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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950071]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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2007年2月，诺贝尔奖获得者、理论物理学家默里·盖尔曼在美国加州召开的TED大会上发表演讲。TED大会每年召开一次，与会者在各种主题上发表自己的新想法，是一次在科学、技术、文学、娱乐以及其他前沿领域中分享创新理念的盛宴。盖尔曼那万人空巷的演讲获得了全场观众的起立鼓掌，他演讲的主题是关于科学中的真与美。演讲的基本前提可以很好地用他的话总结——恰好呼应英国诗人约翰·济慈（John Keats）的诗：“真即是美，美即是真。”[62]
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盖尔曼有很好的理由相信这个伟大宣言。他的重要发现足以令他获得诺贝尔奖，其中有一些是关于夸克的，他掌握着可以把20世纪60年代实验中发现的看似随机的数据优美地组织起来的基本原理。在默里的亲身经历里，对美（或者至少是简洁性）的追寻也催生了真理。
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听众中没有人质疑他的观点。毕竟绝大多数人喜欢美与真理相伴的想法，因此寻找一个往往会揭示另一个。但我总是觉得这个假设有一点不可靠。虽然每个人都相信伟大的科学理论的核心是美，并且真理永远在美学上是令人满意的，但是美从某种程度上来说，是一个主观标准而非真理的可靠裁决者。
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在真理与美的评判中，基本的问题是：该判定不是一直成立的，只有时机合适时才成立。如果真理与美等价，那么“丑真理”就永远也不会进入我们的字典里。尽管这些话不是专门针对科学，我们对世界的观察也并不总是美的。达尔文的同事托马斯·赫胥黎（Thomas Huxley）很好地总结了这种观点。他说：“科学是整理好的常识，许多美的理论都被丑陋的事实给扼杀了 。”[1]
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让事情变得更难的是，物理学家必须接受“宇宙和它的元素不全都是美的”这个令人不安的事实。我们观测到过很多我们想要理解的杂乱现象。在理想情况下，物理学家很想发现一个简单的理论，它仅仅需要很少的规则与最少可能的基本元素，就能揭示所有的结果。但是即使在寻找最简单、优美、统一的理论的过程中——该理论可以用来预测任何粒子物理学实验的结果，哪怕我们找到了这种理论，我们也需要众多步骤才能将它与现实世界相联系。
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宇宙是如此复杂。在我们将一个简单、备用的构想联系到更复杂的周遭世界之前，我们还需要有新的元素和原理。这些附加的元素可能会破坏初始设定的构想中的美感，就像特殊条款经常会干扰国会法案理想的立法初衷。
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由于存在失败的可能性，我们如何尝试去超越我们所知道的？如何诠释目前还没有解释的现象？本章将阐述关于美的概念以及审美标准在科学中担当的角色，以及将美作为指导原则的优缺点。本章同时会介绍建模知识，它采用一种自下而上的科学研究方法并且兼顾美学标准，来猜想接下来会被发现的理论。
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美
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我最近与一位艺术家聊天，他幽默地评论当代科学的一个巨大讽刺是，今天的研究者看起来比时下的艺术家更有可能将美作为他们的目标。当然艺术家们并没有遗弃美学标准，但是他们在讨论工作的同时还会讨论发现与发明。科学家们虽然也珍视其他属性，但他们同时致力于发现最引人注目的优美理论。
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尽管许多科学家对于优雅的评价很高，他们关于简单与美却有不同的定义。就像你与邻居就当今艺术家，例如达明安·赫斯特（Damien Hirst）的才华有着强烈的分歧一样，不同科学家对不同的科研方向也有着各自的喜好。
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与志同道合者一样，我倾向于寻找能将观测到的表观不同的现象联系起来的基本原理。我的绝大多数弦理论同行研究具体的可解理论，他们会使用艰深的数学公式解决玩具问题（toy problem）——不必与真实的物理设置相关联的问题，那些只有以后才能被发现可以应用于观测到的物理现象的问题。其他物理学家则倾向于关注仅有简洁优雅公式的理论，这些理论可以产生许多他们可以进行系统计算的实验预测。
