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1700942904 后来,那种观点似乎太放纵了——那也是时代的产物,因为我们曾希望我们已经在很多方面有了超越。那些继续捍卫量子力学,坚持认为它是一个世界理论的人,也高举起实在论的大旗。他们赞成沿着实在论的路线重新解释理论。然而,当他们提出有趣的建议时,却没有一个完全令人信服。
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1700942906 实在论作为一种哲学也许会消亡,但不大可能。毕竟,实在论是科学家前进的动力。对我们多数人而言,相信那个独立于我们的实在,相信我们能真正理解它,这样的信念驱动着我们去做艰辛的工作,做一个科学家,去认识大自然。面对实在论者清理量子理论的失败,我们越发觉得唯一的选择可能是第三个:找一个更遵从实在论解释的新理论。
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1700942908 我承认我是实在论者。我站在爱因斯坦等人一边,相信量子力学是对实在的不完整描述。我们从哪儿去寻找量子力学缺失的东西呢?在我看来那需要我们更深入地理解量子物理学本身。我相信,如果到头来还不能解决问题,那是因为还有确实的关联着其他物理学问题的东西。量子力学的问题不会孤立地解决;当我们统一物理学的努力取得重大进步时,它们也许会迎刃而解。
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1700942910 如果真是这样,它在两个方面都有用:只有当我们发现了量子力学的合理替代者时,才可能解决其他的大问题。
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1700942912 物理学应该统一,这个思想比任何其他问题对物理学研究的驱动更大。但物理学可以通过不同的方式来统一,我们要谨慎区分。迄今为止我们都在讨论用一个定律来统一。很难想象有谁能否定这是必须的目标。
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1700942914 但还有其他方式来统一世界。爱因斯坦——当然,他和任何人一样,也是这样想的——强调我们必须区分两类理论:原理理论和构造性理论。原理理论搭建自然描述的框架。根据定义,原理理论一定是普适的,能用于天下万物,因为它确立了我们用于描述自然的语言。不可能有分别用于不同领域的两个不同的原理理论。因为世界是统一的,任何事物最终都与其他事物相互作用,因此只能用一种语言来描述那些相互作用。量子理论和广义相对论都是原理理论。所以,逻辑需要它们的统一。
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1700942916 另一类理论,即构造性理论,以明确的模型或方程描述特殊的现象。9电磁场理论和电子理论是构造性理论。这种理论不可能是孤立的,必然建立在原理理论的框架下。但只要原理理论允许,可以存在服从不同定律的现象。例如,电磁场服从的定律就不同于假想的宇宙暗物质(远远超过宇宙中寻常的原子物质的数量)的定律。关于暗物质,我们知道一点:不管它是什么,它都是“暗的”。这意味着它不发光,因此可能不与电磁场发生作用。这样,两个不同的理论可以和谐共存。
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1700942918 问题在于,电磁学定律不管世界还存在其他什么。不论夸克、中微子还是暗物质,可以有,也可以没有。同样,描述强弱两种在原子核中发生作用的力的定律也不必要求电磁力的存在。我们很容易想象一个只有电磁力而没有强力(或者相反)的世界。就我们现在的认识,那样的世界也是和谐的。
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1700942920 但我们仍然可以问,是否我们所看到的所有自然力都表现为单独的基本力。我只能说,似乎没有逻辑论证应该如此,不过那可能是对的。
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1700942922 统一各种力的愿望,在物理学的历史上带来了几个重要的进步。麦克斯韦在1867年将电和磁统一为一个理论,一个世纪后,物理学家发现电磁场与传播弱核力(即引起放射性衰变的力)的场也能统一。这就引出弱电理论,其预言在过去30年得到了一次又一次的证明。
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1700942924 在电磁场与弱场的统一之外,自然还有两种基本力(我们知道的)。那就是引力与强核力(将夸克结合在一起形成质子和中子的力)。这四种力能统一起来吗?
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1700942926 这就是我们的第三个问题:
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1700942928 问题3:确定不同的粒子和力能否统在一个理论并将其解释为一个单独的基本作用。
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1700942930 为了区别上面讨论的定律的统一,我们不妨称这个问题为粒子和力的统一。
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1700942932 乍看起来,这个问题很容易。1918年人们就提出了第一个统一引力和电磁力的建议,以后越来越多。只要我们忘记自然是量子力学的,这些理论表现都不错。如果把粒子物理学从图景里拿出去,统一理论是很容易构造的。但如果要把量子理论包括进来,问题就困难得多。因为引力是四种基本自然力之一,我们必须在解决这个统一问题的同时解决量子引力的问题(即问题1,融合广义相对论与量子理论)。
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1700942934 在上个世纪,我们略微简化了对世界的物理描述。就基本粒子而言,似乎只有两类:夸克和轻子。夸克是质子和中子的成分,我们发现的许多粒子也和它们相似。轻子一族囊括了所有非夸克构成的粒子,包括电子和中微子。总之,已知的世界可以用六种夸克和六种轻子来解释,它们通过四种力发生相互作用:引力、电磁力、强核力和弱核力。
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1700942936 12种粒子和4种力就是我们解释世界万物所需要的一切。我们对这些粒子和力的基本物理学也十分清楚。我们的认识形成的那个理论,解释了所有的粒子和所有的力,但引力除外。那就是基本粒子的标准模型——简称标准模型。这个理论没有先前说的无穷大疑难。我们想计算的任何东西,都能得出有限的结果。自理论建立30多年来,许多预言都经历了实验的考验,每次都得到了证实。
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1700942938 标准模型建立于20世纪70年代初。除了发现中微子有质量而外,它不需要什么修正。那么,物理学为什么到1975年还没大功告成呢?还有什么没做呢?
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1700942940 标准模型尽管有用,却有个大问题:可调节的常数太多。当我们陈述理论的一个定律时,必须确定这些常数的值。可根据我们当前的认识,任何数值都可以,因为不管我们为常数赋以什么数值,理论在数学上都是和谐的。这些常数决定了粒子的性质。有的决定夸克和轻子的质量,有的决定力的强度。我们不知道为什么常数有那些值;我们只是做实验把它们确定下来。如果你把标准模型看做一台计算机,那么常数就是键盘,你可以把它放在你喜欢的任何地方,而不会影响程序的运行。
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1700942942 这样的常数大约有20个,一个所谓的基本理论有那么多可以自由调节的常数,是很令人尴尬的事情。每个常数都代表某个我们不知道的基本事实:什么物理原因或机制决定着那些常数有那样的观测值?
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1700942944 这是我们的第四个大问题:
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1700942946 问题4:自然是如何选择量子物理标准模型中的自由常数值的?
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1700942948 我们真诚地希望某个真正的粒子和力的统一理论能给问题一个唯一的答案。
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1700942950 1900年,英国大物理学家汤姆逊(William Thomson,即开尔文勋爵)曾公开宣称物理学到头了,例外的只是漂浮在远方地平线上的两小朵乌云。那“乌云”的背后竟然藏着量子论和相对论。现在,尽管我们欢呼标准模型加广义相对论囊括了所有已知现象,我们仍然明白还有两朵乌云,即暗能量和暗物质。
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1700942952 除了它与量子的关系问题,我们认为已经很了解引力了。从地球的自由落体和光,到行星及其卫星的运动,再到星系和星系团的尺度,所有这些观测都在很高的精度上证明了广义相对论的预言。过去认为奇异的现象——如引力透镜(物质对空间的弯曲效应)——现在我们已经习以为常,而且用来测量星系团的质量分布。
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