'諾貝爾物理學獎得主大衛·格羅斯：物理學完全沒有危機'

本文刊載於《三聯生活週刊》2019年第31期，原文標題《我們無法和自然界辯論》

在人類完成基本模型的過程中，格羅斯的貢獻不可謂不大。很多物理學家認為他在最關鍵的時刻拯救了量子場論，讓人們對這個基本的理論框架仍保持信心。

主筆/苗千

諾貝爾物理學獎得主大衛·格羅斯

大衛·格羅斯（David Gross）自幼跟隨父親從美國搬到以色列生活。從希伯來大學物理系畢業之後，他返回美國進入加州大學伯克利分校進行博士研究。在高能物理學領域新發現層出不窮的20世紀60年代，20多歲的格羅斯幸運地身處理論物理學研究的中心，試圖在紛繁複雜的新粒子和新發現之中找到一個可以描述原子核內部運動規則的理論。

當時太多的新發現讓很多物理學家感到無所適從，不知道該在哪些實驗數據中尋找突破口。也正是因為數據過於龐雜，很多物理學家失去了信心，認為人們難以在亞原子領域發現可靠的理論，進而對理論物理學的基本框架——量子場論產生了懷疑。此時，格羅斯憑藉著物理學家敏銳的直覺，在紛繁複雜的實驗中分辨出最重要的線索，終於做出了開創性的發現。

格羅斯的發現被稱作“漸進自由”（Asymptotic Freedom），用以描述自然界中的基本力之一——原子核內的強相互作用。格羅斯發現，質子和中子等粒子由夸克構成，而夸克之間通過強相互作用結合得非常緊密，無法被分離成單個粒子。夸克之間的相互作用類似於拉扯一個橡皮筋：距離越靠近，強相互作用力就變得越微弱——當夸克之間的距離非常近時，強相互作用力也就會變得極其微弱，在這種狀態下夸克表現得就如同自由粒子一樣。這正是“漸進自由”一詞的由來。

“漸進自由”的發現完成了量子色動力學（Quantum Chromodynamics，簡稱QCD），使人類可以描述粒子在原子核內的運動規律，也促成了基本模型（Standard Model）的最終完成。基本模型是人類至今為止發現的最準確、也最完整的描述宇宙構成和運動規律的理論模型。在人類完成基本模型的過程中，格羅斯的貢獻不可謂不大。很多物理學家認為他在最關鍵的時刻拯救了量子場論，讓人們對這個基本的理論框架仍保持信心。2004年，格羅斯和他的學生弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）還有休·波利策（Hugh Politzer）一同獲得了諾貝爾物理學獎。

格羅斯也是弦論（String Theory）的開創者之一。多年來他一直試圖通過弦論建立一個包含引力在內的“大統一”理論，不過他對弦論的看法也在隨著時間逐漸改變。

格羅斯堪稱一位良師，同時也是一個優秀的管理者。在他的學生中除了有諾貝爾獎得主，還有一位弦論和量子場論的頂尖專家、菲爾茨獎得主愛德華·威騰（Edward Witten），格羅斯也曾擔任卡維利理論物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics）所長。

幾十年的時間裡，物理學已經發生了怎樣的變化，前景如何，物理學研究又面臨著哪些考驗？面對這些問題，格羅斯在加州聖芭芭拉卡維利理論物理研究所自己的辦公室裡接受了本刊的採訪。

2004年，格羅斯的學生弗蘭克· 維爾切克與他一起獲得了諾貝爾物理學獎（視覺中國供圖）

標準模型是一個非常準確的理論

三聯生活週刊：你發現的“漸進自由”促進了量子色動力學和標準模型的最終完成。在標準模型完成之後，你認為物理學研究最大的突破是什麼？你最期待接下來在哪個領域能夠取得突破？

