量子之美

( 世界上最大的粒子对撞机 )

从第一年的“起源”开始，还选择了“交流的方式”、“什么是智力”、“进化”、“记忆”、“时间”和“空间”等主题，至今已经连续举办了26年，成了剑桥的一个传统。2011年的主题是“美”，关于“美”的一系列讲座有：《美与吸引》，《美与快乐》，《美与真实》，《美与怪诞》，《星云的美与科学》，《声音之美》。2004年的诺贝尔物理奖得主，来自麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·韦尔切克（Frank Wilczek）也被邀请来讲座，他的题目是《量子之美》。

讲座大厅早早地坐满，来晚了的人只能去另外一个大厅里面看现场直播。韦尔切克教授发问：自然中最基本的规律是美的吗？世界是一种完美观念的体现吗？是的，从科学的开端，人们就一直相信自然界是美的体现，一切定律都应该是美的，牛顿和麦克斯韦的理论证明了自然规律的美，而直到现代物理学，人们终于给出了响亮的答案：是的，自然规律就是美！古希腊的哲学家毕达哥拉斯有一句名言：万物皆数（All Things are Numbers），他认为数学可以解释一切。他发现琴弦的长度可以决定音调的高低，毕达哥拉斯定理（即勾股定理）更是用数字解释一切的完美体现。另一位古希腊哲学家柏拉图则直觉性地认为世界是由五种结构对称的多面体构成的，这大概也是最早的粒子物理学研究。柏拉图还提出了一个著名的观点叫做“柏拉图洞穴”（Plato's Cave），他认为人类所感知的世界并非是真实的世界，正如一个囚犯生活在一个洞穴里，终生只是面对一个空白墙壁，他所感知的整个世界其实都只是外面的真实世界在这个墙壁上的投影而已，人类对世界的认识也同样如此，是狭隘和片面的。而哲学家的任务则是走出这个洞穴，认识到真实的世界。

在科学的开端，这些朴素的观点展示了人们的朴素审美观，古代西方的哲学家们凭借直觉认为世界是美的，而美的重要标志就是对称。不仅是在古希腊，在古代中国，人们同样是以对称为美。朱光潜说“美和用总是统一的”，在中国，无论是用具、建筑，还是在太极和八卦的图案，甚至是小篆的字体，中国人都一直在追求对称美。直到近代，牛顿和麦克斯韦才证明，宇宙是美的。牛顿的力学体系解释宇宙是一个不停息的机器，引力是普遍存在的，天体间靠着引力的作用运转。同样的奇迹是牛顿对光的分解，牛顿仅用一个三棱镜就把一束白光分解，告诉人们光的组成，然后他又用另外一个透镜把单色光汇聚成一束白光。麦克斯韦的电磁场方程是物理学优美的典范，它让人们认识到一个对称的定律：变化的电场会产生磁场，而变化的磁场会产生电场，这就是电磁波的传播方式，正是这一组方程让人类进入到现代社会。

韦尔切克教授继续问道：为什么有些方程如此的特殊？正如无线电的发明者赫兹所说：“我们不能不感觉到有些数学方程是独立存在并且是有智慧的，它们比我们更聪明，也比它们的发现者更聪明。我们从它们那里得到的比我们投入的更多。”有些简单并且实际的方程可以推导出伟大并且优美的结论，如同麦克斯韦的电磁场方程，它也把对称的美学观点引入了物理学中。麦克斯韦方程由于自身对称性也引发了狭义相对论与规则不变性的发现：狭义相对论增强了对称性在物理学中的适用范围，而规则不变性则开始主宰基础物理学。

人们在量子物理中终于发现了一种更加完美的对称性之美。当人们试图描述围绕原子核运转的电子的时候，发现它的函数正是一个完美的波函数，而这个函数同时也可以用来描述乐器。一本早期的讲述量子物理学的书甚至就命名为《声音的理论》（The Theory of Sound）。如果毕达哥拉斯能够听说这个结论一定会感到非常高兴，因为他的观点竟然可以在量子范畴内仍然成立。自然界的物质构造形式在量子层面上仍然是美的，自然显然对于对称性爱不释手，到处希望应用这个对称性原理，你对自然的研究越深，越能感受到其中的美。碳原子有4个自由电子，它与周围的碳原子相连接，可以组成各式各样的形状漂亮的分子；C60分子由60个碳原子相互连接而成，由12个正五边形和20个正六边形组成一个中空的三维球体，形似一个足球。碳原子也可以形成一片由正六边形组成的可以无限延伸的厚度只有一个原子的二维材料，这就是现在炙手可热的石墨烯，把这个石墨烯卷起来，就变成了一维的碳纳米管。在这些形状漂亮的材料中，到处都显示着对称之美。

