數(shù)學物理學家James Gates 與《物理世界》（Physics World）編輯 Margaret Harris 談論了他曾經(jīng)提出的“理論物理學家遺愿清單”，10年過去，他可以從上面劃掉哪些發(fā)現(xiàn)，同時又新增了哪些條目，并深入探討了當今美國科學與社會的現(xiàn)狀。

撰文| Margaret Harris

翻譯| 忍冬

理論物理學家的思考。2017年，James Gates 于布朗大學。｜圖片來源：Brown University

2014年，美國數(shù)學物理學家 James Gates 分享了他的“理論物理學家遺愿清單”，列出了他希望在“離開塵世之前”見證的物理學發(fā)現(xiàn)，包括希格斯玻色子、引力波、超對稱性（SUSY）、超弦理論等。十年后，《物理世界》（Physics World）雜志的 Margaret Harris 再次采訪了現(xiàn)任職于美國馬里蘭大學的 Gates，看看他的清單上有哪些發(fā)現(xiàn)已被實現(xiàn)，哪些仍待探索或驗證，以及截至2025年他可能新增的條目。

十年前你清單上的第一項是希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，這已經(jīng)實現(xiàn)了。接下來第二項是引力波。

2015年引力波的首次成功探測，對許多人來說都是震撼人心的時刻。我?guī)缀鯊募す飧缮嬉Σㄌ煳呐_（LIGO）誕生之初就關(guān)注著它的發(fā)展。我第一次聽說探測引力波的構(gòu)想大約是在1985年。那時我剛成為馬里蘭大學的副教授，美國國家科學基金會（NSF）項目官員 Richard Isaacson 有一天把我叫到辦公室，給我看了一份加州理工—麻省理工（Caltech-MIT）合作團隊提交的探測器資助提案。我讀完后的反應是：這絕對行不通。但幸運的是，Isaacson 是個超級英雄——在NSF里，正是他數(shù)十年來始終堅信這項技術(shù)能成功，才最終讓夢想成真。所以當引力波真的被探測到時，那一刻簡直不可思議。

為什么引力波的發(fā)現(xiàn)讓物理學家如此振奮？

愛因斯坦最后的重大預言，便是宇宙中存在可觀測的引力波。有趣的是，如果追溯文獻，他最初認為可能存在，但后來又一度改變想法。這種反復恰恰展現(xiàn)了科學探索中的人性色彩，而最終大自然（Mother Nature）給出了答案：你第一次的猜想就是對的。廣義相對論能以如此精準的方式被驗證，坦白說，即便我將此列入遺愿清單，仍超乎我對有生之年科學突破的想象。

更深層的意義在于：人類對宇宙的認識，長久以來依賴于類似墨丘利（Mercury）這樣的“信使”，這位古羅馬神話中的眾神使者把信息從奧林匹斯山上傳遞下來。在我們的故事里，光子取代了墨丘利。數(shù)十萬乃至百萬年來，光告訴我們地外世界的存在，并推動科學數(shù)百年來的發(fā)展。而引力波被探測到意味著一種新的“宇宙信使”登場：引力子（graviton）。如同光具有波粒二象性，如今我們探測到了引力波，下一步便是捕捉引力子。

盡管目前尚不完全清楚如何觀測引力子，但相關(guān)知識一旦突破，人類將獲得前所未有的宇宙觀測能力。大爆炸初期存在一段黑暗時期，物質(zhì)過于熾熱無法形成中性原子，致密等離子體阻礙了光的傳播。直到38萬年后，電子被原子核捕獲形成首批原子。

隨著宇宙持續(xù)膨脹，粒子平均溫度和密度逐漸降低，光才得以穿行。值得注意的是，通過光子觀測宇宙，我們最多只能回溯到光首次穿透宇宙的時刻，即宇宙的“第一縷曙光”。我們在上世紀60年代探測到的宇宙微波背景輻射正是這第一縷光。若要窺探更早期的宇宙，光子已無能為力，引力波將成為關(guān)鍵工具。終有一天，人類或許能直接觀測大爆炸的瞬間——這將是劃時代的壯舉。

探測引力子的實驗路徑是什么？

當LIGO首次探測到引力波時，全球共有三臺探測器在運行——兩臺位于美國，另一臺名為Virgo的探測器位于法國和意大利交界處。目前印度即將啟用一個新的LIGO站點，只要國際社會繼續(xù)支持開展這項科學研究，未來將有更多類似設施投入運行，這將為我們提供更高精度的觀測圖像，提升效果就像是從黑白電視升級到彩色電視。

當前探測引力子的路徑包含兩個步驟：第一步可能需要測量引力子的偏振。像LIGO這樣的法布里-珀羅干涉儀具備這種能力。如果引力子波（graviton wave）存在偏振，無論左旋還是右旋，時空彎曲就會呈現(xiàn)特定特征。如果足夠幸運，我們可能在未來十年內(nèi)觀測到這種偏振。

