我们只知道了宇宙中5%或4%的能量 | 谢尔顿&王贻芳对话实录(上)
2023-01-06
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1月5日,顶科论坛&抖音合作节目《硬核知识局》第二期——《平行宇宙真的存在吗?》在“世界顶尖科学家论坛”抖音官方账号上线。90岁的诺奖得主谢尔顿·李·格拉肖(Sheldon Lee Glashow),中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳两位顶尖科学家展开了精彩对话。

标准模型会被取代吗?中微子物理研究什么?平行宇宙真的存在吗?获得诺奖是什么体验?想对20岁的自己说什么?就这些问题,两位顶科进行了深入探讨。我们整理了对话的文字实录,分上下两篇推送

此篇为上篇。点击查看下篇——《谢尔顿对话王贻芳:平行宇宙真的存在吗?| 文字实录(下)》

 

中微子没有被标准模型正确描述

严伯钧:大家好,我是严伯钧。这是一档由抖音推出的名为“硬核知识局”的线上节目,本次访谈由抖音和世界顶尖科学家协会联合发起。今天我们邀请到了两位杰出的科学家,第一位是谢尔顿·李·格拉肖(Sheldon Lee Glashow)教授,格拉肖教授是著名的理论物理学家,波士顿大学数学与物理学名誉冠名教授,哈佛大学物理学名誉冠名教授。格拉肖教授的研究主要集中于基本粒子和量子场论,格拉肖教授于1979年获得诺贝尔物理学奖。格拉肖教授,欢迎您,你要跟线上的观众打个招呼吗?

格拉肖:我很高兴和朋友们打招呼,非常感谢你邀请我,谢谢。

 

严伯钧:感谢您加入我们。另外一位嘉宾是王贻芳教授,王教授是著名的实验物理学家,专注于高能物理研究,也是中科院院士。王教授还担任了中国科学院高能物理研究所所长,他获得了2016年基础物理学突破奖。让我们也欢迎王教授。王教授,请您向在座的观众问个好。

王贻芳:大家好,感谢大家的到来。

 

严伯钧:非常感谢。让我们直接进入访谈环节,在今天的采访开始之前,我们了解到你们二位的研究都集中在粒子物理学这个大领域,而且都是各自领域的顶尖科学家。可以请二位简单介绍一下你们的主要研究方向吗?

格拉肖:从高中开始,我就一直对物理感兴趣,当我读研究生的时候,我开始接触到现代物理。我发现基础物理也就是试图找出自然规律,令我非常非常地兴奋。我受到了我认识的人和我听说过的人的启发,我从未见过的爱因斯坦、我认识的尼尔斯·玻尔,他(尼尔斯·玻尔)陪伴我很长一段时间,那是在我拿到学位之后。在我的职业生涯中,我在许多不同的大学里专注于基础理论物理学、天体物理学和宇宙学很多很多年,所有基础物理宇宙学以及天体物理学、宇宙学、粒子物理学、核物理……你能想到的。我的第一份工作是研究核物理。

严伯钧:您的第一篇文章是关于核物理的。

 

格拉肖:没错,就是核反应。

严伯钧:好的,那王教授呢?

王贻芳:我是一名实验粒子物理学家,在大学的时候我也主修核物理,但是当时大学里还没有实验粒子物理学。我是碰巧进入这个领域,因为我遇到了丁肇中教授,这就是为什么我开始了作为粒子物理学家的职业生涯。我的主要研究兴趣是e+e-对撞机物理以及中微子物理。

严伯钧:中微子物理是近来一个非常非常热门的研究领域。我有个问题要问格拉肖教授,我们知道您获得了1979年的诺贝尔物理学奖,因为您和温伯格教授在电弱理论方面做出的工作,这个标准模型将现有的所有基本粒子分类。从那时起,这就成为了粒子的基础,然而越来越多的实验结果,如中微子的质量、中微子振荡等并不是标准模型所能预测的。在您看来,标准模型将如何发展才能包含更多的实验结果,或者说您认为标准模型最终会被一些更先进的理论所取代吗?