格羅斯：在標準模型完成之後，物理學在很多方面都取得了突破，當然還沒有和標準模型同一等級的突破——因為標準模型已經被很多實驗嚴格證明了。現在有很多的理論預測，我想有些預測是走在了正確的方向上，但我們尚且無法通過實驗來證實。標準模型是一個非常準確的理論，你可以通過它做出非常精確的預測。

正是因為標準模型已經非常的準確和完備，也就說明你需要在理論方面做出非常準確的預測才能超越標準模型。目前看來，一些理論預測相比於標準模型來說，誤差還是太大了。有很多人專注於發展一些理論模型，其中最重要的就是把引力納入到整個理論框架中來，發展出相對論性的量子力學。在這個領域，有可能出現很多的理論性突破，但它們目前都只和實驗數據有非直接的聯繫。目前對於理論學家們來說是一段艱難的時期，因為我們沒有太多的線索，也沒法從實驗結果中做出太好的判斷。

在物理學的其他領域也取得了很多突破，但是從基礎物理學領域來說，人們目前所取得的突破都是推測性的——雖然我認為這些推測都走在了正確的方向上，但是在物理學中最終還需要通過實驗來證實。比如說弦論就已經加深了我們對於引力和時空本質的理解。

我希望物理學下一個大的進展是來自實驗的突破，能夠驗證我們做出的某些預測，告訴我們關於暗物質的性質——暗物質不在標準模型的描述之內，關於它的性質人們有很多推測，但是目前我們都還不確定。

三聯生活週刊：在20世紀60年代，你還是加州大學伯克利分校的研究生，當時不斷有大量的新數據和新粒子被發現。而現在的情況似乎完全相反，我們有太多的理論，但是自從希格斯玻色子之後，就再沒發現任何新粒子。物理學家該怎麼應對當今的局面？你認為這樣的形勢還會持續很久嗎？

格羅斯：只能盡力而為，因為你別無選擇。我在伯克利做研究生時，人們發現了很多不同種類的新粒子，夸克和強子都是非常重要的發現——那真是一段令人激動的時光。但是除了其中一些非常明顯的對稱性和模式，我們當時完全不瞭解其中的複雜性。

現在的情形似乎與當時完全相反，新的發現相對來說很少，但是理論學家們沒的選擇，因為這就是大自然。你必須讓自己的研究方式適應時代。在那個時代，很多人拋出各種各樣的想法來適應各種各樣的實驗數據，但是這樣做並不成功——當實驗數據太多的時候，就不知道該怎麼做，也不知道哪個發現才是真正重要的，哪個發現其實無足輕重。一個人可能會把注意力放在不重要的細節上，而不是真正重要的發現上。

我取得成功的一部分原因，正是因為我把注意力集中在了最重要的實驗上，也就是發現了深度非彈性散射實驗中的點狀結構，當時大多數人都沒有注意到這一點。這個發現令人激動，但這和當時的模型以及人們的解釋並不相容，實際上這是核力的一個很重要的特性，最終導向了量子色動力學。當我們最終發現了量子色動力學，一切就變得非常清晰了：關於各種亞原子粒子，原子核，它們之間的相互作用，都可以用同一套理論來解釋了。在將近40年之後，我們對於很多細節理解得更詳細了。

現在我們可能取得突破的線索很少，但是有些線索非常重要，有些來自於理論，有些來自於可觀測的實驗。但是還有一個基礎性的問題，這也是自然界的一個特點——我把它叫做“指數的詛咒”（Curse of Logrithms）。也就是說，現在我們在研究越來越短的作用距離，頻率和能量都變得越來越高。在這個領域，自然界的規則發生了改變，但是人類探索越來越短的作用距離的花費則越來越高（呈指數級增長），物理學的變化與探索所需花費的代價不相匹配。

我們知道在短距離內的一些相互作用一定會發生變化，但是這遠遠超出了我們的觀測範疇。在過去的100年裡，可以說物理學家是幸運的。當他們開始理解量子力學、原子的結構和電動力學，他們就能夠理解所有的原子和分子物理。但是從這裡繼續出發，想要理解原子核內部的作用力，相互作用的距離就只是之前的百萬分之一。在這個尺度上有很多細節，很多粒子，有強相互作用、弱相互作用等等。在這個領域進展更慢了，也更難了。