第二步是量子化測量（quantization），這將更具挑戰(zhàn)性。20世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯發(fā)明了“韋伯棒”。這是一種大型金屬棒，金屬棒被冷卻后，引力子撞擊棒體時會引發(fā)金屬晶格振動，從而被探測到。我認為未來很可能會大力推動這項技術(shù)的升級改造，其中最令人期待的是可能開發(fā)出“量子韋伯棒”（Nat Commun 15, 7229 2024）。這或許是最終確認引力子存在的關(guān)鍵路徑。

愿望成真。意大利Virgo探測器鳥瞰圖。2017年，它成為繼美國兩臺LIGO探測器之后，第三個探測到引力波的設施。隨著全球引力波觀測站的增多，我們探測到引力子的機會也在增加。｜圖片來源：The Virgo collaboration / CCO 1.0

十年前你清單上的第三項是超對稱性。過去十年里，這方面的研究有何進展？

二戰(zhàn)尾聲，日本天皇在廣島和長崎遭原子彈轟炸后對國民發(fā)表講話時，用了一句“事態(tài)的發(fā)展未必對我們有利”——我認為這句話同樣適用于超對稱性研究。2006年我發(fā)表過一篇論文，其中明確表示不期待大型強子對撞機（LHC）能發(fā)現(xiàn)超對稱性。當時我通過反常磁矩的粗略估算得出結(jié)論：由于磁矩對無法實際探測的粒子極其敏感，通過比較反常磁矩的實測值與所有已知粒子理論預測值的差異，就能為未知粒子設定質(zhì)量下限——我就是用這種方法推算出了這個數(shù)值。

計算發(fā)現(xiàn)，最輕的“超伴子”（superpartner）質(zhì)量很可能在 30 TeV 量級。而LHC最初運行能量為 7 TeV，目前也僅達到 14 TeV，因此我的預測至今仍站得住腳。如果等到 100 TeV 能級的對撞機建成還未能發(fā)現(xiàn)超對稱粒子，好吧，估計我也等不到那天了（笑）。但我堅信自然界存在超對稱性，這是量子穩(wěn)定性要求的必然結(jié)果。

值得注意的是，粒子物理實驗觀測——尤其是磁矩、分支比、衰變率等的高精度測量——并非尋找超對稱性的唯一途徑。例如，弦理論可能提供宇宙學層面的啟示（arXiv: 1907.05829），這主要涉及暗物質(zhì)和暗能量問題。就它們對宇宙貢獻而言，從超對稱性的數(shù)學框架出發(fā)，你很容易推導出某些尚未觀測到的粒子，它們很可能就是最輕的超對稱粒子。

你遺愿清單的最后一項是超弦理論。我們上次對談時，你表示不抱期望，如今看法是否有所改變？

除非我能像瑪土撒拉（Methuselah；譯者注：圣經(jīng)中的長壽者）那樣長命百歲，否則恐怕無緣見證超弦理論被實驗證實了。我認為超弦理論如果獲得觀測支持，很可能不會來自單一實驗，而是需要宇宙學和天體物理學多領(lǐng)域觀測的綜合結(jié)果——或許屆時最輕的超對稱粒子也會被發(fā)現(xiàn)。順便說一句，我始終不認為人類能發(fā)現(xiàn)額外維度。但如果我真能再活幾百年，那倒可能成為實際的期待。

過去十年里，你的遺愿清單是否有新增項目？

是的，但還不確定如何準確表述。這涉及量子力學與信息論的交叉領(lǐng)域。在我的研究中，我們?yōu)槔斫獬瑢ΨQ性的表示理論所構(gòu)建的名為“adinkras”的圖（graph）有個驚人特性：糾錯編碼（error-correcting codes）天然嵌入在這些結(jié)構(gòu)中。事實上，這是我學術(shù)生涯中最自豪的發(fā)現(xiàn)——發(fā)現(xiàn)一種包含糾錯編碼的物理定律，至少是這種定律存在的可能性（arXiv: 1108.4124）。據(jù)我所知，物理學歷史上從未有過包含糾錯編碼的自然定律，但這些圖的數(shù)學結(jié)構(gòu)清晰展現(xiàn)了這種可能。

這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了我對信息論的認知。上世紀80年代，約翰·惠勒（John Wheeler）提出理解量子力學的新范式（“Information, physics, quantum: the search for links” Proc. 3rd Int. Symp. Foundations of Quantum Mechanics, Tokyo, 1989, pp354–368）。他用“萬物源于比特”（it from bit）這一精煉表述，指出宇宙中觀測到的信息本質(zhì)上與比特存在關(guān)聯(lián)。年輕時，我覺得這是我聽過最瘋狂的想法。但當我自己的研究揭示物理定律竟能以糾錯編碼形式包含比特時，我不得不重新審視這個曾被我嗤之以鼻的“荒謬想法”。

說實話，如今步入暮年，我得出一個結(jié)論：如果從事理論物理研究時間足夠久，你也會變得“瘋狂”——我就是活生生的例子！超對稱性的數(shù)學結(jié)構(gòu)中，糾錯編碼與比特的存在根本無可回避。正因如此，我的遺愿清單新增了一項：通過實際觀測證明，量子力學定律確實以比特形式運用信息。

