一位理论物理学家的遗愿清单

数学物理学家James Gates 与《物理世界》（Physics World）编辑 Margaret Harris 谈论了他曾经提出的“理论物理学家遗愿清单”，10年过去，他可以从上面划掉哪些发现，同时又新增了哪些条目，并深入探讨了当今美国科学与社会的现状。

撰文| Margaret Harris

翻译| 忍冬

理论物理学家的思考。2017年，James Gates 于布朗大学。｜图片来源：Brown University

2014年，美国数学物理学家 James Gates 分享了他的“理论物理学家遗愿清单”，列出了他希望在“离开尘世之前”见证的物理学发现，包括希格斯玻色子、引力波、超对称性（SUSY）、超弦理论等。十年后，《物理世界》（Physics World）杂志的 Margaret Harris 再次采访了现任职于美国马里兰大学的 Gates，看看他的清单上有哪些发现已被实现，哪些仍待探索或验证，以及截至2025年他可能新增的条目。

十年前你清单上的第一项是希格斯玻色子的发现，这已经实现了。接下来第二项是引力波。

2015年引力波的首次成功探测，对许多人来说都是震撼人心的时刻。我几乎从激光干涉引力波天文台（LIGO）诞生之初就关注着它的发展。我第一次听说探测引力波的构想大约是在1985年。那时我刚成为马里兰大学的副教授，美国国家科学基金会（NSF）项目官员 Richard Isaacson 有一天把我叫到办公室，给我看了一份加州理工—麻省理工（Caltech-MIT）合作团队提交的探测器资助提案。我读完后的反应是：这绝对行不通。但幸运的是，Isaacson 是个超级英雄——在NSF里，正是他数十年来始终坚信这项技术能成功，才最终让梦想成真。所以当引力波真的被探测到时，那一刻简直不可思议。

为什么引力波的发现让物理学家如此振奋？

爱因斯坦最后的重大预言，便是宇宙中存在可观测的引力波。有趣的是，如果追溯文献，他最初认为可能存在，但后来又一度改变想法。这种反复恰恰展现了科学探索中的人性色彩，而最终大自然（Mother Nature）给出了答案：你第一次的猜想就是对的。广义相对论能以如此精准的方式被验证，坦白说，即便我将此列入遗愿清单，仍超乎我对有生之年科学突破的想象。

更深层的意义在于：人类对宇宙的认识，长久以来依赖于类似墨丘利（Mercury）这样的“信使”，这位古罗马神话中的众神使者把信息从奥林匹斯山上传递下来。在我们的故事里，光子取代了墨丘利。数十万乃至百万年来，光告诉我们地外世界的存在，并推动科学数百年来的发展。而引力波被探测到意味着一种新的“宇宙信使”登场：引力子（graviton）。如同光具有波粒二象性，如今我们探测到了引力波，下一步便是捕捉引力子。

尽管目前尚不完全清楚如何观测引力子，但相关知识一旦突破，人类将获得前所未有的宇宙观测能力。大爆炸初期存在一段黑暗时期，物质过于炽热无法形成中性原子，致密等离子体阻碍了光的传播。直到38万年后，电子被原子核捕获形成首批原子。

随着宇宙持续膨胀，粒子平均温度和密度逐渐降低，光才得以穿行。值得注意的是，通过光子观测宇宙，我们最多只能回溯到光首次穿透宇宙的时刻，即宇宙的“第一缕曙光”。我们在上世纪60年代探测到的宇宙微波背景辐射正是这第一缕光。若要窥探更早期的宇宙，光子已无能为力，引力波将成为关键工具。终有一天，人类或许能直接观测大爆炸的瞬间——这将是划时代的壮举。

探测引力子的实验路径是什么？

当LIGO首次探测到引力波时，全球共有三台探测器在运行——两台位于美国，另一台名为Virgo的探测器位于法国和意大利交界处。目前印度即将启用一个新的LIGO站点，只要国际社会继续支持开展这项科学研究，未来将有更多类似设施投入运行，这将为我们提供更高精度的观测图像，提升效果就像是从黑白电视升级到彩色电视。

当前探测引力子的路径包含两个步骤：第一步可能需要测量引力子的偏振。像LIGO这样的法布里-珀罗干涉仪具备这种能力。如果引力子波（graviton wave）存在偏振，无论左旋还是右旋，时空弯曲就会呈现特定特征。如果足够幸运，我们可能在未来十年内观测到这种偏振。

