@ 2019.10.11 , 20:36

弦论和诺贝尔物理学奖赌局

宇宙之中存在4大基本力:强核力(Strong nuclear force)、弱核力(weak nuclear force)、电磁力(electromagnetic force)以及引力(gravitation)。借助量子力学框架,科学家将前3种力纳入了统一框架,而唯一的例外——引力,令理论物理学家倍感别扭——毕竟对统一场论的工作成果,似乎昭示着,全部4种力可以具备内在统一和谐的本质。

寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型被称为大统一理论。但是,尝试用把引力量子化的工作——引入引力子的概念——堪称寸步难行。70年代,某位物理学家,意外获得灵感,认为宇宙万物的基本结构是我们所看不到的细小的弦和多维的膜——而非微粒,并从此出发,试图发展出囊括全部基本力的大一统理论。弦论就此诞生。之后很多人认为,弦论实际上是意外落入人间的理论,毕竟诞生之初,就连描述理论的基本数学工具还未被发明出来。

当然,弦论本身还远为完满,所以又出现了许多与之竞争的其它大一统理论,比较有名的如:圈量子理论。所有这些理论的问题在于,它们能够对现有现象提供很好的解释,但是却无法给出可被实验验证的理论预言!

2002年,作家、科学记者John Horgan突然意识到,人们对无法通过实验证明的物理理论的狂热信念,更像是一种宗教情感,而非对待科学的态度。他在著名的打赌平台Long Bets 上向各种大一统理论的支持者发出挑战:到2020为止,现有的几类大一统备选理论,都无法孕育出诺贝尔物理学奖!

著名的物理学家、科普作家、同时也是弦论学者加来道雄Michio Kaku欣然迎战。圈量子理论的支持者、 物理学家Lee Smolin原本打算参与赌局,但是因为在赌协议的措辞上抱有分歧,最终选择了退出。

加来道雄的依据:

“人们常常忘记,物理学主要是通过间接手段完成的。我们知道太阳上面发生着聚变反应,但是没有人去过太阳。我们知道空间中存在黑洞,但根据定义它们是不可见的。我们知道,大爆炸发生在大约150亿年前,但没有人能够见证。

我们之所以知道这些,是因为我们有间接的证据或“回声”,例如阳光和黑洞的特征辐射。同样,我们无需建造出像银河系一样大的原子对撞机,即可证明弦论或M理论。

从寻找第十和第十一维度的线索开始:
a)几年后,地球上最大的大型强子对撞机将在瑞士日内瓦郊区投入运行,它或许能够找到超粒子的存在证据;
b)构成宇宙中90%物质的不可见暗物质可能由像光子之类的微粒组成,它们也具有检验弦理论的可能性;
c)在未来十年里,引力波探测器应该能够发现黑洞合并时的冲击波(这一预言很准),可以与弦理论给出预言的进行比较;
d)在20年内,美国宇航局计划发送3部重力波探测器进入太空——它们足够灵敏,可以接收到大爆炸时的冲击波回音,应该能够给出证明或反驳弦理论的数据。

就我个人而言,我认为无需通过实验来证明该理论,因为我相信可以使用纯数学来证明它。如果我们可以用纯数学完善理论,那么我们应该能够从纯数学中推倒出电子、质子和原子的性质。如果结果与已知数据不一致,则说明理论无效。但是,如果数字一致,那么它将被视为人类思想史上的最伟大成就。我们将‘读懂上帝的思想’。

那么,是什么在阻挠我们呢?问题在于该理论比我们更聪明。这个星球上还没有人足够聪明到能够完善该理论。地球上最杰出的智者正在努力工作,但迄今为止还未成功。(这是因为该理论纯粹是在1968年被偶然发现的。在20世纪,我们从未见过这种理论。描述理论的必要数学工作尚未被发明。)因为弦论在每个方面都有近乎奇迹般的突破。在8到10年的时间里,我们可以预期,该理论在2020年之前还会有2项突破,因此也许到那时……某个聪明的弦论学者会收到来自瑞典皇家学院的电话。”

John Horgan的依据:

“用纯粹的智力术语来说,统一的物理学理论将是所有科学成就中最大的。它将最终达成人类对知识的古老追求,这种追求始于我们的第一位充满好奇心的祖先,他问道:“为什么?”

它将产生控制整个宇宙的基本规则,从最小到最大。它会告诉我们宇宙是如何形成的,为什么采用现有的形式,从而使人类得以存在。它甚至能揭示我们最终的命运。至少,这是寻求统一理论的人所希望的,也是我过去所相信的。

然而,在寻找真理的过程中,物理学家走进了深渊,提出了无法通过实验验证其存在性的各种对象。

到1990年代初期,我开始怀疑对统一理论的追求是宗教而非科学……正是这个问题使我确信自己会赢得这场赌注。‘用实验证明’一直都是诺贝尔物理学奖的标杆。

我预测,在接下来的20年中,优秀的青年物理学家将越来越少地被吸引到几乎毫无回报的大一统理论的工作之中。我不确定是否现在就已经出现了这样的局面,但是我认为,总有一天,我们将把对大统一理论的追寻看做是‘宗教情节’而不是科学探索,因为它本来就不具有现实性。

顺便说一句,我很乐意输掉这场赌注。”

赌局双方各自压上了1000美元,投注收入将捐给获胜者选择的慈善机构。

当今年的诺贝尔物理学奖获奖名单出炉后(颁发给了宇宙和天文学领域),Horgan最终赢下了赌局。

本文译自 scientificamerican,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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