冯八飞:最有可能获得诺贝尔物理学奖的中国人

腾讯大家   冯八飞   2015-11-13 14:16  

2015年11月9日,中国科学家王贻芳领导的大亚湾中微子项目获美国“基础物理学突破奖”,奖金300万美元。想起十几年前跟人争论,承蒙香唾瀑面:中国人一百年也得不了诺贝尔科学奖!

君子报仇,十年不晚,于是,坐到电脑前,写篇文章,泄愤!

(王贻芳)

其实,这些年来,中微子一直是世界科学研究热点,属于得奖专业户类型。远的不说,今年10月6日,瑞典皇家科学院宣布日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟-麦克唐纳因发现中微子震荡获2015年诺贝尔物理奖。

好吧,啥子是中微子?

说起来,中微子跟爱因斯坦的统一场还有些瓜葛。

好吧,啥子是统一场?

大家都知道爱因斯坦很伟大,他发现了相对论。其实,爱因斯坦研究相对论只用了十年,而研究统一场,他用了四十年!1922年他获诺贝尔奖时已开始研究统一场。作为世界物理学新教皇,统一场立成世界焦点,世界报刊集体断言爱因斯坦将一劳永逸彻底解决宇宙所有问题,论文出版后一抢而空。爱因斯坦对公众的狂热非常吃惊。他虽然觉得统一场很出色,但毕竟这是物理学,又不是岛国AV或流行歌曲,卖这么多是要干嘛?

统一场彻底迷住爱因斯坦,变成他与物理界之间的巨型黑洞,任何信息都无法穿透。每次物理大会都为爱因斯坦保留上座,但每次他都缺席。新闻界损失更大,他们平空失去了爱因斯坦这个取之不尽用之不竭的超级新闻库,只好自制噱头哗众取宠。连《纽约时报》这么严肃的报纸,居然有天也印了一整版数学家都看不懂的数学符号,然后郑重其事地宣布:“爱因斯坦研究的统一场将涵盖行星旋转、光线飞驶、地球引力、钻石光泽、镭元素的不稳定性、轻的氢和重的铅、通过线圈的电流、物质、能量、时间、空间。”

其实《纽约时报》不算发高烧,统一场还真可能有这个本事。

相对论已成过去,未来,属于统一场。

统一场研究成功,即可当场推翻量子论。相对论在研究原子核内的微粒子世界时完败给量子论,爱因斯坦始终没服这口气。他认为统一场可以彻底解决原子核里面的问题,从而一劳永逸地KO坚决要跟上帝打麻将的玻尔他们几爷子。

Well,说了半天,到底啥子是统一场嘛?

严正声明,我说到底不过一业余爱因斯坦爱好者,因此,说错了不负刑事责任啊。

物理学上的“场”指的不是足球场或杀猪场。它指的是有“力”在其中相互作用的一块儿空间。这个“场”不是物质,看不见,却也有重量和大小。爱因斯坦想统一的,就是通过这个“场”作用于物体的万有引力和电磁力,即要说明这2种力源于同一种力。

好吧,八飞老师,这个有啥用呢?

用处大发了,这样就可以统一宇宙!就是说,我们就能知道宇宙到底是什么和宇宙如何起源。

够不够震撼?

看官须知,按咱们现在的知识,构成宇宙的最基本要素是空间和物质,时间只是物质运动的先后次序。如果说宇宙有个中心点在运动,那宇宙必须跟着这个中心点运动,否则空间、时间和物质就无法统一,那宇宙就不存在了。举太阳系为例:太阳自转,太阳周围的空间就随太阳转动,9大行星说是围太阳公转,其实转一个角度看,它们只是静静地镶在太阳周围的空间上,我们觉得它们在公转,是因为那个空间在围着太阳转。You know了吧?其实太阳和9大行星是静止地镶在这个空间上,运动的是太阳系,而这正好符合能量守恒定律。牛顿理论恰恰在这里与能量守恒定律矛盾,因此他无法解释星体为何自转。牛顿只好说星体自转是因为上帝蹬了它们一脚。可现在绝大多数物理学家已经不信上帝了,所以牛顿无法拿上帝的脚说服他们。

统一场研究的关键,就是要把爱因斯坦已知的两个最基本的力——牛顿的万有引力与麦克斯韦的电磁力——统一到一个数学框架中去。

列位看官,在物理学研究历史中,追求统一是主流,而且每次成功都带动物理学飞跃:牛顿用万有引力统一了地球上的万物;麦克斯韦统一了电和磁;爱因斯坦用质能互换公式E=MC²统一了质量和能量。因此,爱因斯坦研究统一场,按物理研究传统十分合理。

但是,直到爱因斯坦去世,统一场研究都没成功。

这个没成功还真不是爱因斯坦的责任,责任在宇宙,因为宇宙中并非只有引力和电磁力,其实还有另外两种基本的“强力”和“弱力”。强力连接原子核,弱力生成放射性。爱因斯坦没考虑这两种力,所以没成功很正常。

好吧,那啥子又是强力和弱力呢?

