Don Lincoln: 物理学最大的谜团：反物质、暗能量与万物理论 – 唐·林肯

莱克斯·弗里德曼介绍唐·林肯：他是费米国家加速器实验室（Fermilab）的粒子物理学家，数十年来一直在高能物理前沿工作。弗里德曼把他比作理查德·费曼，说林肯能把非常复杂的思想讲得简单明白，同时不丢掉其核心的关键洞见。

弗里德曼围绕寻找万物理论来展开这场对话。他借用了林肯本人的说法：“物理学的历史可以很有效地讲成一部统一的历史”。这是一项长达几个世纪的努力，至少可以追溯到牛顿，目的是证明看似各不相同的现象由统一的底层原理联系在一起。林肯同意把这段历史梳理一遍。

林肯先做了一个限定。他说，“做物理的方式有很多种”，但粒子物理学家和宇宙学家的做法，是找出支配自然规律的底层原理。

林肯请听众想象自己是大约17世纪50年代最聪明的人。你会注意到两件毫不相干的事。绊倒时你会摔下去，这是日常生活中对引力的体验。仰望天空时，你会看到恒星在天幕上列队行进，行星在群星之间穿行。第二种现象似乎与“你的三明治掉到地上、被狗一口叼走时发生的事情毫无关系”。

也许月球也在下落，只不过它总是错过了地球。

林肯称这是牛顿的关键洞见。他说，在1650年左右，实际上存在两套定律：支配天界的天体引力，和支配地球的地面引力。如今我们只说“引力”，但在当时，两者之间的联系“一点也不明显”。他指出，牛顿“万有引力定律”里之所以有“万有”（universal）这个词，正是因为牛顿意识到两者是同一回事。林肯称牛顿“可以说是我所知道的最聪明的人之一”，并把这描述为物理学中第一次能用现代人听得懂的方式简单表述出来的统一。

林肯指出，这个故事还可以进一步追溯到化学和原子的本质，一直追溯到德谟克利特。他说德谟克利特“在很多事情上都错了”，但他正确地认为物质存在一种最小的微粒形式。他举例说明了这些错误：德谟克利特设想油的最小原子是光滑的，因为油是光滑的；他设想醋的原子是“尖尖的、带刺的小东西”，因为醋味道酸、扎舌头。林肯强调，尽管“存在最小粒子”这一核心思想延续了下来，现代的原子概念与德谟克利特的原子概念已经大不相同。

林肯所说的第二次统一始于1830年左右。当时的科学家面对的是两种常见现象。磁体大多是一小块一小块被磁化的铁，能吸在钢上。电指的是为了做实验或玩耍而产生的小火花，或者更广义地说，是划过天空的闪电。他说，闪电和小磁铁“看起来真的毫无关联”。

在整个19世纪，许多科学家各自探索了这种联系的一小部分。例如，让电流通过导线似乎会产生磁场。林肯没有点出这些研究者的名字，只说“有很多人名”。然后，大约在19世纪60年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦把此前50年里逐渐酝酿的各种想法整合起来，写下了电磁学定律。林肯指出，这些是微分方程或积分方程。他说，基本上，方程的一边是与电有关的项，另一边是与磁有关的项。

电等于磁。

林肯把这句口号说成一种刻意的简化，是“把所有数学符号都抛开”之后得到的。他称这是一个惊人的概念：一道闪电，和把孩子的画固定在冰箱上的那块磁铁，竟然是同一回事。至此，他举出了两个统一的例子：地面引力与天体引力的统一，以及电与磁合而为电磁学。

林肯解释了这一理论的覆盖范围，他把它的年代定在“1860年或70年”。如果拿来麦克斯韦方程组，“再用上一点微积分”，电和磁的定律就会合并成一个波动方程。它表明电场和磁场会振荡，并以波的形式传播，而数学给出的这种波的速度正是光速。林肯给出了他自己有所保留的判断：这对当时的人来说“想必，我认为，非常有说服力”。他补充说，电磁学在化学中起着重要作用，因为原子是靠电磁力结合在一起的。他谨慎地指出，“原子的运作方式不止于此”，还涉及量子力学。不过，如果电磁力不存在或者大不相同，原子也会大不相同。