第二步是量子化测量（quantization），这将更具挑战性。20世纪60年代，马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯发明了“韦伯棒”。这是一种大型金属棒，金属棒被冷却后，引力子撞击棒体时会引发金属晶格振动，从而被探测到。我认为未来很可能会大力推动这项技术的升级改造，其中最令人期待的是可能开发出“量子韦伯棒”（Nat Commun 15, 7229 2024）。这或许是最终确认引力子存在的关键路径。

愿望成真。意大利Virgo探测器鸟瞰图。2017年，它成为继美国两台LIGO探测器之后，第三个探测到引力波的设施。随着全球引力波观测站的增多，我们探测到引力子的机会也在增加。｜图片来源：The Virgo collaboration / CCO 1.0

十年前你清单上的第三项是超对称性。过去十年里，这方面的研究有何进展？

二战尾声，日本天皇在广岛和长崎遭原子弹轰炸后对国民发表讲话时，用了一句“事态的发展未必对我们有利”——我认为这句话同样适用于超对称性研究。2006年我发表过一篇论文，其中明确表示不期待大型强子对撞机（LHC）能发现超对称性。当时我通过反常磁矩的粗略估算得出结论：由于磁矩对无法实际探测的粒子极其敏感，通过比较反常磁矩的实测值与所有已知粒子理论预测值的差异，就能为未知粒子设定质量下限——我就是用这种方法推算出了这个数值。

计算发现，最轻的“超伴子”（superpartner）质量很可能在 30 TeV 量级。而LHC最初运行能量为 7 TeV，目前也仅达到 14 TeV，因此我的预测至今仍站得住脚。如果等到 100 TeV 能级的对撞机建成还未能发现超对称粒子，好吧，估计我也等不到那天了（笑）。但我坚信自然界存在超对称性，这是量子稳定性要求的必然结果。

值得注意的是，粒子物理实验观测——尤其是磁矩、分支比、衰变率等的高精度测量——并非寻找超对称性的唯一途径。例如，弦理论可能提供宇宙学层面的启示（arXiv: 1907.05829），这主要涉及暗物质和暗能量问题。就它们对宇宙贡献而言，从超对称性的数学框架出发，你很容易推导出某些尚未观测到的粒子，它们很可能就是最轻的超对称粒子。

你遗愿清单的最后一项是超弦理论。我们上次对谈时，你表示不抱期望，如今看法是否有所改变？

除非我能像玛土撒拉（Methuselah；译者注：圣经中的长寿者）那样长命百岁，否则恐怕无缘见证超弦理论被实验证实了。我认为超弦理论如果获得观测支持，很可能不会来自单一实验，而是需要宇宙学和天体物理学多领域观测的综合结果——或许届时最轻的超对称粒子也会被发现。顺便说一句，我始终不认为人类能发现额外维度。但如果我真能再活几百年，那倒可能成为实际的期待。

过去十年里，你的遗愿清单是否有新增项目？

是的，但还不确定如何准确表述。这涉及量子力学与信息论的交叉领域。在我的研究中，我们为理解超对称性的表示理论所构建的名为“adinkras”的图（graph）有个惊人特性：纠错编码（error-correcting codes）天然嵌入在这些结构中。事实上，这是我学术生涯中最自豪的发现——发现一种包含纠错编码的物理定律，至少是这种定律存在的可能性（arXiv: 1108.4124）。据我所知，物理学历史上从未有过包含纠错编码的自然定律，但这些图的数学结构清晰展现了这种可能。

这一发现彻底改变了我对信息论的认知。上世纪80年代，约翰·惠勒（John Wheeler）提出理解量子力学的新范式（“Information, physics, quantum: the search for links” Proc. 3rd Int. Symp. Foundations of Quantum Mechanics, Tokyo, 1989, pp354–368）。他用“万物源于比特”（it from bit）这一精炼表述，指出宇宙中观测到的信息本质上与比特存在关联。年轻时，我觉得这是我听过最疯狂的想法。但当我自己的研究揭示物理定律竟能以纠错编码形式包含比特时，我不得不重新审视这个曾被我嗤之以鼻的“荒谬想法”。

说实话，如今步入暮年，我得出一个结论：如果从事理论物理研究时间足够久，你也会变得“疯狂”——我就是活生生的例子！超对称性的数学结构中，纠错编码与比特的存在根本无可回避。正因如此，我的遗愿清单新增了一项：通过实际观测证明，量子力学定律确实以比特形式运用信息。

