諾獎得主蓋爾曼演講：美、真和...... 物理學？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-10-03 09:18
撰文 | 默裏·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）
翻譯 | 太瘦生
再過幾天，2019年諾貝爾獎便會揭曉。而就在今年早些時候，1969年度諾貝爾物理學獎得主默裏·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）去世。今天的文章是蓋爾曼2007年面向普通大眾的一個演講，「返樸」希望以此文紀念蓋爾曼——這位提出夸克模型的天才物理學家。在演講中，蓋爾曼幽默風趣，以簡單的語言勾勒出了物理學基本理論的輪廓。時隔多年，我們仍能從中感受到他醉心於物理理論之美時的迷人風采。
Murray Gell-Mann，1929.9.15-2019.5.24
感謝將我的同事們（指牛頓、愛因斯坦等）的肖像張掛在這兒，（聽眾大笑）我們後面會談到他們。現在，我想要做一個實驗。通常來説，我不做實驗，我是一個理論家。但是我想要看看如果我按下這個按鈕會發生什麼。好了，的確。我曾經在基本粒子領域工作。這一領域關注下面這些問題：如果將物質細分下去會發生什麼？它由什麼組成？這些粒子的定律放之四海而皆準，並且它們與宇宙的歷史密切相關。
我們對四種力已經知道很多了。肯定還有更多的東西，不過它們是在小之又小的尺度上，我們暫時還沒有與它們產生太多瓜葛。我主要想聊的東西是這個：就是在基礎物理領域裏頭我們有一個顯著的經驗是説，美對於選擇正確的理論而言是一個非常成功的判斷標準。那麼到底為什麼會這樣呢？
這兒有一個來自我個人經驗的例子。事實上，發生這樣的事情是相當戲劇性的。在1957年裏，大概我們三四個人吧，提出了關於這些力裏頭的這個弱力的一個還算完整的理論。但是它與七個——數一數，是七個——實驗不吻合。這些實驗都是錯的。
我們是在知道這之前發表這個理論的，因為我們覺得它如此之美，肯定是對的。那些實驗肯定是錯的，事實也的確如此。掛在那兒的我們的朋友，阿爾伯特·愛因斯坦，當聽到人們説“你知道嘛，有個人有個實驗好像與狹義相對論不一致，好像是叫 DC Miller 的。那到底咋回事？”這些話的時候，他一般都是毫不在意的。而且他會説，“哦，那都會過去的。”（聽眾笑）
為什麼像上面提到的理論那樣的玩意兒會有效？這就是現在要談的問題。是的，説到美我們到底在説什麼？這是個問題。我會試着説清楚——至少差不多説清楚吧。為什麼它會有效，這和人有啥關係嗎？我會帶你們從我提出來的這最後一個問題的答案進入這些話題。答案是，它和人沒啥關係。
我們設想，或許在另一個星系裏頭，繞着某個非常遙遠的恆星的某個其他星球上的某個地方，也存在至少和我們一樣聰明的生命體，他們也對科學感興趣。這不是不可能的，我認為可能還存在着不少這樣的生命。
很有可能，這些外星球生命物種裏頭沒有一個距離足夠近到可以和我們產生瓜葛。但是很簡單，它們就在那兒。假設它們擁有非常不一樣的知覺器官等等這些東西，比如，想象它們有7個觸手，有14個小小的看起來很可笑的複眼，還有一個像是蝴蝶脆餅形狀的大腦。它們真的會有不一樣的定律嗎？有不少人相信會是這樣，我認為這完全是胡説八道。我認為確實有一些定律，在任一給定時間裏我們當然還沒有很好地理解它們——但是我們在努力。我們努力去逐漸接近這些定律。
總有那麼一天，我們也許可以真正搞出來關於粒子和力的基本統一理論，我稱之為“基本定律”。我們也許離它並不太遠。但是即便我們在有生之年碰不到它，我們仍然可以認為有一個在那兒，我們正在努力逐漸接近它。我認為這就是要説的重點。我們可以在數學上表達這些東西。當那些數學非常簡單——就是説，當使用一些數學符號，你能不費吹灰之力地在很小的地方寫下這個理論——的時候，這也基本上就是我們説的美或者優雅了。
