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物理學家溫伯格首次面向中國公眾的演講 | 施郁詳解

點擊：3007  作者：施郁    來源：知識分子  發(fā)布時間:2020-11-03 09:37:01

  

圖源：worldsciencefestival.com

 

導言：斯蒂文·溫伯格是世界上健在的最偉大物理學家之一。他只在1978年來過中國。最近，深居簡出的溫伯格教授通過網絡，第一次面向中國觀眾做了一次公眾演講。這個活動的科學顧問正是《知識分子》顧問、復旦大學教授施郁。他邀請了溫伯格，并為溫伯格作了現場翻譯。在本文中，施郁教授詳細介紹了溫伯格和這次活動，包括演講梗概，并書面翻譯了演講之后的精彩對話。

 

撰文 | 施郁（復旦大學物理學系教授）

 

1為何邀請溫伯格？

 

最近，中國科學技術館委托我，作為科學顧問，邀請諾獎得主做網絡連線活動。

 

我想到溫伯格，1979年諾貝爾物理學獎得主，美國德克薩斯大學教授。2004年，溫伯格獲得富蘭克林獎章，頒獎詞說他 “被很多人認為是今日世界上健在的最杰出物理學家之一”。溫伯格也是科學傳播大師。他曾作為科學的發(fā)言人角色和實在論的代表，參與了與后現代主義的論戰(zhàn)。 

 

我2010年至2011年在德克薩斯大學訪問。其間旁聽了溫伯格教授在量子場論和量子力學方面的兩門課程，并和他討論過若干問題。他主動送給我出版不久的文集《 Lake View 》（后來中譯本譯為《湖畔遐思》）。他告訴我，他僅在1978年訪問過中國，沒有對中國聽眾做過公眾演講。

 

因此，請溫伯格教授面向中國聽眾做一個公眾演講，具有非凡的意義，將會是非常好的科學傳播。

 

2科學研究與科學傳播的頂尖典范

 

斯蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）出生于1933年，是粒子物理標準模型的建立者之一。1967年，溫伯格提出弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論，后來成為粒子物理標準模型的一部分。他因此分享了1979年諾貝爾物理學獎。

 

溫伯格早年畢業(yè)于紐約Bronx理科高中，1954年獲康奈爾大學學士學位，1957年在普林斯頓大學獲得博士學位。1972年，他成為哈佛大學 Eugene Higgins 講座教授。1982年以來，他是德克薩斯大學奧斯汀分校的 Jack S. Josey-Welch Foundation Regents講座教授。

 

溫伯格教授一直活躍在科研一線，至今不斷發(fā)表研究論文。他也一直工作在教學一線，并出版了很多不同領域的教材，從最初的《引力和宇宙學》，到后來的《量子場論》（3卷），《量子力學講義》，《宇宙學》，以及最近的《天體物理講義》。

 

溫伯格教授還熱心科學傳播，做過很多公眾演講，寫過很多科普文章和雜文，出版過很多書，涉及面很廣。他1977年的暢銷書《 The First Three Minutes 》（中譯本：《最初三分鐘》）為大爆炸宇宙學在科學家和公眾中的傳播起到了歷史性作用。他將公眾演講和報刊文章匯編為三本文集，《 Facing Up 》（中譯本：《仰望蒼穹》）、《 Lake View 》（中譯本：《湖畔遐思》）以及最近的《 Third Thoughts》（《第三思想》，意為第三本文集）。這三本書匯集的文章分別寫作于2000年之前，2000-2008年和2009-2018年。這些文章涉及物理學和天文學，科學史和科學人物，公共事務，政治，宗教，個人經歷，等等，清晰展示了他理性、還原論、實在論和非宗教的思想。

 

3溫伯格欣然接受邀請

 

9月4日，我向溫伯格教授發(fā)出邀請，20小時后就收到了他的答復，表示接受邀請，問我能不能用 zoom 網絡會議系統(tǒng)。在得到肯定答復后，又和我確定日期和時間。活動最后確定在北京時間的10月24日上午9:30。

 

7日，溫伯格教授就給我發(fā)來演講標題和摘要。標題 ：“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. ”

 

我將標題譯為 “極大與極小”，將摘要翻譯為：“物理學家研究大自然的最小尺度，比原子核還要小得多，同時也研究大自然的最大尺度，整個宇宙。這兩種研究互相促進，支撐物理學家的最終目標，了解自然的最終定律。”

 

應科技館攝制組要求，我按照我的理解寫了個解讀：“溫伯格教授將給大家介紹宇宙學（研究整個宇宙的誕生和演化）與粒子物理學（研究物質最基本的組成）的交叉。現代宇宙學發(fā)現，宇宙誕生于137億年前的大爆炸，而且還經過了一個非常快的爆漲階段。在宇宙剛誕生和極早期，宇宙中只有場和基本粒子，后來才形成原子和更大的物質，才形成星系。所以宇宙學和粒子物理很自然地交叉在一起。”

