诺奖得主:极大与极小交叉 理论与手段同重

2020-10-26 中国科学报

其大无外,其小无内。早在几千年前,人们就试图用哲学解释科学,至小即至大,至大即至小。

  其大无外,其小无内。早在几千年前,人们就试图用哲学解释科学,至小即至大,至大即至小。

  自1978年访问中国后,1979年诺贝尔物理学奖获得者、著名理论物理学家斯蒂文·温伯格教授再次面向中国公众讲述“极大”与“极小”的宇宙学与粒子物理学的故事,他在中国科学技术馆开设的《科学连线》栏目中指出,根本的科学问题也是哲学问题。

  “物理学家研究的‘极小’就是大自然的最小尺度,比原子核还小更多,‘极大’就是大自然的最大尺度,大到整个宇宙。” 斯蒂文·温伯格表示,“‘极大’与‘极小’的研究相互促进,共同支撑物理学家在终极目标中前进,以了解自然的最终定律。”

  此外,在斯蒂文·温伯格看来,基础理论为科学家开展研究指明了方向,而实验手段则是验证理论的重要途径。

  基础理论是指引

  现代宇宙学指出,宇宙诞生于137亿年前的大爆炸,此后还经历了快速的爆涨阶段。在宇宙刚诞生和极早期,宇宙中只有场和基本粒子,后来才形成原子和更大的物质,形成星系。”斯蒂文·温伯格说:“所以,宇宙学和粒子物理是自然交叉的。”

  在斯蒂文·温伯格看来,物理世界中有些现象被视作原理,可以由基本定律验证,而有些现象则充满了偶然性。以开普勒为例,例如著名的行星运动三大定律的发现者约翰尼斯·开普勒,他发现行星运行的轨道是椭圆的就是原理,但行星运行轨道的半径究竟多大则是偶然。“了解什么是原理,什么是偶然,是科学所负担的一项艰巨任务,而在这点上,我们很难预先知道。”

  因此,斯蒂文·温伯格认为,基本定律的提出将来有两种可能性,一是在未来有限的年限中发现基本的定律,此外再没有更基本的定律被发现;二是随着时间推移,从更基本的定律中推导出新的基本定律。

  在斯蒂文·温伯格看来,很难证明哪种可能性更大,“不管哪种可能性更大,重要的是要提出基本定律的假设,只有提出理论假设,才能有开展科研的方向和动机。”

  中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC(环形正负电子对撞机)加速器负责人高杰对此表示赞同,“因预测被称为‘上帝粒子’的希格斯玻色子的存在,2013年诺贝尔物理学奖被授予比利时理论物理学者弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯,而从他们提出希格斯玻色子存在的假设到在大型强子对撞机上通过实验证实,经历了50多年。由此可见,没有理论的指导,我们的研究则漫无目的。”

  实验手段是途径

  在高杰看来,理论固然重要,但并非所提出的理论就一定正确,这需要通过实验手段验证,“只有理论,不通过实验手段去验证,科学研究就是‘纸上谈兵’,无法继续发展。”

  高杰解释道:“目前人类所认识的宇宙分为三大部分:物质世界、暗物质和暗能量。宇宙中物质世界约占4%,暗物质约占23%,暗能量约占73%。但是,到目前为止,暗物质和暗能量还停留在科学家的预测阶段,还需通过实验手段进行验证。”

  而研究暗物质等这些新问题则需要将微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学相结合。因此,极大与极小的关系成为21世纪物理学和天文学研究的新特点。

  “极大和极小听起来是两个极端,实际上是不可分割的,这也是一种哲学问题,要大胆去思考和假设,但未来将假设变成科学知识,就需要理论和实验验证。”高杰说,“基础研究犹如大树的根,扎根越深,树才能长的越好,因此,先进的实验手段显得极为重要。”

  高杰认为,认识和探索世界是人类的天性和原始动力,物质科学研究是最基本的基础科学,基础科学研究不仅可以推动人类对科学本身的认识,在实验验证的过程中,通过带动技术、企业、产业等,反过来还会推动其他方面的广泛应用,使人类对科学的研究与生活本身更进一步。

  在高杰看来,正因为人类的好奇心和原始驱动力,才促成了基础研究、技术和社会的协同发展,并在此过程产生了众多的“副产品”,“展望科学未来,必须回顾科学历史,通过回顾历史,才能更有勇气突破科研过程中的困难。”

  初心让“冷板凳”不“冷”

  实际上,虽然获得了诺贝尔物理学奖,斯蒂文·温伯格的科研路并非一帆风顺。1954年,斯蒂文·温伯格前往丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所攻读研究生,自此开始了理论物理的研究生涯。

  回首这60多年的科研历程,斯蒂文·温伯格见证了诸多理论被验证,但他也坦言:“我科研生涯中的绝大部分是失败经历,但我依然很开心,因为哪怕只有一次很小机会的成功,都会让所有的努力变得有价值,这是件令人兴奋的事情。”

  高杰对此颇有同感,“做科研就像踢足球,全程的努力都在‘临门一脚进球成功’的喜悦中得到满足,这就是科学体验,充满挑战的同时也非常有趣。”

  在高杰看来,真正的科学家的初心是纯真的,非功利的,“正如爱因斯坦相对论从提出到被证实历经了一百年,但这期间,人类的思想没有停止,科研的进程没有中断,更没有因为一个理论没有被验证而使科学探索变得没有意义。此外,引力波被发现的关键在于技术的发展,没有发达的技术手段就无法完成科学验证,这需要不断提高人类社会发展的技术水平。”

  对于科学家甘坐“冷板凳”的说法,高杰并不认同“冷板凳”的说法,“真正的科学家不会认为自己坐的是‘冷板凳’,因为他们对自己的专业和科研工作充满了喜爱和热情。”

  “科学大厦就是由一块块的‘砖头’累积而来,也许后人就是站在前人搭建的基础上继续建造。”高杰表示:“随着我国科技的发展,未来,我国科学家要更加考虑为科学,为人类的发展作出更多贡献,贡献中国智慧。”

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