這就是我要講的關於那些定律的東西。它們真的在那兒。牛頓當然相信這個。他曾經説到，“找出這些定律是自然哲學的任務所在。”對於基本定律，這兒有一個假定，就是假定基本定律真的是關於所有粒子的一個統一理論的形式。現在一些人稱它為萬物理論。這是不對的，因為這個理論是量子力學化的。我不會深入討論量子力學以及它大致是什麼等等這些玩意兒，不過你們確實聽到不少關於它的錯的東西。（聽眾笑）甚至有關於它的、帶着不少錯誤的電影。
這裏主要想説的是它預測概率。有些時候這些概率近乎確切。並且在不少熟悉的情況裏頭，它們就是確切的。不過其他時候它們不是的，有時就只有對於不同結果的概率。所以這也就是説，**宇宙的歷史並不只是由基本定律決定的。**它取決於基本定律和除此之外的一長串巧合或者説幾率。
基本理論並不包含那些幾率，它們是額外的東西。因此它並不是萬物理論。實際上，宇宙中圍繞我們的大量信息來自於這些巧合，而不只是基本定律。現在人們常説，通過檢驗由低能量到高能量再到更高能量，或者説由小尺度到更小尺度再到更小尺度的現象來逐步向基本定律靠近就像是剝洋葱。我們這麼不斷繼續下去，建更高能的加速器來找尋基本粒子，這樣就能夠逐步深入粒子的結構，沿着這條路，我們就可以逐漸接近基本定律。
實際發生的是，當我們照這麼做，並逐漸接近深層次定律的時候，我們發現，就像剝洋葱一樣，每一層皮都和上一層皮有相同之處，和下一層也是。我們把它們用數學寫出來，可以看到它們用了非常相近的數學。它們需要非常相近的數學。這是相當顯著的，這也是我今天想要説到的中心點。牛頓——對，是牛頓——稱之為祂。
這位老兄是阿爾伯特·愛因斯坦。嗨，阿爾！他説到，“自然臣服於她自個兒”——這兒他將自然擬人化成女性了。所以實際發生的是，我們得到的新現象，或者説剝出來的洋葱的新一層，那些稍微小一些的洋葱內層，與那些稍大一些的外層類似。我們已有的用於描述上一層皮的數學與我們需要用來描述下一層皮的數學差不多是一樣的。這就是為什麼那些方程看起來這麼簡單的原因。因為它們用了我們已經有的數學。
舉一個尋常例子：牛頓發現了引力定律，定律的形式是相互吸引的東西的距離平方的倒數的樣子。法國的庫倫發現了關於電荷的同樣的定律。這就是關於這種相似性的一個例子。看引力，有這麼一個特定的定律。再看電，非常肯定，還是同樣的定律。這是一個很簡單的例子。有很多更復雜的例子。對稱性在這些討論中非常重要。你一定知道它説的是什麼。比如，一個圓圈在關於圓心的旋轉之下是對稱的。繞着圓心轉，圓圈保持不變。在三維情況下，拿一個球繞着球心轉，所有這些旋轉都使球和未轉前一樣。它們就是球的對稱性。因此我們就説，一般地，如果在特定操作下，這些操作使得現象或者現象的描述不變，那麼就存在着對稱性。
麥克斯韋方程組當然在全空間的旋轉之下都是對稱的。不用在意我們是否將整個空間轉動了某個角度，它不會改變電或磁的現象。在19世紀有了一個新的符號體系來表示它，如果你使用了這個符號體系，麥克斯韋方程組就變得簡單不少。再後來愛因斯坦用他的關於相對性的狹義理論，找到了麥克斯韋方程組的一整套對稱性，這被稱作狹義相對論。有了這些對稱性，麥克斯韋方程可以變得更短，也更漂亮。
藉助矢量分析，利用旋轉對稱性簡化後的麥克斯韋方程組。
利用狹義相對論的對稱性進一步簡化後的方程組。
讓我們來看一下。你不用知道這些東西都是指什麼，這沒什麼關係。你可以只看這個形式。（聽眾笑）你可以看下這個形式。你看，在上面，在頂上，是包含表示空間三個方向的三個量（x，y，z）的一長溜方程。然後，藉助矢量分析，利用旋轉對稱性，可以得到這下一系列方程組。再然後，利用狹義相對論的對稱性，就得到底下這兒的更簡單的一列方程組。這表明對稱性體現得越來越好。有了越來越多的對稱性，這個理論的簡單和優雅也就體現得越好。
最後兩個方程，第一個方程是説電荷和電流產生所有電場和磁場。下一個——第二個方程是説除了這個之外，不再有其他磁性。僅有的磁性來源於電荷和電流。有一天我們會發現在這個論證裏頭有一些小漏洞。但是現在，情況就是這樣。
