缅怀温伯格:宇宙终极理论尚未完成,斯人已逝

作者: 钮卫星

来源: 赛先生

发布日期: 2021-07-25 11:51:46

史蒂芬·温伯格教授,一位伟大的物理学家,以其对电弱统一理论和粒子物理标准模型的贡献闻名,同时致力于科学传播,著有多部科普作品。他的逝世标志着科学界的一大损失,但他的工作和精神将继续激励后人。

2021年7月24日(北京时间),当代最伟大的物理学家之一史蒂芬·温伯格教授在美国逝世,享年88岁。温伯格教授在物理学的众多领域作出了开创性贡献,特别是建立了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论,同时也是粒子物理标准模型的创立者之一。温伯格教授还热衷科学传播,著有大量的科普图书和文章,产生了广泛而深远的影响。谨以此文缅怀温伯格教授。

1967年,温伯格提出了统一电磁作用和弱相互作用的模型,即电弱统一理论,而后被实验证实。电弱统一理论统一了电磁力和弱相互作用力,温伯格也因提出该理论与另外两位物理学家分享了1979年的诺贝尔物理学奖。1977年,温伯格出版了他的科普名著《最初三分钟》,通俗而精彩地介绍了关于宇宙起源的现代观念,一时洛阳纸贵,共被译成二十二种文字。温伯格生前执教于德克萨斯大学奥斯汀分校物理与天文系。

他曾在康内尔大学、哥本哈根大学和普林斯顿大学学习,获得十多所著名大学的荣誉学位,先后任教于哥伦比亚大学、加利福尼亚大学伯克利分校、麻省理工学院和哈佛大学。他还当选为英国皇家学会会员、美国科学院院士、美国科学与艺术研究院院士、美国哲学学会会员等。1991年布什总统在白宫授予他国家科学奖章。他还是美国物理学学会安德鲁·吉芒特奖和美国斯蒂尔基金会-美国物理学会科学作品奖的获得者。

在温伯格获得的所有奖项中尤其值得一提的一项是他获得的1999年洛克菲勒大学“刘易斯·托马斯奖”。这个奖项授予这样一些科学家作者:“他们的意见和观点能向人们揭示科学的美学和哲学维度,不仅提供新的信息,而且还能像诗歌和绘画一样引起人们的沉思、甚至启示”。温伯格因“在充满热情地、清晰地传达基础物理学的观念、历史、解释力和美学维度方面所取得的杰出成就”而获得该奖。

温伯格主要是因为他为普通读者写的《最初三分钟》和《终极理论之梦》而获奖的。其实,温伯格还经常在诸如《纽约书评》、《科学美国人》等一些大众传媒上发表一些阐明自己对科学的看法和观点的文章,在这些文章中,他以同样优美、生动的文笔清晰地表达了自己是一位理性论者、还原论者、实在论者和非宗教论者,有些文章还致力于在科学的文化对手们面前为科学辩护。这些文章的一部分在2001年被辑为一册出版。

2004年底有了中译本:《仰望苍穹:科学反击文化敌手》。在温伯格的这些作品中,以他对文字的娴熟驾驭和在文字中浸透的对物理学的热情来说,是无愧于“诗人科学家”的称号的。按照一句西方谚语:在木匠眼里,月亮是木头做的,而在基本粒子物理学家温伯格眼里,宇宙由基本粒子构成,这是最理所当然的事情了。自从古希腊德谟克利特和他的老师留基伯提出世界是由不可分割的最小粒子原子构成以来,原子论一直是唯物论的中坚。

虽然原子论的内容被两千多年以后的物理学家们大大丰富了,并且原子也早已被打破,物理学家发现了更为基本的粒子,在研究更小尺度的结构——超弦,但是无论是德谟克利特的原子也好,还是现在的基本粒子也好,它们都被认为是客观的、实在的。用温伯格的话来说,跟操场上的石头一样真实。

可是有人却说:诸如夸克这一类基本粒子是一群科学家建构出来的,进而说科学事实、科学理论也是建构出来的,科学理论“只不过是一种整理我们的经验的人为方式”。是可忍,孰不可忍?温伯格肯定是觉得有义务站出来驳斥这种言论,而且他显然也是最有权利和资格站出来保卫科学的人。温伯格捍卫科学的这些文章大多收集在《仰望苍穹》中。按照温伯格的交待,这个书名有三层意思。

第一层意思所取正如书的封面所用的丹麦天文学家第谷雕像的姿态:翘首仰望苍天;第二层意思是温伯格要强调正确面对和正视人类自身在宇宙中位置的必要性,同时也表明对那些宗教神创论等形形色色的科学的文化敌手要采取勇敢直面的态度;第三层意思是要表明这种直面正视和翘首仰望的姿态与匍匐在地的祈祷者的姿态恰恰相反。

