我能不能用 zoom 网络会议系统。在得到肯定答复后,又和我确定日期和时间。活动最后确定在北京时间的10月24日上午9:30。
 
7日,温伯格教授就给我发来演讲标题和摘要。标题 :“The Very Large and the Very Small ”。摘要:“ The same physicists who today study nature at the very smallest scales of distance that can be observed, much smaller than an atomic nucleus, are also concerned with nature at the very largest scale, the whole universe. The two kinds of research reinforce each other, supporting physicists in their ultimate aim, to learn the final laws of nature. ”
 
我将标题译为 “极大与极小”,将摘要翻译为:“物理学家研究大自然的最小尺度,比原子核还要小得多,同时也研究大自然的最大尺度,整个宇宙。这两种研究互相促进,支撑物理学家的最终目标,了解自然的最终定律。”
 
应科技馆摄制组要求,我按照我的理解写了个解读:“温伯格教授将给大家介绍宇宙学(研究整个宇宙的诞生和演化)与粒子物理学(研究物质最基本的组成)的交叉。现代宇宙学发现,宇宙诞生于137亿年前的大爆炸,而且还经过了一个非常快的爆涨阶段。在宇宙刚诞生和极早期,宇宙中只有场和基本粒子,后来才形成原子和更大的物质,才形成星系。所以宇宙学和粒子物理很自然地交叉在一起。”
 
只是这段话后来流传出去,被说成来自温伯格。实际上,这段话不是温伯格演讲的内容摘要,只是我事先应摄制组要求所做的预先解读。
 
9日,我将我写的温伯格简介发给他,请他核实,并特别与他确认,他唯一一次访问中国的时间是不是1978年,以及他是不是以前没有对中国公众做过演讲。
 
4 特别突破奖
 
10日传来一个佳讯,温伯格教授获得科学突破奖特别奖。世界上有很多诺奖得主,但只有温伯格同时是基础物理突破奖得主。
 
特别突破奖的颁奖词是:“For continuous leadership in fundamental physics, with broad impact across particle physics, gravity and cosmology, and for communicating science to a wider audience(奖励他在基础物理领域的持续领导力,对粒子物理,引力和宇宙学产生广泛影响,并向更广泛的受众传播科学)。”
 
我向温伯格教授表示祝贺,得到他的回答,包括确认他唯一一次访华是在1978年,而且确实没有对中国公众做过演讲。
 
特别突破奖的颁奖词与温伯格教授的这次演讲非常契合。温伯格教授能够接受我的邀请,在访问中国42年后,第一次面向中国听众做公众演讲,而且演讲内容又是关于从最小的基本粒子到宇宙,对此我很荣幸和感激。
 
我为活动预告写了介绍:“斯蒂文·温伯格教授是当今最伟大的理论物理学家之一,对粒子物理和宇宙学做出很多贡献。他是粒子物理标准模型的建立者之一,因此分享了1979年诺贝尔物理学奖。他还得到很多其他奖项,包括刚刚获得的基础物理特别突破奖。温伯格教授也是杰出的科学传播大师,出版过很多面向大众的文章和书。”后面是上面已经提到的任职和访问中国的情况。
 
5 温伯格的演讲
 
演讲开始前,温伯格教授说,他很高兴回到中国,即使是通过zoom。
 
温伯格教授的演讲有不少具体内容超出了我的预期。他讲了很多在现代科学之前,人类对于越来越大尺度和越来越小尺度的探索,特别是很多古希腊的成就,而关于当前物理学中极大和极小研究的交融,主要集中于暗能量问题。我对温伯格教授的演讲做了现场翻译。下面介绍一下内容梗概。
 
温伯格从中国古人对1千里的认识,谈到古希腊人比较准确测量地球的周长。他介绍说,人们直到1662年才测量出太阳与地球的距离,1838年才测量出某个恒星距离10 光年。1923年哈勃测量到,仙女座星云距离我们1百万光年,确定了这是银河系外的星系。在这之前,人们以为银河系就是整个宇宙。在这之后,人们逐步认识到,宇宙中有无数的星系,直到10亿光年乃至更远,但是不能到100亿光年外,因为100亿年前,星系还没有形成。
 
温伯格告诉我们,在小尺度上的进步更大,但更困难,也更慢。德谟克里特的原子是一个点。原子大小直到1900才测量为10-8厘米。1911年,卢瑟福发现原子核,大小是10-12厘米。二战之后,能量越来越高的加速器探测越来越小的尺度,发现质量越来越大的基本粒子。现在有描述所有这些基本粒子的理论,叫做标准模型。
 
温伯格说,现在我们对于从10-16厘米到100亿光年的尺度范围,有合理的理解。标准模型是关于场的理论。因为不确定原理,场具有涨落,导致真空具有能量,与体积成正比。这影响了星系受到的引力。真空能量与广义相对论中的宇宙学常数相抵消,但是宇宙加速膨胀要求,抵消后,必须留下一个正的总能量。极大和极小走到一起。目前研究极小的加速器和研究极大的望远镜都很昂贵。
 
温伯格最后表示,这次活动很好,能激发公众对科学面临的深刻问题的兴趣,而这些问题促进我们对于极大和极小的理解。
6 对 话
 
在温伯格教授的演讲之后,是简短的对话,翻译如下。
 
施 郁
 
我有个问题与您所讲的内容有关。有的现象是物理定律的直接后果,比如行星轨道的形状。而有的现象是偶然的,比如行星轨道的大小。在我们发现直接主宰现象的基本定律之前,我们并不知道该现象是基本定律的直接后果,还是偶然。与您的演讲直接相关的例子是宇宙学常数和基本粒子不同种类的数目。我们不清楚它们是基本的,还是偶然的。您能否对这个问题作个评论?
 