這就是生活，我們沒有選擇，只能試著改變策略，更努力，儘量聰明一點，保持思路開闊。現在我們剛開始探索支配希格斯玻色子的弱相互作用，不知道這個階段會持續多久。基礎物理學研究本身就是一種探索，我們什麼都無法確定，歷史裡也總是充滿了驚奇。大型強子對撞機在發現了希格斯玻色子之後一直都令人失望，因為沒有發現更多的新粒子——我們無法和自然界辯論。

三聯生活週刊：你的發現描述了夸克的運動規律。你是否認為夸克是構成物質最基本的粒子？或是還有更加基本的粒子構成夸克？

格羅斯：看上去並沒有更基本的粒子了，當然這樣的想法無法解決任何實際問題。在弦論中，粒子只是一種近似，所謂的粒子都是一些極小的弦——這是一種完全不同的內部結構。比如說，原子核中的質子由三個被量子色動力學所支配的相互作用的夸克組成，而在弦論中，所有的粒子都是由被激發的弦構成，這就有了更豐富的結構，也有了更多的狀態——我想這更可能是微觀粒子的構成方式。從實驗和理論層面，都沒有證據顯示在夸克或是電子中還包含著更基礎的粒子。

物理學沒有危機

三聯生活週刊：目前物理學是否處於危機之中？在暗物質研究、暴漲理論、超對稱理論、弦論等很多領域，多年來都沒有進展。10年前的物理學家是否要比現在更樂觀一些？

格羅斯：物理學完全沒有危機，我們取得了極大的成功。可能有人會認為，物理學的問題就在於我們太過於成功了。物理學家們在眾多開放性的問題和新現象的研究中非常活躍。目前我們已經擁有的描述亞原子核領域的理論也是非常成功的，這怎麼能說是危機呢？人們使用“危機”這個詞，是因為我們對某個問題一無所知，或者我們已經理解了一切，還想了解更多，比如暗物質。目前人們對暗物質還一無所知，但這不是一個危機，這是一個機遇。

非常奇怪的是，一旦我們遇到了什麼問題，人們就喜歡用“危機”這個詞。實際上自然界中有的問題容易理解，有的問題難以理解。很多問題非常複雜，需要很長時間去理解。比如說人們花了100年的時間才觀測到引力波，但這並不是一個危機，而是機會，現在引力波已經成了人們觀測宇宙的新工具。在前些天，人們終於直接“看到”了黑洞，之前又有誰能想象到我們能做到這一點？所以說，不斷有新的問題湧現出來，但是沒有危機。

人們總是會在樂觀和悲觀之間搖擺。當一個想法被證明是錯的，人們就悲觀一些，當某個想法被驗證了，人們又會變得樂觀。任何極端化的情緒一般來說都是錯誤的，悲觀主義者通常也是錯誤的，因為他們無法想象還有更新的想法，新的實驗；樂觀主義者通常也是錯誤的，他們希望能夠一次觀測和理解一切。物理學家們非常容易陷入到一種極端化的態度中。即使是同一群人，也可能隨時在樂觀主義和悲觀主義之間轉換。大多數物理學家是樂觀主義者，因為如果你太過悲觀的話，就會離開物理學研究了。

科學研究是很困難的，人們需要樂觀主義精神來解開自然界的謎題。讓我們回顧過去，看看我們已經理解了多少——在過去的100年裡，我們通過量子力學理解了原子、亞原子、核力等等很多方面。在100年前，我們對宇宙一無所知，我們不知道宇宙的歷史，不知道星星為什麼閃亮。現在我們幾乎已經描繪出了宇宙137億年的整個歷史。這些都是在100年裡發生的，我們怎麼可能感到悲觀呢？