( 韦尔切克教授在讲解量子色动力学中的渐进自由理论，凭借发现该理论他被授予2004年诺贝尔奖（摄于2004年） )

在人们对于现代前沿粒子物理学的理解（韦尔切克教授特意说明，也很有可能是误解）中，量子之美体现在由对称性引发的统一（Unification）之中。人们已经建立起了基本粒子的标准模型，在这个模型中，从某种意义上来说，这些粒子都是统一的。根据对称性，如果你要得到其中的一种粒子，那么通过公式就可以推导出剩下的所有粒子——这些公式说明的是同一件事情。通过公式的变换，我们可以预知某些基本粒子的存在。虽然现在这个标准化的基本粒子模型仍然被很多科学家所置疑，很多实验物理学家一直试图发现这个标准粒子模型之外的新例子来为自己赢得一个诺贝尔物理奖，但是在40年中仍然一无所获。现在，很多粒子科学家相信，他们已经接近自然界的终极真理。

标准化的基本粒子模型是自然界的终极真理吗？我们还不知道，但是，我们可以看到，这个模型还不够“美”，科学家们还没有看到那个由对称而得到的统一。在这个标准模型中，力被分为强相互作用、弱相互作用与电磁相互作用三种。三种听上去似乎多了一些，人们更喜欢只有一种力。而粒子则被分为6类基本粒子，为什么是6类呢？人们也更愿意相信这6类只是同一事物的6个不同侧面而已。粒子物理学的目标之一，就是通过对称性来构建一个更加庞大，并且完整的体系而得到统一。统一化的过程中，科学家们遇到了各种各样的困难，人们发现在现实中真空是不存在的，宇宙中无时无刻无处不存在着量子涨落，夸克场和胶子场弥漫在空间各处，这一度让粒子物理学家们更加迷惑。但是美丽的想法是珍贵的，不应该随便地放弃，也许我们还只是不够大胆！

我们是否把力和粒子统一起来？这听起来就好像是把苹果和橘子统一起来。一种新的概念被提出来，叫做“超对称”，在这个新的框架中，力与粒子被空前地统一起来，就像是一枚硬币的正反面。同时，在这个新的框架里也出现了一个新的维度，在这个新的维度中的改变，并不是时空的改变，而是所构成的粒子（费米子与玻色子）之间的改变。超对称带来了新的虚拟粒子和新的波动，三种力在这个新框架中汇聚。而这种对称的宇宙结构，正是柏拉图和毕达哥拉斯们当初对于宇宙形式的设想。

如何验证超对称理论是否正确？答案就是一个超大型的粒子对撞机。科学家们已经看到超对称曙光在望。1954年成立的欧洲粒子研究中心（CERN）有世界上最大的粒子对撞机，这个庞然大物直径8.66公里，周长27公里，被埋在地下50～175米的岩层中，它就是验证超对称理论是否正确的关键。这个对撞机被液氦所包裹，保持温度只高于绝对零度2摄氏度（这个温度比宇宙空间的温度还要低，宇宙空间由于存在着背景辐射温度高于绝对零度3摄氏度）。在对撞机的超导体产生的强磁场中，粒子可以被加速到接近光速，通过粒子之间的对撞产生更小更基本的粒子。如果超对称理论预测的这种质量极小的粒子真的存在，那么这种粒子在这个粒子对撞机中就可能产生出来并且被科学家们发现，因此，现在“世界上一半的粒子物理学家在那里工作”。

粒子是否是无限可分的，是否存在一种终极的统一理论可以解释宇宙的一切，力与粒子是否最终可以统一于超对称理论，人类如果真的发现了终极的统一理论是否会感到怅然若失？这些问题始终是各界争论的焦点，恐怕仍然会像很多其他问题一样没有一个答案。但是即使对于普通人来说，这些问题也并非没有意义，它给了我们一个理由，在忙碌的工作生活时有了一个理由让自己停下来仰望星空。

爱因斯坦曾经有两句有趣的名言，其一是：“上帝是微妙的，但是他没有恶意。”另外一句是：“我有另外一个想法，也许上帝是恶意的。”随着粒子物理学的进展和粒子对撞机的发现，也许我们很快就可以知道，上帝究竟是微妙的还是恶意的。■

（本文主要根据弗兰克·韦尔切克教授的讲座《Quantum Beauty》整理）（文 / 苗千） 量子