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有趣的原理、高级数学与复杂的数值模拟都是物理学的一部分。绝大多数科学家很重视它们，但是我们根据自认为最满意或者最可能引领科学发展的事物选择最优的。事实上，我们常常按照哪一种方法与我们独特的偏好和天赋相契合，来选择它们。
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不仅当前的审美观点会变。与艺术一样，随着时间流逝，连态度也会演变。默里·盖尔曼的专业——量子色动力学，就是一个极好的例子。
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盖尔曼关于强相互作用力的猜想基于一个天才的洞察力——20世纪60年代不断发现的粒子可以被组织成一个合理模式，以此来解释它们的丰度和类型。他假设存在更多被称为夸克的基本粒子，认为它们带一种新型的电荷。这样，强相互作用力就会影响任何携带该种假想电荷的物质（就像电相互作用将电子和带电原子核结合起来，形成电中性原子）。如果这是真的话，那么所有被发现的粒子就可以被理解成这些夸克的束缚态（聚集在一起的不带净电荷的物质）。
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盖尔曼意识到，如果有三种不同类型的夸克，其中每种夸克带一种不同的色荷（color charge），那么它们可以形成有许多种组合的中性束缚态。这些组合的确对应于实验发现的过多粒子。盖尔曼从而发现了看起来杂乱无章的粒子的一种优美解释方法。
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然而，当盖尔曼以及另一位物理学家（后来的神经生物学家）乔治·茨威格（George Zweig）第一次提出这个理论时，人们甚至不相信这是一个正式的科学理论。其原因虽然是出于技术考虑，却也很有趣。粒子物理学的计算依赖于距离很远、没有相互作用的粒子，当粒子接近时，我们能计算其产生的相互作用的有限效应。在这种假设下，任何相互作用都可以完全被非常相近粒子的区域相互作用刻画。
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另一方面，盖尔曼猜想的相互作用在粒子进一步分开时反而变得更强了。也就是说即使夸克相距较远时，它们也会相互作用。根据当时占统治地位的标准，盖尔曼的猜测甚至没有对应到一个可以用来做可靠计算的真实理论。因为夸克总是相互作用，即使所谓的渐近态（asymptotic state，夸克远离任何其他物质的状态）也非常复杂。在一个明显的向丑让步的情况下，他们所提议的渐近态不是一个你希望看到的可计算理论中的简单粒子。
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起初，没人知道如何在这些复杂的强束缚态中开展计算。然而，今天的物理学家关于强相互作用力的想法截然相反。我们现在的理解比该想法刚提出之时已经好得多了。戴维·格罗斯、戴维·普利泽（David Politzer）与弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek）因其名为“渐近自由”（asymptotic freedom）的研究获得诺贝尔奖。在高能时，强相互作用力并不比其他相互作用的耦合更强，前者的计算工作与后者类似。事实上，一些物理学家今天认为，在高能时耦合变弱的理论（例如强相互作用力）才是唯一合理定义的理论。因为相互作用的强度在高能时不会达到无穷大，而其他理论的强度则可能达到无穷大。
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盖尔曼有关强相互作用力的理论是一个联系美学与科学准则的有趣例子。简洁性是他最初的指导原则。但在每个人都认同他的这个美的提议之前，还需要有艰难的科学计算和理论洞见。
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当然，这不是唯一的例子。我们所相信的许多理论都有着表观丑陋和毫无说服力的方面，甚至受人尊敬、卓有成就的科学家最初也反对它们。量子场论（将量子力学和狭义相对论结合起来）是所有粒子物理学的基本理论。而诺贝尔奖获得者、意大利科学家恩里科·费米等一开始也反对它。对于他来说，尽管量子场论将所有的计算正规化与系统化并且作出了许多正确的预测，然而它涉及的许多计算技巧，哪怕在今天的一些物理学家看来也是非常怪异的。量子场论在不少方面都相当优美，且其洞见也引人注目。不过，我们必须忍受它的其他复杂、不甚让人满意的特点。
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这种故事已经重复了很多次。美被认可经常是后验的。弱相互作用力违背了宇称守恒。这意味着，向左旋转的粒子的相互作用与向右旋转的不同。这种左右等价的基本对称性的破缺令人烦恼，且毫无吸引力。然而正是这种不对称性催生了我们在世界上所看到的不同质量类别，它们对这个世界的构成、生命的形成也是必要的。起初它被认为是丑陋的，而现在我们知道它是必不可少的。虽然它自身可能很丑，但是宇称破缺让我们对所见之物有了更至关重要、更优美的解释。