在一部根据卡尔·萨根的同名小说改编的科幻电影《接触》中,女天文学家艾利执著地搜寻外星智慧生物的信号,她克服重重困难,终于获得成功,并被选定为地球人的使者乘坐按照外星文明传来的设计图纸制造的交通工具前往银河系中心与外星智慧生物会面。在途中埃利看到天体莫可名状的壮美,不知如何用语言来记录这种景象,只是感叹说:“应该派个诗人来!”一般认为诗是记录和呈现美的恰当文体,诗人则是描绘和赞誉美的合适人选。

温伯格等人之所以被称作“诗人科学家”,就是因为他们能发现和描述科学中的美。在科学史上,有不少科学家发现并描述了科学理论中的美。传说毕达哥拉斯发现了2:1、3:2、4:3这几个数字比率跟最和谐的音程八度音、五度音和四度音一致,于是得到了“万物皆数”的信念,认为宇宙中普遍存在着数的和谐,譬如各天体到地球的距离便应该符合和谐的音程。柏拉图继承了这种信念,认为自然界必定的是完美的,天体必定作完美的运动。

亚里斯多德进而认为天体必定是有完美的第五元素构成。哥白尼为了恢复和保持这种古希腊的信念才做出了革命性的举动。开普勒对行星运动规律的探索也一直在“宇宙存在先定的和谐”这种古希腊信念指导下进行。而正如众所周知的,从哥白尼到开普勒,开启了科学迈进近代走向现代的大门。许多现代物理学家也都谈到过美在科学中的作用。

1974年量子电动力学的创立者之一狄拉克到哈佛大学演讲,他对听讲的研究生说:只需要去关注方程的美,而不要去管那些方程是什么意思。温伯格当时也在座,他认为对学生来说这也许不是什么好建议,但他承认寻找物理学中的美贯穿着整个物理学的历史。在《终极理论之梦》一书中他专门用一章“美丽的理论”来讲物理学中的美,认为美感是向着终极理论进步的标志。

1987年温伯格为牛顿的《自然哲学的数学原理》出版300周年做了一个“牛顿之梦”的纪念性演讲,在其中他提到“如果我们是在谈论非常基本的现象,那么在某种程度上美学思想是重要的”,他还强调:“我们所寻求的美是一种特殊类型的美……我们所寻求的美的理论,能给我们一种任何东西都不会使之改变的感觉。”温伯格十分注重这种位于解释链条最后端点的东西,认为这是物理学乃至科学的最终目的。

在一篇“一位量子物理学家的深夜冥想”的文章中,温伯格写道:“如果你问到有关为什么事情是如此这般的任何问题……其解释总是会还原到更深层理论的形式。更深层并不是指在数学上更意义深远或更有用,而是指更接近我们解释的起点。”他举例说:“许多矿物学和生理学是根据化学来解释的,化学是根据物理学来解释的,普通物质的物理学又是根据基本粒子的标准模型来解释的。

”温伯格就《终极理论之梦》接受《科学观察》(Science Watch)记者采访。温伯格的这种思想其实已经被恰当地命名为“还原论”。另一位1996年“刘易斯·托马斯奖”的获得者戴森把物理学上的还原论描述为力图“使物理现象的世界还原为一套有限的基本方程”,他还把薛定谔和狄拉克在量子力学方面的工作称作是还原论的胜利,“化学和物理学的令人迷惑的复杂性被还原为两种形式的代数符号。”

温伯格在不同场合多次阐述自己的还原论观点,他的《终极理论之梦》可以说是一首还原论的赞歌,其中专门有一章叫做“为还原论欢呼”;在《仰望苍穹》一书中,也收录了“牛顿论、还原论和国会论证艺术”、“还原论的回归”、“大还原:20世纪物理学”等篇。

在“还原论的回归”一文中温伯格写道:“从牛顿时代到我们所处的时代,我们已经看到,我们知道如何去解释的现象的范围在不断地扩大,而用于这些解释的理论在简单性和普遍性方面也在不断地得到改善。”、“由于简单而普遍的定律,自然的一切就是它现有的这种方式(带有初始条件和历史偶然性的某种限制),所有其他科学定律在某种意义上都可以还原为这种定律。”按照还原论的思路,沿着解释的链条,终点就是那解释一切的终极理论。

在《牛顿之梦》中温伯格说:“把那些能够解释为什么每件事情理当如此的少数几个简单的原则系统化。这是牛顿的梦想。”这当然也是温伯格的梦想,《终极理论之梦》充满激情地表达了对实现这个梦想所抱有的信心。在“物理学与历史”一文最后,温伯格写道:“终极理论将会是一种有效性不受限制的理论,一种能适用于整个宇宙中所有现象的理论,一旦最终达到,这种理论将成为我们关于这个世界的知识的一个永恒的部分。

那时我们作为基本粒子物理学家的工作将会结束。”即便有反对的声音认为人类不可能找到这样的终极理论,但温伯格直至临终还直在坚持,仍在追求这最后的理论。温伯格的这种坚持和追求哪怕是堂吉诃德式的,也仍旧是可敬的。人类对自然的了解和适应因为这样的坚持和追求而在不断进步。

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