强力得从原子核说起。原子核之外的自然力只有引力和电磁力,可1912年卢瑟福发现原子核也由微粒子构成,于是问题就来了:原子核里面的微粒子都带正电,按电磁理论它们应当互相排斥,怎么能紧密结合成原子核呢?一直到1928年,大家把后脑勺都挠烂了,24岁的苏联物理天才伽莫夫这才提出,其实原子核里头还有另外一种力,比电磁力强得多,能把核内微粒子都团结起来。因为它比电磁力强,所以叫“强力”。

好吧,那么,啥子又是弱力?

弱力就得从中微子说起喽。

1931年春罗马国际核物理会议,奥地利物理学家泡利提出β在衰变过程中放射出电子之外还有一种新粒子,其静止质量为零,电中性,但并非光子。正是它带走了一部分能量,所以衰变后才出现了能量亏损。泡利称这种粒子为“中子”,并断言它在原子核里面。当时意大利物理的中兴霸主费米就跳出来支持他。1933年10月布鲁塞尔第7届索尔维物理大会专题讨论原子核,参加会议的物理名宿有居里夫人和卢瑟福等,年轻一代包括泡利、伊雷娜·居里、约里奥·居里、查德威克、玻特、费米和伽莫夫等物理未来巨星。会上泡利再次提出“中子”假说,会后两月费米写论文论证泡利的“中子”,不过此时查德威克已发现了现在的“中子”,为示区别,费米就给泡利的“中子”这个词加了一个意大利语后缀 ino(微小的),变成“neutrino”。

此即中微子。

(1933年10月布鲁塞尔第7届索尔维物理大会与会者合影)

虽然费米成功论证中微子,但物理界却始终测不到它,因此中微子当时被称为“宇宙隐身人”。中微子运动接近光速,几乎无法被任何物质吸收,因此几乎无法观测,其观测难度有多大呢?如果我们能做出地球那么大的探测器,向它发射 1,000 亿个中微子,也大约只能撞上1个。20多年后(1956)美国物理学家柯万(Cowan)和莱因斯(Reines)等通过实验观测到中微子,凭此就获得1995年诺贝尔物理学奖。

费米不止证明了泡利的发现,他还开创了原子核的量子研究,他认为质子和中子并非两种不同的粒子,而只是两种不同的量子态,因为电子的“轨道”只是电子的不同能量态,所谓“变轨”只是不同能量态之间的“电子跃迁”,所以,质子和中子也只是通过能量态的跃迁而相互转化。

到底啥子意思嘛?

意思就是,原子核里面根本没有啥子电子和中微子!只有弱力作用于原子核,弱力让一个中子从原先的能量态发生“跃迁”变成质子,而跃迁前后质能都会有损失,所以电子从高能态跃迁到低能态时会射出光子,中子在质子跃迁过程中会射出一个电子和一个中微子,这样才能保持能量守恒。

就是说,费米证明了,能量依然守恒,能量守恒保卫战就此宣告胜利。

好了,现在咱们有了牛顿的引力、麦克斯韦的电磁力、伽莫夫的强力和费米的弱力,宇宙4大基本力聚齐。爱因斯坦的统一场要统一的,就是它们。

1967年美国物理学家温伯格等通过量子论统一了电磁力和弱力。后来又有科学家提出“大统一理论”成功统一电磁力、弱力与强力。但要统一引力就没这么容易啦,因为引力实在太弱了,微粒子的质量几乎等于零,所以引力的强度只有强力的100万亿亿亿亿分之一,咱们连100后面的零都数不清。总之就是无限小。当年爱丁顿观测日全食,太阳这么大的星球,其引力造成的星光弯曲也微乎其微,必须得用日全食照片来确认,就是这个道理。

强力和弱力都是微粒子之间的力,只有用量子论才能研究,但爱因斯坦研究统一场很重要的原因就是想推翻量子论!所以这研究无法成功。但不怕贼偷就怕贼惦记着,什么事儿经得住这么多科学天才成年累月没日没夜地惦记着啊?所以,后来终于被惦记出了希望。

希望来自哪里?