我会拥有某种统一理论，能够解释所有能量、物质、空间和时间的全部行为，这是一个宏大的目标。

弗里德曼把这个目标放到更广阔的科学视野中。他说，在物理学之外，科学的目标之一是“构建能够对世界进行概括的模型”。他称达尔文进化论是一个非常优美的理论，捕捉到了现实的另一个层面；他还把物理学的万物理论描述为捕捉了宇宙如何运作的另一个抽象层次。

林肯同意进化论非常了不起。他说，人类基因与香蕉基因之间存在显著重叠，这一点“相当惊人”。但他把自己这类科学家的视角描述为一条解释链：生物学中发生的一切，都由分子的运动引起；分子之所以那样表现，是因为它们由原子构成；原子之所以那样运作，是因为原子核和电子，而原子核又由质子和中子构成。他把自己归入那些想要“一直挖到最最底层”、找到自然界最小构成单元的人。

这就好比手里有一大堆乐高积木，却不知道该怎么把它们拼起来。

林肯用乐高的比喻承认，单纯罗列一份粒子清单是有局限的。知道最小的构成单元“并不能告诉你整个故事”。你还需要知道它们如何相互作用，这就是物理学家研究力的原因。他举电磁力为例，说明一种力可以有很广的解释范围：它能解释电、磁、光的运作方式，以及“化学的大部分内容”。

林肯请求允许他“小小地发表一番个人主张”。他回忆说，人们曾经问：“你们摆弄磁铁和火花干什么？”他的回答是，基础研究会带来衍生成果，而驾驭电磁学的一大衍生成果就是“我们整个技术社会”。他举例说：人们能通过互联网收听这期播客，或者简单来说，是因为电力在驱动着电脑。

如果没能驾驭电，我们现在还会是农夫，以及城里的鞋匠。

他更宏观的观点关乎时间尺度：深入探究那些深层的、基础的、尚未被理解的神秘事物，能够在“一百年或两百年之后”改变世界。

林肯坦率承认，这一论证用在他自己的领域上有其局限。当人们问，了解原子内部或夸克如何运作有什么用时，他说：“我不知道这个问题的答案。”他转而给出一个更务实的历史案例。大约一百年前，人们试图弄清质子和中子如何在原子内部结合在一起、如何分裂，以及如何能被结合起来。这项工作催生了核能。在政策问题上他保持中立，指出“有些人喜欢它，有些人不喜欢”，但他说核能威力巨大，将为人类产生能源。他把这作为一种可能性而非预测提出：随着人类逐步摆脱化石燃料，“也许那就是我们会走的路”，因为无论如何人类都会需要电力。

林肯补充说：“没有人会回到18世纪那样的生活。”改变原子核这件事，曾经看起来与任何事都毫无关系，如今却成了一个巨大的能源，“只要我们愿意”就可以利用。他附加了一个条件：利用它需要仔细思考该怎么做，以及我们究竟想不想这样做。

弗里德曼称核聚变和核裂变是明确的、近期可行的途径，能够释放一个文明繁荣所需的大量能量。随后他转向更长远、且明确带有推测性质的可能性：暗能量（他提到了“暗能量危机”，说对话稍后再谈）以及反物质。他说，“也许”解开围绕反物质的谜团，能带来产生能量的方法，而且它“可能会带来违反直觉的推进系统”。

在这一段开头，莱克斯·弗里德曼设想，基础理论物理学的进展有朝一日或许能帮助人类在宇宙中旅行。他承认这个想法目前看来遥不可及，太昂贵、太复杂、太困难。尽管如此，他提出，这样的突破可能会解锁新的能源和用于探索的技术。他也补充了一句告诫：就像所有技术一样，这些进展很可能也会带来更危险的武器或其他危害来源，文明必须努力让它们带来的好处多于坏处。

唐·林肯表示同意，但换了一个角度看待这种担忧。他承认核武器非常危险，核能也会产生必须处理的废料。不过在他看来，科学与其说是在制造新的危险，不如说是在发现自然界本来就提供的力量，而这并不是什么新鲜事。他指出，火就是同一种两难处境最古老的例子。