 

只是這段話后來流傳出去，被說成來自溫伯格。實際上，這段話不是溫伯格演講的內容摘要，只是我事先應攝制組要求所做的預先解讀。

 

9日，我將我寫的溫伯格簡介發(fā)給他，請他核實，并特別與他確認，他唯一一次訪問中國的時間是不是1978年，以及他是不是以前沒有對中國公眾做過演講。

 

4特別突破獎

 

10日傳來一個佳訊，溫伯格教授獲得科學突破獎特別獎。世界上有很多諾獎得主，但只有溫伯格得諾獎后又成為基礎物理突破獎得主。

 

特別突破獎的頒獎詞是：“For continuous leadership in fundamental physics, with broad impact across particle physics, gravity and cosmology, and for communicating science to a wider audience（獎勵他在基礎物理領域的持續(xù)領導力，對粒子物理，引力和宇宙學產生廣泛影響，并向更廣泛的受眾傳播科學）。” 

 

我向溫伯格教授表示祝賀，得到他的回答，包括確認他唯一一次訪華是在1978年，而且確實沒有對中國公眾做過演講。

 

特別突破獎的頒獎詞與溫伯格教授的這次演講非常契合。溫伯格教授能夠接受我的邀請，在訪問中國42年后，第一次面向中國聽眾做公眾演講，而且演講內容又是關于從最小的基本粒子到宇宙，對此我很榮幸和感激。

 

我為活動預告寫了介紹：“斯蒂文·溫伯格教授是當今最偉大的理論物理學家之一，對粒子物理和宇宙學做出很多貢獻。他是粒子物理標準模型的建立者之一，因此分享了1979年諾貝爾物理學獎。他還得到很多其他獎項，包括剛剛獲得的基礎物理特別突破獎。溫伯格教授也是杰出的科學傳播大師，出版過很多面向大眾的文章和書。”后面是上面已經提到的任職和訪問中國的情況。

 

5溫伯格的演講

 

演講開始前，溫伯格教授說，他很高興回到中國，即使是通過zoom。

 

溫伯格教授的演講有不少具體內容超出了我的預期。他講了很多在現代科學之前，人類對于越來越大尺度和越來越小尺度的探索，特別是很多古希臘的成就，而關于當前物理學中極大和極小研究的交融，主要集中于暗能量問題。我對溫伯格教授的演講做了現場翻譯。下面介紹一下內容梗概。

 

溫伯格從中國古人對1千里的認識，談到古希臘人比較準確測量地球的周長。他介紹說，人們直到1662年才測量出太陽與地球的距離，1838年才測量出某個恒星距離10 光年。1923年哈勃測量到，仙女座星云距離我們1百萬光年，確定了這是銀河系外的星系。在這之前，人們以為銀河系就是整個宇宙。在這之后，人們逐步認識到，宇宙中有無數的星系，直到10億光年乃至更遠，但是不能到100億光年外，因為100億年前，星系還沒有形成。

 

溫伯格告訴我們，在小尺度上的進步更大，但更困難，也更慢。德謨克里特的原子是一個點。原子大小直到1900才測量為10^-8厘米。1911年，盧瑟福發(fā)現原子核，大小是10^-12厘米。二戰(zhàn)之后，能量越來越高的加速器探測越來越小的尺度，發(fā)現質量越來越大的基本粒子。現在有描述所有這些基本粒子的理論，叫做標準模型。

 

溫伯格說，現在我們對于從10^-16厘米到100億光年的尺度范圍，有合理的理解。標準模型是關于場的理論。因為不確定原理，場具有漲落，導致真空具有能量，與體積成正比。這影響了星系受到的引力。真空能量與廣義相對論中的宇宙學常數相抵消，但是宇宙加速膨脹要求，抵消后，必須留下一個正的總能量。極大和極小走到一起。目前研究極小的加速器和研究極大的望遠鏡都很昂貴。

 

溫伯格最后表示，這次活動很好，能激發(fā)公眾對科學面臨的深刻問題的興趣，而這些問題促進我們對于極大和極小的理解。

 

 

6對話

 

在溫伯格教授的演講之后，是簡短的對話，翻譯如下。

 

施郁 

 

我有個問題與您所講的內容有關。有的現象是物理定律的直接后果，比如行星軌道的形狀。而有的現象是偶然的，比如行星軌道的大小。在我們發(fā)現直接主宰現象的基本定律之前，我們并不知道該現象是基本定律的直接后果，還是偶然。與您的演講直接相關的例子是宇宙學常數和基本粒子不同種類的數目。我們不清楚它們是基本的，還是偶然的。您能否對這個問題作個評論？ 

 

溫伯格

 

