諾獎得主:極大與極小交叉 理論與手段同重
2020年10月25日18:49

  來源:中國科學報

  其大無外,其小無內。早在幾千年前,人們就試圖用哲學解釋科學,至小即至大,至大即至小。

  自1978年訪問中國後,1979年諾貝爾物理學獎獲得者、著名理論物理學家斯蒂文·溫伯格教授首次面向中國公眾講述“極大”與“極小”的宇宙學與粒子物理學的故事,他在中國科學技術館開設的《科學連線》欄目中指出,根本的科學問題也是哲學問題。

  “物理學家研究的‘極小’就是大自然的最小尺度,比原子核還小更多,‘極大’就是大自然的最大尺度,大到整個宇宙。” 斯蒂文·溫伯格表示,“‘極大’與‘極小’的研究相互促進,共同支撐物理學家在終極目標中前進,以瞭解自然的最終定律。”

  此外,在斯蒂文·溫伯格看來,基礎理論為科學家開展研究指明了方向,而實驗手段則是驗證理論的重要途徑。

  基礎理論是指引

  複旦大學物理系教授施鬱受《科學連線》委託,不僅為中國公眾邀請了斯蒂文·溫伯格,還擔任了本期節目的科學顧問和嘉賓主持,並為斯蒂文·溫伯格的線上演講作即時翻譯。

  根據斯蒂文·溫伯格的演講摘要,施鬱解讀道:“現代宇宙學指出,宇宙誕生於137億年前的大爆炸,此後還經曆了快速的爆漲階段。在宇宙剛誕生和極早期,宇宙中只有場和基本粒子,後來才形成原子和更大的物質,形成星系。所以,宇宙學和粒子物理是自然交叉的。”

  在節目的對話環節,施鬱認為,物理世界中有些現像是基本定律的直接後果,比如行星軌道的形狀,而有些現象則出於偶然性,比如行星軌道的大小。他問斯蒂文·溫伯格如何看待目前的一些科學前沿問題。 “瞭解什麼是定律,什麼是偶然,是很重要的。” 斯蒂文·溫伯格表示。

  對此,施鬱提出未來基本定律的兩種可能性,一是在未來有限的年限中發現基本的定律,此外再沒有更基本的定律被發現;二是隨著時間推移,又找到更基本的定律,從中推導出原本以為基本的定律。他問斯蒂文·溫伯格,哪種可能性更大。

  斯蒂文·溫伯格表示:“沒人知道哪種可能性更大,最好假設存在最終的基本定律。因為如果不這樣,我們就不行動了。”

  中國科學院高能物理研究所研究員、CEPC(環形正負電子對撞機)加速器負責人高傑對此表示讚同,“因預測被稱為‘上帝粒子’的希格斯玻色子的存在,2013年諾貝爾物理學獎被授予比利時理論物理學者弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學家彼得·希格斯,而從他們提出希格斯玻色子存在的假設到在大型強子對撞機上通過實驗證實,經曆了50多年。由此可見,沒有理論的指導,我們的研究則漫無目的。”

  實驗手段是途徑

  在高傑看來,理論固然重要,但並非所提出的理論就一定正確,這需要通過實驗手段驗證,“只有理論,不通過實驗手段去驗證,科學研究就是‘紙上談兵’,無法繼續發展。”

  高傑解釋道:“目前人類所認識的宇宙分為三大部分:物質世界、暗物質和暗能量。宇宙中物質世界約占4%,暗物質約占23%,暗能量約占73%。但是,到目前為止,暗物質和暗能量還停留在科學家的預測階段,還需通過實驗手段進行驗證。”

  而研究暗物質等這些新問題則需要將微觀世界的粒子物理與描述宇觀世界的宇宙學相結合。因此,極大與極小的關係成為21世紀物理學和天文學研究的新特點。

  “極大和極小聽起來是兩個極端,實際上是不可分割的,這也是一種哲學問題,要大膽去思考和假設,但未來將假設變成科學知識,就需要理論和實驗驗證。”高傑說,“基礎研究猶如大樹的根,紮根越深,樹才能長的越好,因此,先進的實驗手段顯得極為重要。”

  高傑認為,認識和探索世界是人類的天性和原始動力,物質科學研究是最基本的基礎科學,基礎科學研究不僅可以推動人類對科學本身的認識,在實驗驗證的過程中,通過帶動技術、企業、產業等,反過來還會推動其他方面的廣泛應用,使人類對科學的研究與生活本身更進一步。

  在高傑看來,正因為人類的好奇心和原始驅動力,才促成了基礎研究、技術和社會的協同發展,並在此過程產生了眾多的“副產品”,“展望科學未來,必須回顧科學歷史,通過回顧歷史,才能更有勇氣突破科研過程中的困難。”

  初心讓“冷板凳”不“冷”

  實際上,雖然獲得了諾貝爾物理學獎,斯蒂文·溫伯格的科研路並非一帆風順。1954年,斯蒂文·溫伯格前往丹麥哥本哈根大學的尼爾斯·玻爾研究所攻讀研究生,自此開始了理論物理的研究生涯。

  回首這60多年的科研曆程,斯蒂文·溫伯格見證了諸多理論被驗證,但他也坦言:“我科研生涯中的絕大部分是失敗經曆,但我依然很開心,因為哪怕只有一次很小機會的成功,都會讓所有的努力變得有價值,這是件令人興奮的事情。”

  高傑對此頗有同感,“做科研就像踢足球,全程的努力都在‘臨門一腳進球成功’的喜悅中得到滿足,這就是科學體驗,充滿挑戰的同時也非常有趣。”

  在高傑看來,真正的科學家的初心是純真的,非功利的,“正如愛因斯坦相對論從提出到被證實曆經了一百年,但這期間,人類的思想沒有停止,科研的進程沒有中斷,更沒有因為一個理論沒有被驗證而使科學探索變得沒有意義。此外,引力波被發現的關鍵在於技術的發展,沒有發達的技術手段就無法完成科學驗證,這需要不斷提高人類社會發展的技術水平。”

  對於科學家甘坐“冷板凳”的說法,高傑並不認同“冷板凳”的說法,“真正的科學家不會認為自己坐的是‘冷板凳’,因為他們對自己的專業和科研工作充滿了喜愛和熱情。”

  “科學大廈就是由一塊塊的‘磚頭’累積而來,也許後人就是站在前人搭建的基礎上繼續建造。”高傑表示:“隨著我國科技的發展,未來,我國科學家要更加考慮為科學,為人類的發展作出更多貢獻,貢獻中國智慧。”

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