诺奖得主Wilczek:科学预言的苦与乐

作者: Frank Wilczek

来源: 返朴

发布日期: 2020-10-09 18:01:03

本文讲述了诺奖得主Frank Wilczek关于科学预言的苦与乐,特别是他对任意子的预言以及保罗·狄拉克对磁单极子的预言,以及这些预言如何影响了物理学的发展。

最近几个月,有两项漂亮的实验为任意子的存在提供了令人信服的证据。任意子是一种只存在于某些材料中的新型粒子。它们的显著特征是具备一种原始的记忆,能够保存过去的行为信息。因为这种特性,任意子成为了未来量子计算机的重要组成部分。多年来,大多数物理学家认为,所有的粒子不是玻色子(比如光子)就是费米子(比如原子核中的质子和中子)。

但在20世纪80年代初,我在早期研究人员的工作基础上提出,还存在一种新的粒子——我将其戏称为任意子,意思是“任何事情都会发生”。当时我预计,只要几个月,就可以证实它的存在。而事实上,这一天迟来了近40年。从提出到实现科学预言,往往存在一段时间间隔。有时候,等待可能更加漫长,甚至没有尽头。1931年,量子力学的奠基人之一保罗·狄拉克(Paul Dirac)预言了一种携带磁荷的粒子。

他称之为磁单极子,即只有北极(或南极)的小磁铁。狄拉克是有史以来最伟大的物理学家之一。他有很多杰出贡献,比如提出了反物质的概念。利用新的数学思想,他证明了磁单极子的存在是符合量子力学原理的——尽管看上去似乎有一些严重相悖的地方。更妙的是,他证明了如果磁单极存在,就可以解释物理学上一个非常基础却又玄妙的事实,即质子和电子的电荷相反、电荷量严格相等,可以精准地相互抵消。

1981年,在参加一个纪念“磁单极子50周年”的暑期学校时,我和妻子贝茜·迪瓦恩(Betsy Devine)常常同狄拉克和他的妻子玛吉特(Margit)一起吃早餐。保罗是出了名的沉默寡言。玛吉特告诉我们,保罗对这次会议极其失望。他原本是期望听到有关磁单极子被发现的报告的,但是相关的实验遭到了严厉的批评,而其实验结果自然也被认为不具有可信度。

玛吉特对此感到很担心,因为她觉得“支撑保罗活下去”的正是他对磁单极子能够被发现的念想。暑期学校结束后,狄拉克在一封信中写下了他关于这个问题的最后一句话:“我现在倾向于相信磁单极不存在。”他于1984年去世。时至今日,尽管人们应用各种不同的手段进行了仔细的搜寻,仍然没有发现真正的磁单极子。然而,狄拉克所引入的与磁单极有关的新概念已经产生了巨大的影响。

我们有很好的理由认为磁单极子确实存在,但是它们太重了,无法在粒子加速器甚至是宇宙射线中产生。阿尔贝·加缪(Albert Camus)曾写道:“期待是一种甜蜜的痛苦,我们需要它来感受自己还活着。”在科学中,我们预测如何在自然界中实现我们的想法,随后取得进步。这个过程可能是缓慢的,痛苦的,甚至是悲剧性的。然而,面对挑战迎面而上是一种重要的思想方式。

它常常给我们带来创造的惊喜,也会在更为稀有的时刻,为我们带来被自然界“认可”的荣光。

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