温伯格
 
是的,你说得很对,在科学史上,将基本定律的后果与偶然性区分开来非常重要。约翰尼斯·开普勒认为,行星轨道的大小是基本的几何学原理的后果。只有艾萨克·牛顿的工作表明,正如你所说的,虽然轨道的形状可以从基本定律计算出来,轨道的大小是偶然的。
 
我关于暗能量大小的解释问题可以表述为一个问题:“它如此之小,是一个偶然事件,但又是一个必要的偶然性,这使得有人存在,来研究这个问题,还是说,它是某个基本原理的结果?”
 
在宇宙加速膨胀发现之前,很多物理学家认为,有基本原理能够解释,为什么包括宇宙学常数在内的总的暗能量严格为零。但是现在我们知道这是不对的。
 
有很多奥秘提出相同的问题。有一个奥秘叫做层级问题:为什么与引力理论中的质量尺度相比,标准模型中的质量尺度是如此之小。
 
有人,我想是 Nima Arkani-Hamed,提出建议,说这也是偶然的,对于生命的出现,从而有测量这些东西的科学家出现,这个偶然又是必要的。但是我们不知道。
 
施 郁
 
我的第二个问题是关于量子力学。我们在量子力学里有一些困惑,一些困难,比如像猫这样的宏观系统能否处于叠加态。爱因斯坦说,量子力学的困难,在未来的某个理论里面,能够自然地解决,或自然地推导出来。您认为呢?您同意吗?
 
温伯格
 
这个很有争议。有很多科学家深刻思考了量子力学,对量子力学目前的形式感到满意。我所感到迷惑的,并不是超距作用,这是爱因斯坦1930年代在爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的著名论文中感到迷惑的问题。我所迷惑的是这样一个事实,我们在表述量子力学的基本假设时,我们必须提到观察者,也就是说,做测量的人。我希望在很基本的层次,我们有个非人格性的理论,正如艾萨克·牛顿的引力理论,我们从中可以推理出人的行为,但是人自己不出现在定律中。
 
施 郁
 
我们谈论了很多基本定律。在非常遥远的将来,有两种可能性。第一种可能性是,在遥远的将来,但是在有限年数后,我们发现了真正的基本定律,在那之后,再也没有新的基本定律被发现。第二种可能性是,在那之后,又经过一些年,我们发现这些基本定律并不是真正基本的,而是可以从更基本的定律推导或者层展出来,如此循环下去。您认为哪种情况更有可能性?
 
温伯格
 
显然我不知道答案,没人知道。但是最好假设我们能够找到一套终极的基本定律,因为如果不这样行动,我们就不行动了。我有点累了。
然后,作为我邀请的实验室嘉宾,中国科学院高能物理研究所高杰研究员也向温伯格问了一个问题。
 
高 杰
 
在您的报告里,您多次讲了粒子物理中加速器的重要性。它变得越来越大。标准模型中最重要的粒子希格斯发现之后,从研究自然定律的角度,您期待哪种加速器?您做何评论?
 
温伯格
 
我不尝试回答这个问题。有很多很好的理由说明,或者用质子加速器向可能的最高能量走,或者如位于CERN的大版本的LHC,用正负电子对撞机,以高准确度研究希格斯。我认为答案取决于实验上的可能性,而我在这方面不是专家。我拒绝对此提供意见。
 
我只是希望,我们最终既达到高精度也达到高能量。我必须说,我想加一句话,我认为继续安静模式的实验物理也是很重要的,我们可以寻找质子衰变那样的稀有事例,因为我认为质子衰变甚至有可能在我的有生之年发现,我希望在深层地下的那种实验,人们可以耐心等待一大箱液体中的稀有事例。我希望那种实验也继续。
 
最后,串场主持人请温伯格教授给中国的年轻观众说一些寄语。“因为我们在中国科学技术馆,我们还有五个馆里面有人在观看,大多数观众是年轻人,是青少年。也许将来他们能成为大科学家。”
 
温伯格
 
我很高兴能对收听这个活动的中国年轻人说话。经过很多年的工作,作为一位物理学家,回顾1950年代开始的几十年工作,那是非常大的乐趣。时不时发现一个理论想法,导致证实这个想法的实验,或者解释已知但是似乎奇怪的东西,这是多么令人激动。并不总是这种愉快。很多时间花在了行不通的想法上。我经历的失败多于成功,这在科学工作中是典型的。但是你成功的少数情况弥补了其他的不成功。所以要坚持工作。
 
温伯格教授再次表示再见。我向温伯格教授道晚安,温伯格欢迎我再去德克萨斯。



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