三聯生活週刊：人們樂於談論物理學的“革命”。你也說過，物理學需要一場革命。你如何定義物理學的革命？人們又該怎樣才能發起一場物理學革命？

格羅斯：這不是一個非常精確的詞。所謂的“革命”，通常是指我們一些最基礎的假設被改變了。比如說量子力學從很多層面來說都是物理學最大的革命。在20世紀裡，標準模型相比之下就不算太具有革命性，因為它是建立在量子力學和相對論的基礎之上的。目前我們開始對一些問題有了更好的理解，這些問題和引力有關。引力是一種宇宙中普遍存在的奇怪的力，而量子引力會把引力和其他相互作用統一起來。很多人認為，想要做到這一點，就必須對我們之前一些最基本的想法和概念，比如空間和時間，做徹底的改變。

大多數的物理學革命都是由實驗觀測引起的。但是也有可能從理論層面展開，比如說愛因斯坦的引力理論就是首先從理論層面開始的。愛因斯坦把相對論應用到了引力中，讓我們對於引力和時空的概念都發生了革命性的轉變。現在我們正處於一個類似的境地，對於基礎概念的理解需要從理論層面進行革命，而非實驗。在過去的20年裡我們已經取得了一些非常重要的實驗結果，但是這些結果都不是類似於量子力學那樣的革命性結果。

一個人很難發動一場物理學革命，因為我們已經理解了非常多，非常詳細，想要做任何一丁點的變動都必須與我們已經理解的一切相符合，這是非常困難的。在過去的50年裡，弦論產出了很多的結果。但是它能夠向前走多遠，能夠給哪些問題帶來答案，目前還不清楚。我之所以如此樂觀，是因為我回顧了歷史，我看到這麼多悲觀的人，卻一次又一次地面對挑戰，取得了非常了不起的成果。我有樂觀的態度，但這不代表我知道一切，我有的只是信念。

三聯生活週刊：在某種層面上，你所發現的“漸進自由”拯救了量子場論，最終引導人們完成了標準模型。如今的弦論研究是否也需要被拯救？

格羅斯：在量子場論真正“復活”之前，人們對它有深深的懷疑，認為它有很大的缺陷。因為當時研究的相互作用都是發生在非常短的距離內，人們認為量子場論在這個領域會發散。隨後量子色動力學給了我們關於核力的描述，也給了我們一個解決問題的例子，說明量子場論是一個在所有的能量範圍內都自洽的理論。這給了人們對於量子場論非常大的信心。從數學的觀點來看，這是一個艱難的問題，數學家們需要非常努力地證明它在數學上是行得通的，但是從物理學的角度來看，非常明顯量子場論是正確的。

另一方面，弦論並不算是一個真正的理論。即使是從物理學的角度來看，它也不是很精確，更像是進行計算的一系列規則。所以我說它還不是一個理論，也是它的一個問題。弦論有非常好的想法，為很多方面建立了聯繫，但是它還有很長的路要走。在過去25年裡我們做出的最棒的發現，就是量子場論和絃論並沒有本質上的區別，它們只是描述同一現象的不同方式而已，而且超對稱版本的標準模型同樣也可以通過弦論來描述。因此人們對於弦論的看法完全改變了。這是一種非常重要的洞察，也讓人們對於量子場論和量子引力的理解加深了。人們描述自然界的框架擴展了。我們只是還不知道會走向哪裡。

三聯生活週刊：“漸進自由”理論描述夸克之間的相互作用類似於橡皮筋。有沒有可能把這樣的思路應用到引力研究中，解決暗能量之謎？

格羅斯：我並不認為暗能量是一個謎題，它更像是一個廣義相對論做出的一個預測。愛因斯坦希望建立一個相對論性的時空理論，用以描述動態的時空，能量和質量就是宇宙中曲率的來源。愛因斯坦也知道，在他的公式裡還可以有其他的項，其中不僅描述宇宙的曲率，還可以描述宇宙的大小。