格拉肖:调整标准模型来解释中微子质量其实并不难,尽管我们不知道中微子质量的起源,它可能和希格斯玻色子一样简单,也可能是我们不知道的更复杂的东西。我们依靠研究试图在中微子物理学中找到一些线索来扩展标准模型。

这是王教授的研究领域,位于中国南方的江门中微子实验室将阐明这些中微子问题。也就是说,我们对它们的质量了解很多,但是我们不了解哪个最重、哪个最轻,所以这是一个非常重要的问题,我们称之为质量顺序问题。希望中国的实验室能够解决这个难题,它多多少少是专门为研究中微子质量和中微子振荡而建设的,目前美国的情况也是如此。为了解释中微子物理进行了两个最大的尝试:一个是在中国的江门中微子实验室(JUNO),另一个是在费米实验室尚未完成的DUNE设施。我们彼此处于友好的竞争中,我认为我们既合作又竞争。

这是物理学中非常令人兴奋的一个方面,因为正如你所说,中微子并没有被原来的标准模型正确描述,我们也不知道它们质量的来源是什么,我们需要我们能得到的每一点信息,我们从正在进行的那个实验和其他实验中得到了这个结论,这不是唯一的方向,但这是目前最可行的方向。因为我们没有大型的加速器来取代欧洲核子研究中心(CERN)的加速器,CERN一直在考虑制造一个更大的粒子加速器,中国和日本也在考虑这件事,但到目前为止,在建造新机器方面还没有任何进展。所以,中微子是目前和未来若干年内的行动方向。

 

严伯钧:我不知道我理解得是不是正确,我的理解是:用数学方法在标准模型中包含中微子的质量并不是很难,关键问题是质量的起源,所以我们需要让实验家做更多的实验来告诉我们某些可能的原因,也就是为什么中微子的质量是这样的。我理解得清楚吗?

格拉肖:这是其中之一,在粒子物理学中,除了中微子还有许多其他的悬而未决的问题。有一个理论内部一致性的问题,最重要的是,如果还有其他问题的话,比如暗能量和暗物质,它们也不符合天体物理学或粒子物理学的标准模型。

 

实验家和理论家间的愉快合作

严伯钧:谢谢格拉肖教授,下一个问题是问王教授的。正如我们之前讨论过的那样,标准模型一直是粒子物理学的基础,但是在标准模型之后我们似乎没有一个足够有希望的理论来进行实验验证。作为一名领先的实验家,您能不能和我们分享一下,在您看来,如果没有理论的指导实验家将如何引领粒子物理学研究的方向?以及未来的主流是什么?

王贻芳:作为一名实验家,通常情况下我们有两种方法来进行研究。一个是试图验证理论的预期,在过去的近60年里我们试图验证标准模型的正确性,然后我们试图发现标准模型所预测的所有粒子,这确实是研究的一个范式。还有一种方法,是在没有任何理论指导的情况下尝试寻找未知的东西。

在过去的60年里,格拉肖教授建立了一个伟大的理论,那就是标准模型,我们几乎完成了这项研究而且发现了标准模型预测的所有粒子。所以,现在我们实际上正处于一个转折点上,我们需要寻找一些新的和更深层次的东西。事实上,我们已经知道标准模型不是最终的理论,它有一些不自洽的地方,也有一些实验证据实际上超出了目前对标准模型的现有描述,所以我们需要实验指导或证据告诉理论家们该往哪里走、该怎么走以及如何将所有这些超越标准模型的新证据纳入理论的新框架,我认为这是我们必须要做的事情,也就是在标准模型提出之前的50年代和60年代的那种范式。我们有很多新的证据,所以,现在实际上是时候从实验家那里得到更多的实验证据,然后可以尝试进入理论的下一个阶段。

 

严伯钧:我想我理解得很清楚了,您是说理论并不总是引领实验,所以在历史上我们有两种方式,就像相互进化,也许在某一个阶段你提供了一个理论,这个理论给出了怎么进行实验的某些见解,但是当我们进行大量的实验时,我们会看到很多理论可能无法预测的异常现象。反过来说,当我们有一些新的成果,它会给理论提供一些灵感,找到更多的方向,让理论家和实验家可以交替相互合作并最终引领前进的方向。您是说我们现在处在一个新时代,就像历史上发生的那样,实验家现在正在引领潮流,给理论家们一些建议。

格拉肖:一直都是实验人员在引领方向,王教授非常清楚这一点,因为他和我的好朋友丁肇中合作过,在1974年丁肇中和他的团队有了一个惊人的发现,这是大多数物理学家都意想不到的,那就是著名的J粒子,J/ψ粒子,它被证明是第四种夸克的标志。这发生在20世纪70年代的,再说一次,我只是想指出,是实验人员在引导我们。