居然来自:抛弃量子论!

我们今天知道,世上万物,包括人的身体,都由原子和分子组成。可20世纪之前的人,包括牛顿这么牛的人,都不这么认为。

最早关心这个问题的是古希腊哲学家。这些伟大的先贤连近视眼镜都没有,却想找到组成世界的最微小原素是什么。这些人中最有名的是德谟克利特。他出身富裕,为科学走遍埃及、巴比伦等地,耗尽家财,刚回家乡立刻被法庭指控“挥霍财产”,如罪名成立,他将被逐出城邦,死后也不能回乡下葬。谁愿意做异乡鬼啊?于是德谟克利特在法庭上宣读游历著作《宇宙大系统》为自己辩护,法官和陪审员一听大惊失色:搞到这么多科学新知,怎么是“挥霍财产”?纯粹赚翻了啊!于是判给他5倍的旅行费用。就在《宇宙大系统》中德谟克利特宣布,构成万物的最基本元素是“不可分割的”(atom),此即后世的“原子”(Atom)。从此到牛顿为止,物理学家都认为“原子”构成宇宙,可后来不断发现比原子更小的粒子(原子核、电子等),只好称它们“基本粒子”(elementary particle)。基本粒子出现意味“原子”死亡,因为它们证明“原子”并非“不可分割”(atom)。

人类发现的第一个微粒子是1897年J. J.汤姆逊发现的电子(electron),当时无人相信,著名物理学家都认为汤姆逊在胡说。可电子虽然已经很“基本”,却仍非“不可分割”,因为电子带一个单位的负电荷,而原子应是电中性的,否则满天的电子同性相斥,根本合不到一起,就不会有原子了,那就根本不会有什么世界万物啦。因此,原子应该由电子和另一种带正电的基本粒子组成。1911年汤姆逊学生卢瑟福发现原子核,“原子”这才画出了美丽的新图画——带负电的电子围着带正电的原子核旋转,刚好构成一个电中性的稳定的原子。

就这样,原子不再是组成万物的“基本粒子”。但后来科学家发现居然“基本粒子”也是由更小的微粒子组成,例如轻子和夸克的质量还不到质子和中子的万分之一,现有的最精确电子显微镜都不能直接观测到它们。所以现在物理学已经不说“基本粒子”了,因为实在不知道哪些粒子更“基本”。

爱因斯坦发起的统一场革命正发生对这些微粒子的研究中。科学家发现,粒子越小,能量就越高,如果把微粒子控制在极其微小的空间内,其引力就大大增强。也就是说,在更小的微粒子之间,引力又回来了!这意味着,在更小的微粒子空间中,引力有可能与其他3种基本力统一!那么,最小的空间单位是什么呢?就是普朗克长度(10的-33次方厘米)。宇宙的这4种基本力,最后就统一在普朗克空间!

我们都觉得科学理论超级枯燥,其实科学理论比最牛的美国科幻大片儿都精彩。我们觉得枯燥,是因为我们不懂,而绝大多数科学家也懒得给我们这些文科男女解释。对整天在理论天空中展翅翱翔的“王”们来说,要把中微子和统一场说得我们都能听懂,无异于焚琴煮鹤,还不如直接杀了他们痛快些。所以这个杀人的工作只能由我这样的文科老头儿来干,反正我已离退休不远,杀几个人并没有什么关系。

这场物理革命不仅非常精彩,结果亦超级惊人:在普朗克长度下,相对论与量子论这两大理论双双失效,一种全新的理论统一了相对论与量子论。

啥子理论?

超弦理论。

OK,啥子是超弦?

我们一直认为“基本粒子”就是一个没有任何内部结构的微小的点,直到1970年日本物理学家南部阳一郎(2008年诺贝尔奖)提出超弦理论。

南部阳一郞在普朗克空间把基本粒子放到最大,才发现每个基本粒子里面都有一根儿细细的弦在振动。这根儿弦只有长度没有宽度。小提琴弦可以奏出无数优美的音符,而这根弦振动之后奏出的是数百种基本粒子和4种基本的力。这根弦细得可怜,即使用最精细的仪器测,它也显得像个点,是1毫米的100亿的100亿的1,000亿分之一(10的-34次方米),因此被称为“超弦”(superstring)。看官须知,原子半径约为1毫米的1,000万分之一(10的-10次方米),而原子核直径大约是原子的10万分之一(10的-15次方米)。跟超弦比,原子核就算庞然大物了。这根超弦振动的速度比飞都快。小提琴琴弦的振动人眼已经看不清楚,但其实不过一秒钟几百次(10的2次方)而已,超弦一秒钟振动100万亿乘100万亿乘100万亿(10的42次方)次,超弦两端的运动速度是人所能想像的终极速度:光速!