火能烧掉你的房子，也能烤熟你的牛排。

林肯由此得出一种责任划分：科学家负责弄清自然如何运作，但如何使用这些知识的决定属于每一个人。他认为，关于科学的讨论必须让整个社会参与，因为“科学家能做的是弄清世界如何运作。社会必须决定我们希望如何应用它，或者不应用它。”

弗里德曼随后为纯粹出于好奇的探索辩护，说解开宇宙之谜“酷得要命”，林肯表示赞同。弗里德曼把追问“这东西是怎么运作的？”说成是让我们成为人类的部分原因。按他的说法，一群群“猿类”对着世界东戳戳、西摇摇，最终造出了火箭、道路、桥梁和互联网。接着，他把对话中关于统一的这条线索（此前已经讲到了牛顿和麦克斯韦）推进到20世纪和爱因斯坦，而爱因斯坦正是林肯一本著作的主题。

林肯从爱因斯坦1905年的“奇迹年”讲起，那一年爱因斯坦写了好几篇论文。其中最著名的是狭义相对论，它表明两个人对时间的体验是不同的。林肯说，这个结果“对于没有下大力气深入钻研过的人来说，完全讲不通”。他还承认物理学存在一个根本空白：“我们其实并不真正理解时间是什么，这很奇怪。”他说，物理学家对时间了解很多，但并不真正理解它。

牛顿把时间视为普适的：对这里的人、火星上的人或半人马座α星上的人来说都一样。爱因斯坦则表明，以不同速度相对运动的观察者，对时间的体验是不同的。林肯称这“绝对是一个令人震撼的概念”。

林肯随后纠正了一个常见的看法。许多人认为是爱因斯坦发明了时空，也就是空间与时间是同一回事的观点。林肯说，这一洞见实际上来自闵可夫斯基；他形容闵可夫斯基是爱因斯坦的老师之一，“比爱因斯坦更偏数学一点”。闵可夫斯基注意到，在爱因斯坦的方程中，一个人的空间和时间等于另一个人的空间和时间乘以某些数。林肯把闵可夫斯基完整提出时空概念的时间定在1908年。

林肯解释了为什么这个观点让人难以接受。人们对时间有一种“本能层面和经验层面”的认识，即使他们对时间并没有正式的理解。时间是“让今天成为今天，而不是昨天或明天”的东西。空间给人的感觉则不同，因为你可以走到某个地方，再走回来。用他的话说：“你总是可以在时间中向前走。只是往回走，结果发现要稍微难一点。”他说，认识到空间和时间“差不多是同一回事”，让所有人都以非常不同的方式来思考这个世界。

当弗里德曼说这项工作得出了光速是速度上限的结论时，林肯澄清说，光速不变是一个前提，而不是一个结果。他描述了两个前提：

自然定律对每个人都是一样的，因此两个彼此相对运动的人中，任何一方都可以说自己才是静止的那一个。林肯称这是没有争议的伽利略相对性原理，一个已有数百年历史的观点。 每个人测得的光速都相同，无论他们彼此之间如何相对运动。林肯说，这才是有争议的部分，而且与牛顿、伽利略“或者任何那些老前辈”会说的话截然不同。

林肯说，这两个前提结合在一起，就产生了“狭义相对论的所有怪异之处”。他承认，怀疑者可能会说第二个前提“简直是蠢”，并表示这正是检验之所以重要的原因。他区分了两类证据。起初，支持是间接的：建立在这两个假设之上的方程能“完美地”预测一切事物的行为，而且因为“预测是对的，所以假设是对的”。直接表明光速对每个人都相同的实验是后来才出现的。

接着，他描述了粒子物理学家如何进行直接测量。一些亚原子粒子在衰变时会发出光。研究人员让两样东西相撞，由此得知粒子是在什么时候产生的，并在碰撞点周围布置探测器。然后，他们测量光到达探测器需要多长时间。当粒子静止时，光以光速到达，“这正是它应该的样子”。