是的，你說得很對，在科學史上，將基本定律的后果與偶然性區(qū)分開來非常重要。約翰尼斯·開普勒認為，行星軌道的大小是基本的幾何學原理的后果。只有艾薩克·牛頓的工作表明，正如你所說的，雖然軌道的形狀可以從基本定律計算出來，軌道的大小是偶然的。

 

我關于暗能量大小的解釋問題可以表述為一個問題：“它如此之小，是一個偶然事件，但又是一個必要的偶然性，這使得有人存在，來研究這個問題，還是說，它是某個基本原理的結果？” 

 

在宇宙加速膨脹發(fā)現之前，很多物理學家認為，有基本原理能夠解釋，為什么包括宇宙學常數在內的總的暗能量嚴格為零。但是現在我們知道這是不對的。

 

有很多奧秘提出相同的問題。有一個奧秘叫做層級問題：為什么與引力理論中的質量尺度相比，標準模型中的質量尺度是如此之小。

 

有人，我想是 Nima Arkani-Hamed，提出建議，說這也是偶然的，對于生命的出現，從而有測量這些東西的科學家出現，這個偶然又是必要的。但是我們不知道。

 

施郁 

 

我的第二個問題是關于量子力學。我們在量子力學里有一些困惑，一些困難，比如像貓這樣的宏觀系統(tǒng)能否處于疊加態(tài)。愛因斯坦說，量子力學的困難，在未來的某個理論里面，能夠自然地解決，或自然地推導出來。您認為呢？您同意嗎？

 

溫伯格 

 

這個很有爭議。有很多科學家深刻思考了量子力學，對量子力學目前的形式感到滿意。我所感到迷惑的，并不是超距作用，這是愛因斯坦1930年代在愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的著名論文中感到迷惑的問題。我所迷惑的是這樣一個事實，我們在表述量子力學的基本假設時，我們必須提到觀察者，也就是說，做測量的人。我希望在很基本的層次，我們有個非人格性的理論，正如艾薩克·牛頓的引力理論，我們從中可以推理出人的行為，但是人自己不出現在定律中。

 

施郁 

 

我們談論了很多基本定律。在非常遙遠的將來，有兩種可能性。第一種可能性是，在遙遠的將來，但是在有限年數后，我們發(fā)現了真正的基本定律，在那之后，再也沒有新的基本定律被發(fā)現。第二種可能性是，在那之后，又經過一些年，我們發(fā)現這些基本定律并不是真正基本的，而是可以從更基本的定律推導或者層展出來，如此循環(huán)下去。您認為哪種情況更有可能性？ 

 

溫伯格 

 

顯然我不知道答案，沒人知道。但是最好假設我們能夠找到一套終極的基本定律，因為如果不這樣行動，我們就不行動了。我有點累了。

 

 

然后，作為我邀請的實驗室嘉賓，中國科學院高能物理研究所高杰研究員也向溫伯格問了一個問題。

 

高杰

 

在您的報告里，您多次講了粒子物理中加速器的重要性。它變得越來越大。標準模型中最重要的粒子希格斯發(fā)現之后，從研究自然定律的角度，您期待哪種加速器？您做何評論？

 

溫伯格

 

我不嘗試回答這個問題。有很多很好的理由說明，或者用質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，用正負電子對撞機，以高準確度研究希格斯。我認為答案取決于實驗上的可能性，而我在這方面不是專家。我拒絕對此提供意見。

 

我只是希望，我們最終既達到高精度也達到高能量。我必須說，我想加一句話，我認為繼續(xù)安靜模式的實驗物理也是很重要的，我們可以尋找質子衰變那樣的稀有事例，因為我認為質子衰變甚至有可能在我的有生之年發(fā)現，我希望在深層地下的那種實驗，人們可以耐心等待一大箱液體中的稀有事例。我希望那種實驗也繼續(xù)。

 

最后，串場主持人請溫伯格教授給中國的年輕觀眾說一些寄語。“因為我們在中國科學技術館，我們還有五個館里面有人在觀看，大多數觀眾是年輕人，是青少年。也許將來他們能成為大科學家。”

 

溫伯格 

 

我很高興能對收聽這個活動的中國年輕人說話。經過很多年的工作，作為一位物理學家，回顧1950年代開始的幾十年工作，那是非常大的樂趣。時不時發(fā)現一個理論想法，導致證實這個想法的實驗，或者解釋已知但是似乎奇怪的東西，這是多么令人激動。并不總是這種愉快。很多時間花在了行不通的想法上。我經歷的失敗多于成功，這在科學工作中是典型的。但是你成功的少數情況彌補了其他的不成功。所以要堅持工作。

 

溫伯格教授再次表示再見。我向溫伯格教授道晚安，溫伯格歡迎我再去德克薩斯。

 

作者：施郁   來源：知識分子