严伯钧:您真的是太谦虚了。但是我认为这是一种相互的改变。

格拉肖:实验家之间的愉快合作。

严伯钧:是的,实验家和理论家之间的愉快合作,谢谢您的回答。

 

我们只知道了宇宙中5%或4%的能量

严伯钧:然后我有个问题要问你们二位:很多观点认为粒子物理学的黄金时代已经过去了,几十年来已经没有像粒子物理学中标准模型那样的突破了。在你们看来,从理论和实验的角度来看,这种情况会持续更长的时间吗?背后的原因是什么?以及解决办法是什么?

格拉肖:我们不能说几十年来没有任何进展,因为那不是真的。(希格斯粒子)发现的10周年纪念日,那天是7月4日,已经10年了,但不是几十年,只是10年。【编者注:2012年7月4日,由欧洲核子中心大型强子对撞机LHC上的ATLAS和CMS实验宣布发现希格斯粒子的存在。】

的确,20世纪70年代是一个非常激动人心的时代,当时粒子物理学中的新事物发生的频率很高,比今天高得多。事实上我们已经做了大部分在低能级下可以做的事情,虽然不是全部。上个世纪物理实验和理论的快速发展所带来的一个问题就是,我们没有在低能态下解决问题,所以我们还是有必要回到更低的能态中去看看我们是不是忘记了什么、忽略了什么。所以,我还不相信没有令人兴奋的东西可以发现,我们可能在寻找其他东西时已经忽略了,所以回过头来仔细观察背景是非常重要的。举个例子,JUNO会用中微子物理来做这件事,但是它必须在粒子物理的整个范围内完成,让我们回到过去看看我们是不是遗漏了什么。

 

严伯钧:所以,也许是时候重新审视一些我们没有研究过的细节了。

格拉肖:我们可能已经忽略了低能(低能量等级)的细节。王教授,您有什么看法吗?

王贻芳:在过去,我认为我们经常被告知伟大的发现已经过去了、已经被发现了,而留给年轻一代的东西已经很少了。当我还是个学生的时候,我也是这样想的,当我们从课本中学习的时候我们都被老的理论家们震惊了,担心没有什么东西留给我们了。但是,在粒子物理领域工作了近40年后,我仍然看到许多发现,重要发现从我们身边擦肩而过,我相信这在未来还会发生。

所以,我不相信科学的发展会在我们这个时代停止,未来也不会发生这样的事。对于科学的未来,这是一个非常非常奇怪的观点,就像格拉肖教授说的,我们已经知道有很多重大发现等着我们,比如中微子的性质,我们还不知道中微子的确切质量是多少,我们还不知道例如中微子的质量顺序问题,我们还不知道希格斯玻色子的性质,我们甚至不知道希格斯玻色子中是不是还有另一个希格斯玻色子,我们还不知道希格斯玻色子本身是不是像粒子一样的点……还有很多真正的未解之谜。事实上,从宇宙的角度来看,我们只知道了宇宙中5%或4%的能量,还有很多很多其他的新事物有待发现,比如暗物质、暗能量等等。我们相信还有更深远、更重要的发现等着我们。【点击查看诺奖得主亚当·里斯畅聊“暗物质、暗能量,宇宙膨胀”】

 

格拉肖:例如,中国最近做出了一项有趣而又令人费解的探测,就是非常非常明亮的伽马射线暴在中国和太空中都被探测到了,在10月9日的时候。除了它本身非常有趣之外,它还伴随着一束宇宙射线伽马射线,能量巨大,它不应该出现在那里,因为这一事件发生在离我们很远很远的地方,伽马射线不可能到达那个地方,这是一个谜题。我们不知道伽马射线从哪里来的,但是谁知道呢,谜题几乎随时都可能出现,而这一次可能是非常重要。

非常有趣的是,这个发现表明了全世界科学家之间的合作是多么重要,因为它是由几乎所有国家的科学家共同发现的,中国可能发现了最多的光子,因为这一事件碰巧发生在中国上空,在中国上空偶然发生了,但是被很多其他的探测器探测到了,它的余波被世界各地的望远镜探测到了。所以,国际合作和所谓的多信使天文学变得非常令人兴奋和有意思,并将把世界上的科学国家再次聚集在一起。