在他的公式裡，他加入了一項，在真空中的能量－動量產生的壓力，也就是宇宙常數。這肯定會有一種非常特殊的形式，因為在廣義相對論中，沒有處於特殊位置的觀測者，但是能量的大小取決於觀測者。只有一種形式，在宇宙中看上去對所有的觀測者都是一樣的，這就是愛因斯坦理論中的真空能。這種能量密度可以是正數或者負數，其產生的壓力在各個方向上都是相同的，與能量的符號相反。正能量產生出負壓力，負壓力造成了（加速）膨脹，從而被我們觀測到。這是愛因斯坦一個非常了不起的預測，這就是暗能量。

這是一個理論預測，真正令人奇怪的是它的大小。暗能量在宇宙中非常的小。我們需要理解這個理論問題。人們對於暗能量產生的壓力有些誤解，有些人把它稱作“謎題”，因為人們喜歡謎題，這樣說也更容易申請經費。實際上，不能說暗能量本身是謎題，暗能量的大小才是真正的謎題，或者如果觀測結果和廣義相對論的預測不符合才是謎題。

科學前沿是一種迷惑的狀態

三聯生活週刊：你說科學的最前沿就是一種迷惑的狀態，那麼你現在對科學最大的迷惑是什麼？

格羅斯：時空究竟是什麼？宇宙從何而起？為什麼從很多可能的理論中，宇宙選擇了現有的這套理論？這是我目前最大的三個問題。

三聯生活週刊：你曾經說意識（Consciousness）和自由意志（Freewill）可能都只是一種幻覺，你現在仍然這樣認為嗎？

格羅斯：意識是非常難以定義的。目前人們沒法對意識的本質取得共識，人們也不知道機器或是人類是否具有意識。我們都在感受意識，但是很多神經科學家認為意識只是一種幻覺。自由意志也是類似。當我們思考的時候，我們自認為處於支配地位，以為在頭腦中有想法在做決定，這可能也是一種幻覺而已。我們對於無意識的理解也很少。我們究竟是誰？意識和無意識之間的界限在哪裡？決定是如何做出的？思考是如何做出的？這都還不清楚。

和物理學的很多問題一樣，因為我們對意識理解得太少，我們甚至無法構建出一個明確的問題。大多數物理學家都不相信自由意志，因為在我們的公式裡並沒有自由意志的位置。因此我們可以得出結論，並不存在自由意志。所以說需要理解的是，為什麼我們自認為具有自由意志。實際上我們是在為自己構建出一個故事：事物如何發生，讓自己感覺不錯。讓我們相信存在自由意志。如果要猜的話，我認為不存在所謂的“自由意志變量”。

當物理學家們開始研究宇宙起源的時候，人們必須構建出全新的、從未被問到過的問題，這是一件非常困難的事情，因為人們不知道答案會是什麼樣子的。即使我們得到了答案，也需要很長的時間才能真正理解。我們問關於意識和自由意志的問題也是這樣，我們想對這個問題有完全清晰的理解，需要非常長的時間，無法通過一個簡單的數學模型來解答。但是我們現在對大腦有非常細緻的研究，也有了非常好的儀器，我們終究會理解的。這可能和很多科學問題一樣，我們需要從解答關於大腦更簡單的問題開始。

三聯生活週刊：產生出愛因斯坦那樣孤獨的科學英雄的時代是否已經結束了？

格羅斯：霍金就是一個很好的（科學英雄）例子——一個物理學家成為了一個名人，一個科學英雄。通常科學英雄並不完全與科學有關，這其中也會有歷史的原因。愛因斯坦是一個大科學家，但是他的名譽也來自其他因素，比如說政治原因，德裔猶太人身份，20世紀中期的特殊時期等等。霍金是一個了不起的物理學家，也是一個科學英雄的絕佳例子：一個人儘管身患殘疾，依然能夠憑藉自己的意志力取得這麼大的成就。作為一個人，他是一個英雄式人物。總會有科學英雄出現，但不會是單單因為科學成就，總會有其他的因素。