至于何时能见证这一天，恐怕要等到我离世很久之后了——除非我能再活150年。理智上讲，这是根据当前认知我估算需要的时间跨度，因为种种迹象表明：宇宙深处确实存在着这样的信息机制。

我们刚才简单谈了科学在过去十年的变化。当然，科学与世界其他部分并非毫无关联。其他领域的一些变化也影响着科学，尤其是美国最近的发展。你对此怎么看？

不幸的是，这一切都在预料之中。两年前我写过一篇题为《被逐出山顶？》（Expelled from the mountain top？Science 380, 993）的文章。这个标题取自马丁·路德·金的一句话，“我曾到达山顶”（I’ve been to the mountaintop），这里“被逐出”指的是剥夺有色人种的机会。我在文中谈到，美国正在朝着这样一个方向发展：像我这样的人——一个有色人种、非裔美国人、一名科学家——越来越难获得从事科学所需的教育训练。

我仍然认为美国最高法院2023年（关于平权法案）的判决没有道理。这个判决等于在说，多样性对推动创新毫无作用。但大量证据表明事实并非如此。你认为城市是怎么形成的？城市之所以成为创新发源地，正是因为不同背景的人们聚集于此。再加上互联网这类新媒介的出现，通过新媒介，任何人都能接触到数百万人。为什么这有点可怕？因为假新闻，错误信息。

大约一年前，我遇到一位哲学家，他说了一句话让我深有感触。他说想想印刷机，它让书籍以前所未有的方式在西欧社会传播，从而推动了识字率的提升。识字率提高用了多长时间？50到100年。然后他说，现在让我们看看互联网。它有什么不同？不同之处在于任何人都可以发表任何言论，并传播给数百万人。因此我们面临的挑战是：人类需要多长时间才能在不制造错误信息或假新闻的情况下发展互联网。如果他的判断是正确的，这需要100到150年。这是美国面临的挑战之一，也不仅是美国面临的挑战，但不知为何在美国似乎尤为严重。

这与科学有什么关系呢？2005年，我受邀在美国科学促进会（AAAS）年会上发表主旨演讲。在那次演讲中，我谈到科学可能被“边缘化”（turn off），我清楚地看到当时美国社会中存在一些势力，他们很乐意否认科学家提出的证据，而且这些势力正在壮大。

综合以上种种因素，科学的持续发展将面临一个极其重要且充满挑战的时期，因为特别是在基础科学层面，这需要公众普遍认同“是的，我们愿意为此投资”。如果社会中有机构或个人否认疫苗，或否认关于进化论或气候变化的科学证据，如果公众开始接受这些观点，那么科学本身就可能失去吸引力，这就是我在2005年发出的警告。

保持希望。今年早些时候，James Gates 在伦敦皇家艺术学院探讨超对称性研究，摄于学术讲座现场。｜图片来源：Margaret Harris

科学界可以采取哪些具体措施来防止这种情况发生？

首先，必须走出象牙塔。我参与过一些活动，它们通常打着“恢复公众对科学的信任”的旗号，但我认为这个定位是错误的。真正受到威胁的是公众对科学的信仰。在我看来，这才是我们真正需要思考的问题。

信任（trust）科学和信仰（faith）科学有什么区别？

在我看来，如果我信任某件事，我会倾听。如果我信仰某件事，我不仅会倾听，还会采取行动。这对我来说是一个本质区别。

就我个人而言，尽管预见到前路艰难，但我仍然充满希望。我要敦促年轻人永远不要放弃希望。如果你失去了希望，那就真的没有希望了。道理就是这么简单。所以，我依然怀抱希望。也许有人会认为“哦，他只是情绪低落”——不，并非如此。因为作为一名科学家，我坚信我们必须以清醒、理性的态度面对眼前的证据，而不是感情用事地逃避现实，这就是我的立场。尽管刚才说了那么多严峻的事实，但我依然满怀希望。

本文基于知识共享许可协议（CC BY-NC）译自Margaret Harris, A theoretical physicist’s bucket list, 10 years later: Jim Gates on the graviton, quantum information and the scientific climate in the US.

原文地址：https://physicsworld.com/a/a-theoretical-physicists-bucket-list-10-years-later-jim-gates-on-the-graviton-quantum-information-and-the-scientific-climate-in-the-us/

来源：返朴

编辑：凉渐

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