現在，這兒有一個很多人還沒聽説過的非常激動人心的進展。他們應該聽説過它，但是技術細節解釋起來有點兒難度，所以我就不解釋了。我就只提一下。（聽眾笑）楊振寧，我們稱之為弗蘭克·楊（“Frank” Yang），他和鮑勃·米爾斯（原文為Bob Mills，指物理學家Robert Mills，英文中常將Robert簡稱為Bob）在五十年前提出一個對於麥克斯韋方程組的推廣，它具有新的對稱性，一種全新的對稱性。這個推廣和麥克斯韋方程組在數學上很類似，但是有了一種全新的對稱性。他們希望這怎麼着也可以為粒子物理貢獻些什麼，然而並沒有。就它自身而言，它沒有對粒子物理產生啥貢獻。
不過後來我們幾個人進一步推廣了它。然後它就有了！它給出了關於強力和弱力的一個非常漂亮的描述。因此這兒再強調一遍我們之前説過的：就是洋葱皮的每一層都顯示出和相鄰層的相似性。關於相鄰層的數學非常類似於我們要用來描述新一層的數學。所以它看起來是非常漂亮的，因為我們已經知道怎麼樣以一種迷人的、簡潔的方式寫出它。
所以進入主題了。我們相信，在所有規律性之下有一個統一理論。走向統一之路體現出簡單性。對稱性呈現出簡單性。存在跨越尺度——或者換句話説，從一層洋葱皮到另一層——的自相似性。近似的自相似性。它解釋了這一現象。它也解釋了為什麼美是選擇正確理論的一個成功的判斷標準。
下面的話是牛頓自己説的：“自然垂愛和臣服於她自己。”他當時在思考的東西在我們今天看來是理所當然的，但在他那時候可不是這樣。這兒有個故事，不一定是真的，不過很多人提起過它。四個來源提到過它。説是當時他們在劍橋遭了瘟疫，大學關停了，他就回到他母親的農莊裏。有次他看到一個蘋果從樹上落下，砸到他頭上還是啥。他突然就意識到使蘋果掉到地上的力和控制行星和月亮運動的力是一樣的東西。
這在我們今天看來是理所當然的，但在當時是相當大的整合，這也就是引力理論。所以他這麼説到自然的一致性原則：“自然的原則與哲學家的觀念相去甚遠，我盡力剋制不在書裏對之進行細述，否則我會被視為狂妄之輩……” 這是我們都要小心的，（聽眾笑）特別是在這裏。“……讀者針對這些東西的偏見正是此書之所由作。”
今天誰還説這不過是人類頭腦的虛構呢？就是説導致蘋果掉到地上的力和導致行星和月亮轉動的力是一樣的等等這些。所有人都知道這個。這是引力的性質，它不是人頭腦中的什麼東西。當然，人的頭腦可以領會和接受它，使用它，但是它不是——它並不是源自人的頭腦，它是來自引力的特徵。我們談到的所有這些東西都是這樣。它們是基本定律的性質。基本定律是這樣的，每一層洋葱皮都與其他相似，因而描述一層皮的數學允許你去優美且簡單地表示下一層皮的現象。
這兒我要説，牛頓在瘟疫那一年做出了很多東西：引力、運動定律、微積分、由彩虹的所有顏色構成白光。他應該寫這麼一篇文章——“我在暑期都做了什麼”。（聽眾笑）所以我們不需要假定這些原理是孤立的形而上的假設。它們來自基本理論，它們是我們稱作湧現性的東西。你不需要——你不需要為了得到更多東西而需要更多東西。這就是湧現的意思。
生命可以從物理和化學，再加上很多巧合中湧現。人的思維可以從神經生物學和很多巧合中產生，就像化學鍵產生於物理和一些巧合的方式一樣。知道它們來自更基本的東西再加上巧合不會降低這些事物的重要性。這是一般規律，認識到這一點極其重要。你不需要為了得到更多東西而需要更多東西。當人們讀到我的書《夸克和美洲豹》的時候不斷地問：“沒有比你這書裏有的東西更多的東西了嗎？”大概，他們是指超自然的東西。然而，並沒有。（聽眾笑）你不需要為了解釋更多的東西而需要更多的東西。非常感謝！（鼓掌）
蓋爾曼的TED演講題目為“Beauty, truth and … physics?”，原文和視頻鏈接：https://www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics#t-408303
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