关键的对比用的是以高速离开碰撞点的粒子，林肯说，这些粒子在衰变成光子之前，速度达到“光速的百分之九十五或九十七，或者说光速的很大一部分”。如果爱因斯坦的猜想是错的，按林肯的说法，这类粒子发出的光应该以“比如两倍光速之类的”速度传播，并在大约一半的时间内到达探测器。事实并非如此。运动粒子发出的光仍然以光速到达。

林肯称这是“一项硬核、严肃的测量”：静止时产生的粒子发出的光，和运动粒子发出的光，都以光速传播。他指出了一个历史局限。这种测量“在爱因斯坦的时代是做不到的”，因此爱因斯坦的前提起初依靠的是它成功的预测，而不是这种直接检验。

弗里德曼问，在“物理学这门学科完整的怪异程度排行榜”上，这个速度上限排在什么位置。林肯承认，他第一次接触到它时，觉得它“真是怪得要命”，说它“让怪异度表直接爆表”。他说，一旦你把光速看作“光穿过时空的速度”，这个观点就变得容易接受了。他说，那样一来，一切就顺理成章得多。

林肯给出了他自己的诠释，并明确说明这是他个人的看法（“这就是，这就是我的看法”）。在他看来，存在一个终极速度并没有那么令人震惊。它只是空间的一种属性，就像空间能够传递一定强度的电场、能够支撑某些东西一样。他坦率地说明了哪些仍然是未知的：

不管空间是什么，我们并不知道空间是什么，但不管它是什么，它都有能力以那一个速度在空间或时间中传递这些东西，而其他的一切，都来自我们坚持要把空间和时间区分开来。

弗里德曼解释了他提这些问题的用意。他想设想一下，在空间和时间被统一之前生活是什么感觉，并判断那次飞跃有多难。林肯用一个词回答：“巨大。”弗里德曼把这一点和当下联系起来。21世纪的物理学也需要类似的飞跃，所以他问，有哪些统一就“在我们眼前”，而我们却没能看到。

弗里德曼以保罗·狄拉克为例，这位人物经常出现在林肯的著作和讲座中。狄拉克认真对待反物质，是因为数学指向了它，弗里德曼说这“听起来简直疯狂”。林肯表示同意。弗里德曼称时空统一是“一个不错的热身”，因为在他看来，20世纪变得“越来越怪，甚至爱因斯坦本人也是如此”。

林肯用化学中“一个更基础的例子”来回应。钠是一种会爆炸的金属；放进水里，它“不完全是爆炸，但会变热，还会到处乱蹦”。氯是一种“会要你命”的气体。两者结合，就成了人们撒在食物上的盐。林肯用这个例子同时说明统一和更深层的理解：两种危险的物质变成了“不仅无害，而且是人类生命所必需”的东西。他的结论是：“你描述的这种情况并不罕见。”

林肯补充说，我们告诉孩子世界是由原子构成的，尽管大多数人从未见过原子，他称这“很疯狂”。他认为，人们接受原子主要是出于熟悉：文化慢慢接受了这个观点，于是它对人们来说变得真实，“即使没有证据”。他随即对此加以限定。他称“我们怎么知道原子存在？”是一个合理的问题，这是在提及他那门关于“我们如何知道我们所知道的”的课程，并说“我们确实有办法知道”。在这一部分里，他没有描述这些办法。

最后，弗里德曼请林肯讲一讲，物理学家是如何一路识别出宇宙的基本构成单元，直到夸克的。他描述了这样一条路径：从由来已久的关于原子的哲学观念，到他所说的证明或强烈表明原子存在的观测，再到原子核、电子、光子和夸克。他指出，这“变得越来越怪”，而当前的一个谜团是，是否存在比这些还要小的构成单元。

莱克斯·弗里德曼以一个鲜明的观点开启了这一段。他认为爱因斯坦“应该得三个诺贝尔奖”：一个是他因光电效应获得的那个，另外再加上狭义相对论和广义相对论各一个，弗里德曼把这两者视为各自独立的成就。他称广义相对论没有获奖是“一桩反人类的罪行”。随后，他把广义相对论说成“又一次统一”，由此引出了这场对话的主题。