严伯钧:这太令人兴奋了。看起来实际上有一些误解,大众对正在进行的粒子物理学研究了解不多,我认为这可能是因为现实世界的研究和大众科普的差距。实际上有很多问题有待发现、有待解释,但是大众还没有听说过,也许这是我们作为科普人的责任,我们应该向观众更多地介绍有待发现的正在进行中的问题。

 

需要寻找一个更深刻的理论

严伯钧:下一个问题是问格拉肖教授的,这是一个关于弦理论和超对称理论的问题。我们知道,实际上一些先进的理论,如弦理论和超对称理论在最近几十年非常流行,它们看起来非常非常雄心勃勃,试图用基础物理学解释一切。您对这些理论有什么看法呢?

格拉肖:首先,弦理论和超对称理论,有很多共同点,也有很多不同点。一方面,弦理论要求超对称理论存在于某种能级,但是它没有说那个能级是什么,这是它们的共同之处。它们的不同之处在于,低量下的超对称理论做出了大量的实验预测,它预测了数十种可能存在的新粒子,但是人们一直在不停地寻找它们,寻找了几十年,不仅仅是十年,而是几十年,是的,目前还没有发现这样的粒子。

另一方面,超对称理论,除了可能性微乎其微的低能超对称理论,弦理论没有做出任何预测,它不能被证明是对的也不能被证明是错的,它没有做出任何陈述。事实上,它给出了一个非常不同的陈述。很明确地说,所有让王教授和我感兴趣的问题都是无法回答的,它们是宇宙诞生的偶然事件,它们之所以是这样,是因为这个特定的宇宙是这样的,还有许多其他的宇宙,在那里它们的情况是不同的,这是一种绝望的哲学。所以我认为弦理论是没用的,它确实统一了引力和粒子物理学,但是以一种没用的方式,因为没有衍生产品,也没有声明说我们要质疑这种统一,它没有解释统一是如何发生的,它只是把它们统一起来。超对称理论已经流行了这么多年,我认为是时候把它遗忘了,因为它用来解释各种问题的具体预测都失败了。超对称理论,如果它存在的话,存在于可能永远无法达到的能量中,所以它失败了。

 

另一方面,我对标准模型一点也不满意,从纯理论的角度来看,它太巴洛克、太复杂了,这就是为什么这个代数群、为什么质量是这样的、为什么有6个夸克而非600种不同的夸克……有太多不同的问题,我们还没有一个答案的开端,我们还没有一个开始的答案,我们需要一个全新的框架,我希望有才华的人能在不久的将来发现这个框架。我对自己不抱希望了,因为我已经90岁了,但是我的年轻朋友们肯定能做到的。

严伯钧:谢谢您,听起来标准模型就是一个临时理论,也许它有点像专门的理论,但是也许它会在未来被取代,但是它不应该是像弦理论和超对称性那样的理论,因为它们根本不是物理学。因为物理学是一门实验科学,如果你不能用实验来证明或者不证明理论,那这可能只是哲学理论,如果你不能做实验。

王贻芳:嗯,我也想说一点,我完全同意格拉肖教授刚才提到的弦理论主要是数学理论而不是物理理论,很难得到任何可预测的结果以便我们进行测试,但是超对称理论发现任何关于对称性的预测。但是,一方面,我们只研究了参数空间的一小部分,我们还得靠能量去探索完整的优先级空间以及超对称理论预测的所有粒子,另一方面,这并不是标准模型之外的唯一理论,我们还有很多其他的理论比如额外的维度等等也有一些预测,我们应该寻找新的证据超越目前加速器的可用能量。

所以,我们确实需要深入寻找一个更深刻的理论而不是标准模型。格拉肖教授提到标准模型不是最终理论,它更像是有效理论而不是最终理论,事实上,如果我们研究这个理论本身以及夸克和电子之间的精确对称性,那就很奇怪了,我简直不敢相信这背后没有任何东西,你在电子和夸克之间得到这种偶然的对称性。这只是告诉我们这背后还有更深刻的东西,所以我个人认为肯定还有另一个更深层次的理论,它告诉我们,在我们前面还有一个新的世界。

 

格拉肖:没错,我们完全同意你的说法,是的,绝对如此。

 

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