量子论之父普朗克曾感叹说:“我对原子研究的最后结论是——世界上根本没有物质。物质是由快速振动的量子组成的。”古埃及和古希腊都谈到宇宙有7个原理,最基本的是“振动原理”。古希腊哲学家说:“没有任何东西是静止的,一切都在振动。”直到20世纪我们都把这些话当哲学听,超弦理论横空出世,我们才发现,原来,这是物理!

超弦理论横空出世,意味着数百种基本粒子全部统一到超弦上去了,这数百种基本粒子居然只不过是这根儿超弦的不同振动形式,而4种基本力都来自超弦空间。超弦让基本粒子变成一个紧密的微小时空,宇宙中所有的巨大物理事件,包括宇宙大爆炸、黑洞与恒星死亡,都诞生于这个超级微小的时空之中!

够不够震撼?

然而,这还只是震撼的开始。

话说牛顿理论大行其道之时,咱们只知道3维空间,就是长、宽、高,后来爱因斯坦一棒子敲在咱们脑门儿上,同志们恍然大明白:还得加上时间。因此,咱们现在熟知的是4维时空。

超弦时空多少维?

最初的超弦时空有26维!否则它就要崩溃。爱因斯坦提出4维时空那年很多欧洲人都笑掉了大牙,所以欧洲牙科,尤其德国牙科,非常著名。现在居然有人提出26维!幸好这个理论很快就得到修正,否则欧洲就没牙科了,因为所有的牙都笑掉了,大家都使牙床吃牛排。

超弦理论很快修正到10维。但它仍然显得十分荒谬,所以直到1984年大部分物理学家都认为它是个笑话。但今天他们已经不笑了,因为科学证实咱们确实生活在10维空间,只是其中有6维紧紧蜷缩在一起,我们觉察不到。就像我们离很远看一根儿水管,看见的是一根儿线,只有1维,但走近你会发现它还有个2维的横截面,而这个横截面的2个维度是蜷缩起来的,从远处看不见。

1995年,美国物理学家威顿宣布超弦的10维实际上是11维时空。

11维时空,是我们现在对时空的最新认识。

超弦确实不好理解,因为人类生活在3维空间中,因此我们无法在2维的纸面上画出11维。严格讲,连物理学家都无法在头脑中想像出11维时空,但他们却巧妙地用数学工具来解决这个问题。例如边长为2厘米的正方形是2维,其面积是4立方厘米(2厘米乘X2厘米),而边长为2厘米的立方体就是3维的,其体积是8立方厘米(2厘米X2厘米X2厘米)。因此,4维空间中的超立方体(4维),其“体积”应为16立方厘米(2厘米X2厘米X2厘米X2厘米)。以此类推,就可以算出11维时空。10维超弦空间中隐藏的维度弯曲得很小,所以咱们看不见。就像地毯,我们走在上面,只能看见2维——长和宽,但如果把地毯放到放大镜看,才发现还有组成地毯的绒线弯曲起来的那一维。这一维,我们走在地毯上的人感觉不到,但藏在地毯缝里的跳蚤却能感觉到。正因为多了这一维,跳蚤才能躲进去,让我们这些只能看见“长”和“宽”这两个“维度”的人看不见它们。超弦理论认为空间到处隐藏着这样卷曲起来的维度,其长度非常短,跟超弦差不多。

二千多年前有个人叫朱泙漫,他变卖全部家产去跟著名的大师支离益学习屠龙术,辛辛苦苦3年学到手,提刀四顾,才发现世上并没有什么龙可屠。记下这个故事的人是庄子,屠龙术因此被当作好高骛远的典型嘲笑了二千多年。

其实,相对论、量子论、超弦理论,包括中微子,个个都是屠龙术!

在日常生活和工作中如鱼得水的人,一定能得到远远超过朱泙漫的褒奖和推崇,但是,他们永远都不会成为屠龙武士。

而历史,并不会记得如鱼得水。

历史只属于屠龙武士!

我深信中国的屠龙武士王贻芳会因为中微子获得诺贝尔物理学奖。

不信走着瞧!

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责任编辑:荀子曰 关键词: 诺贝尔奖 统一场论 王贻芳


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