至于何時能見證這一天，恐怕要等到我離世很久之后了——除非我能再活150年。理智上講，這是根據(jù)當前認知我估算需要的時間跨度，因為種種跡象表明：宇宙深處確實存在著這樣的信息機制。

我們剛才簡單談了科學在過去十年的變化。當然，科學與世界其他部分并非毫無關(guān)聯(lián)。其他領(lǐng)域的一些變化也影響著科學，尤其是美國最近的發(fā)展。你對此怎么看？

不幸的是，這一切都在預料之中。兩年前我寫過一篇題為《被逐出山頂？》（Expelled from the mountain top？Science 380, 993）的文章。這個標題取自馬丁·路德·金的一句話，“我曾到達山頂”（I’ve been to the mountaintop），這里“被逐出”指的是剝奪有色人種的機會。我在文中談到，美國正在朝著這樣一個方向發(fā)展：像我這樣的人——一個有色人種、非裔美國人、一名科學家——越來越難獲得從事科學所需的教育訓練。

我仍然認為美國最高法院2023年（關(guān)于平權(quán)法案）的判決沒有道理。這個判決等于在說，多樣性對推動創(chuàng)新毫無作用。但大量證據(jù)表明事實并非如此。你認為城市是怎么形成的？城市之所以成為創(chuàng)新發(fā)源地，正是因為不同背景的人們聚集于此。再加上互聯(lián)網(wǎng)這類新媒介的出現(xiàn)，通過新媒介，任何人都能接觸到數(shù)百萬人。為什么這有點可怕？因為假新聞，錯誤信息。

大約一年前，我遇到一位哲學家，他說了一句話讓我深有感觸。他說想想印刷機，它讓書籍以前所未有的方式在西歐社會傳播，從而推動了識字率的提升。識字率提高用了多長時間？50到100年。然后他說，現(xiàn)在讓我們看看互聯(lián)網(wǎng)。它有什么不同？不同之處在于任何人都可以發(fā)表任何言論，并傳播給數(shù)百萬人。因此我們面臨的挑戰(zhàn)是：人類需要多長時間才能在不制造錯誤信息或假新聞的情況下發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)。如果他的判斷是正確的，這需要100到150年。這是美國面臨的挑戰(zhàn)之一，也不僅是美國面臨的挑戰(zhàn)，但不知為何在美國似乎尤為嚴重。

這與科學有什么關(guān)系呢？2005年，我受邀在美國科學促進會（AAAS）年會上發(fā)表主旨演講。在那次演講中，我談到科學可能被“邊緣化”（turn off），我清楚地看到當時美國社會中存在一些勢力，他們很樂意否認科學家提出的證據(jù)，而且這些勢力正在壯大。

綜合以上種種因素，科學的持續(xù)發(fā)展將面臨一個極其重要且充滿挑戰(zhàn)的時期，因為特別是在基礎(chǔ)科學層面，這需要公眾普遍認同“是的，我們愿意為此投資”。如果社會中有機構(gòu)或個人否認疫苗，或否認關(guān)于進化論或氣候變化的科學證據(jù)，如果公眾開始接受這些觀點，那么科學本身就可能失去吸引力，這就是我在2005年發(fā)出的警告。

保持希望。今年早些時候，James Gates 在倫敦皇家藝術(shù)學院探討超對稱性研究，攝于學術(shù)講座現(xiàn)場。｜圖片來源：Margaret Harris

科學界可以采取哪些具體措施來防止這種情況發(fā)生？

首先，必須走出象牙塔。我參與過一些活動，它們通常打著“恢復公眾對科學的信任”的旗號，但我認為這個定位是錯誤的。真正受到威脅的是公眾對科學的信仰。在我看來，這才是我們真正需要思考的問題。

信任（trust）科學和信仰（faith）科學有什么區(qū)別？

在我看來，如果我信任某件事，我會傾聽。如果我信仰某件事，我不僅會傾聽，還會采取行動。這對我來說是一個本質(zhì)區(qū)別。

就我個人而言，盡管預見到前路艱難，但我仍然充滿希望。我要敦促年輕人永遠不要放棄希望。如果你失去了希望，那就真的沒有希望了。道理就是這么簡單。所以，我依然懷抱希望。也許有人會認為“哦，他只是情緒低落”——不，并非如此。因為作為一名科學家，我堅信我們必須以清醒、理性的態(tài)度面對眼前的證據(jù)，而不是感情用事地逃避現(xiàn)實，這就是我的立場。盡管剛才說了那么多嚴峻的事實，但我依然滿懷希望。

本文基于知識共享許可協(xié)議（CC BY-NC）譯自Margaret Harris, A theoretical physicist’s bucket list, 10 years later: Jim Gates on the graviton, quantum information and the scientific climate in the US.

原文地址：https://physicsworld.com/a/a-theoretical-physicists-bucket-list-10-years-later-jim-gates-on-the-graviton-quantum-information-and-the-scientific-climate-in-the-us/

本文轉(zhuǎn)載自《返樸》微信公眾號

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