美讓物理學(xué)誤入歧途

琉花

對稱與統(tǒng)一的美

物理學(xué)作為所有科學(xué)中最基本的學(xué)科，它研究自然的本質(zhì)，研究物質(zhì)最基本的構(gòu)成，研究世界上所有的運動。小到最基本的粒子，大到無垠的宇宙，我們很容易從物理學(xué)中感受到美。例如，物理學(xué)總是有著對稱之美：粒子與反粒子，正電荷與負電荷，電生磁與磁生電，動能轉(zhuǎn)化為勢能與勢能轉(zhuǎn)化為動能等。從物質(zhì)存在形式，物理過程再到物理規(guī)律，這些“有序”“均衡”“重復(fù)”的東西，因為空間上的和諧布局和時間上的節(jié)律協(xié)和，總是能讓我們感受到美。

想必物理學(xué)家也一定是愛美的，不然他們不會由正物質(zhì)的存在，就推測出反物質(zhì)一定存在，雖然反物質(zhì)至今還沒有被徹底研究明白。

物理學(xué)家們會根據(jù)三個美麗的標準選擇理論：簡單、自然和優(yōu)雅。在兩個效果相同的理論中，物理學(xué)家傾向于選擇更簡單的，甚至是絕對簡單的。當理論還不夠簡單的時候，他們就會通過統(tǒng)一幾種力或者假設(shè)新的對稱來讓理論變簡單。第二個標準是自然，自然是一種試圖擺脫人為因素的嘗試。這一準則通常適用于沒有單位的常數(shù)值，例如基本粒子質(zhì)量比，自然要求這樣的數(shù)字應(yīng)該接近1。如果不是這樣，就會有理論解釋它為什么不是1。美麗標準的第三個方面——優(yōu)雅是最難理解的，它是簡單和驚喜的結(jié)合，是事情步入正軌的那一瞬間，它要我們?nèi)ソ沂臼挛镏g新的聯(lián)系。

物理學(xué)一定要優(yōu)美對稱？

物理學(xué)家認為，根據(jù)這三個標準，如果一個理論是美麗的，那么這個理論就是有希望的、可信的。這使物理學(xué)家做出質(zhì)子應(yīng)該能夠衰變的預(yù)測。粒子物理學(xué)表明，如果某粒子的衰變方式不違背任何物理學(xué)守恒定律，那么該衰變方式就可以自發(fā)地進行。比如，中子是粒子中質(zhì)量比較大的，它可以很自然地衰變?yōu)楦p的質(zhì)子、電子以及反中微子，這早已被物理學(xué)實驗所證實。那么，比較輕的質(zhì)子呢？雖然物理學(xué)實驗一直沒能證實質(zhì)子衰變的存在，但質(zhì)子衰變的理論不違背任何守恒定律，所以科學(xué)家相信它肯定存在。

根據(jù)三個美麗標準，物理學(xué)家還預(yù)測，我們應(yīng)該能夠探測到暗物質(zhì)粒子，比如軸子和弱相互作用的大質(zhì)量粒子。許多的實驗被實行來尋找這種理論上可能存在于宇宙中的不可見物質(zhì)，但到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)任何假設(shè)中的粒子。

20世紀70年代，為了統(tǒng)一強力、弱力和電磁力這三種基本力，物理學(xué)家建立了一個標準模型。“標準模型”非常成功，很好地統(tǒng)一了三大基本作用力。但根據(jù)三個美麗標準，它又很丑陋——它像個大雜燴，把多達61種基本粒子全部裝進去，既不簡單、也不自然，更談不上優(yōu)雅。因此，物理學(xué)家一直希望尋找一種更簡潔有力的理論來改造標準模型。

因此，超對稱理論登上了粒子物理學(xué)的舞臺。超對稱理論描述了費米子（自旋為半整數(shù)的粒子，包括輕子、中子、質(zhì)子等）和玻色子（自旋為整數(shù)的粒子，包括介子、光子、膠子等）之間的對稱性，認為每種費米子都應(yīng)有一種玻色子與之配對，它們被包括進來是為了彌補“標準模型”理論的審美缺陷。

超對稱理論雖然很漂亮，但不是必須的。即使沒有超對稱，現(xiàn)在的標準模型理論在數(shù)學(xué)上也是說得通的，只是不是特別漂亮。粒子物理學(xué)家利用超對稱性來彌補這一不足，從而使這個理論更加美麗。然而，費米子和玻色子之間的對稱性至今在自然界中尚未被觀測到。

拋棄美的桎梏

有科學(xué)家認為，過度追求物理學(xué)理論的對稱與優(yōu)美，會讓我們對物理學(xué)的探索誤入歧途。

如果我們仔細閱讀科學(xué)史，我們應(yīng)該能學(xué)到：美不能作為理論發(fā)展的向?qū)АＴS多美好的假設(shè)都是錯誤的，比如約翰尼斯·開普勒的觀點，行星軌道堆積在規(guī)則的多面體中;還有20世紀40年代一些學(xué)者提出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，即宇宙處于“穩(wěn)定狀態(tài)”而不是在膨脹。這些理論看起來都很優(yōu)美，但卻都是錯誤的。

一些曾經(jīng)被認為是丑陋的理論也經(jīng)受住了時間的考驗。當開普勒認為行星是沿著橢圓而不是圓運動時，同時代的人都覺得這太丑了，不可能是真的。保羅·狄拉克指責更新后的麥克斯韋理論很難看，因為它需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算公式。然而，那些被認為是丑陋的想法是正確的，它們至今仍在被使用，我們不再覺得它們丑陋。

實際上，很多物理學(xué)理論的進步、突破是為了解決數(shù)學(xué)上的矛盾。例如，愛因斯坦廢除了絕對時間觀念，因為這個觀念在數(shù)學(xué)上與麥克斯韋的電磁學(xué)理論相矛盾，從而創(chuàng)造了狹義相對論。然后他解決了狹義相對論和牛頓引力之間的矛盾。狄拉克后來消除了狹義相對論和量子力學(xué)之間的分歧，這導(dǎo)致了量子場論的發(fā)展，今天我們?nèi)匀辉诹Ｗ游锢韺W(xué)中使用量子場論。很多成功的預(yù)測和推論是建立在堅實的數(shù)學(xué)推理基礎(chǔ)之上的。

因此，當物理學(xué)家試圖追尋純粹美麗的理論時，他們可能會把時間浪費在那些不是真正問題的問題上。一味要求宇宙規(guī)律符合人類對美的理想是沒有意義的，相反可能還會有害，把物理學(xué)研究帶進沒有未來的死胡同。我們應(yīng)該讓扎實的實驗證據(jù)引導(dǎo)我們走向新的自然法則，“美”會在那里等著我們。