我們只知道了宇宙中5%或4%的能量 | 謝爾頓&王貽芳對話實錄（上）
1月5日，頂科論壇&抖音合作節目《硬核知識局》第二期——《平行宇宙真的存在嗎？》在“世界頂尖科學家論壇”抖音官方賬號上線。90歲的諾獎得主謝爾頓·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow），中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳兩位頂尖科學家展開了精彩對話。
標準模型會被取代嗎？中微子物理研究什麼？平行宇宙真的存在嗎？獲得諾獎是什麼體驗？想對20歲的自己說什麼？就這些問題，兩位頂科進行了深入探討。我們整理了對話的文字實錄，分上下兩篇推送。
此篇爲上篇。關注“世界頂尖科學家”公衆號，可查看下篇——《謝爾頓對話王貽芳：平行宇宙真的存在嗎？| 文字實錄（下）》。
中微子沒有被標準模型正確描述
嚴伯鈞：大家好，我是嚴伯鈞。這是一檔由抖音推出的名爲“硬核知識局”的線上節目，本次訪談由抖音和世界頂尖科學家協會聯合發起。今天我們邀請到了兩位傑出的科學家，第一位是謝爾頓·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）教授，格拉肖教授是著名的理論物理學家，波士頓大學數學與物理學名譽冠名教授，哈佛大學物理學名譽冠名教授。格拉肖教授的研究主要集中於基本粒子和量子場論，格拉肖教授於1979年獲得諾貝爾物理學獎。格拉肖教授，歡迎您，你要跟線上的觀衆打個招呼嗎？
格拉肖：我很高興和朋友們打招呼，非常感謝你邀請我，謝謝。
嚴伯鈞：感謝您加入我們。另外一位嘉賓是王貽芳教授，王教授是著名的實驗物理學家，專注於高能物理研究，也是中科院院士。王教授還擔任了中國科學院高能物理研究所所長，他獲得了2016年基礎物理學突破獎。讓我們也歡迎王教授。王教授，請您向在座的觀衆問個好。
王貽芳：大家好，感謝大家的到來。
嚴伯鈞：非常感謝。讓我們直接進入訪談環節，在今天的採訪開始之前，我們瞭解到你們二位的研究都集中在粒子物理學這個大領域，而且都是各自領域的頂尖科學家。可以請二位簡單介紹一下你們的主要研究方向嗎？
格拉肖：從高中開始，我就一直對物理感興趣，當我讀研究生的時候，我開始接觸到現代物理。我發現基礎物理也就是試圖找出自然規律，令我非常非常地興奮。我受到了我認識的人和我聽說過的人的啓發，我從未見過的愛因斯坦、我認識的尼爾斯·玻爾，他（尼爾斯·玻爾）陪伴我很長一段時間，那是在我拿到學位之後。在我的職業生涯中，我在許多不同的大學裡專注於基礎理論物理學、天體物理學和宇宙學很多很多年，所有基礎物理宇宙學以及天體物理學、宇宙學、粒子物理學、核物理……你能想到的。我的第一份工作是研究核物理。
嚴伯鈞：您的第一篇文章是關於核物理的。
格拉肖：沒錯，就是核反應。
嚴伯鈞：好的，那王教授呢？
王貽芳：我是一名實驗粒子物理學家，在大學的時候我也主修核物理，但是當時大學裡還沒有實驗粒子物理學。我是碰巧進入這個領域，因爲我遇到了丁肇中教授，這就是爲什麼我開始了作爲粒子物理學家的職業生涯。我的主要研究興趣是e+e-對撞機物理以及中微子物理。
嚴伯鈞：中微子物理是近來一個非常非常熱門的研究領域。我有個問題要問格拉肖教授，我們知道您獲得了1979年的諾貝爾物理學獎，因爲您和溫伯格教授在電弱理論方面做出的工作，這個標準模型將現有的所有基本粒子分類。從那時起，這就成爲了粒子的基礎，然而越來越多的實驗結果，如中微子的質量、中微子振盪等並不是標準模型所能預測的。在您看來，標準模型將如何發展才能包含更多的實驗結果，或者說您認爲標準模型最終會被一些更先進的理論所取代嗎？
格拉肖：調整標準模型來解釋中微子質量其實並不難，儘管我們不知道中微子質量的起源，它可能和希格斯玻色子一樣簡單，也可能是我們不知道的更復雜的東西。我們依靠研究試圖在中微子物理學中找到一些線索來擴展標準模型。
這是王教授的研究領域，位於中國南方的江門中微子實驗室將闡明這些中微子問題。也就是說，我們對它們的質量了解很多，但是我們不瞭解哪個最重、哪個最輕，所以這是一個非常重要的問題，我們稱之爲質量順序問題。希望中國的實驗室能夠解決這個難題，它多多少少是專門爲研究中微子質量和中微子振盪而建設的，目前美國的情況也是如此。爲了解釋中微子物理進行了兩個最大的嘗試：一個是在中國的江門中微子實驗室（JUNO），另一個是在費米實驗室尚未完成的DUNE設施。我們彼此處於友好的競爭中，我認爲我們既合作又競爭。
這是物理學中非常令人興奮的一個方面，因爲正如你所說，中微子並沒有被原來的標準模型正確描述，我們也不知道它們質量的來源是什麼，我們需要我們能得到的每一點信息，我們從正在進行的那個實驗和其他實驗中得到了這個結論，這不是唯一的方向，但這是目前最可行的方向。因爲我們沒有大型的加速器來取代歐洲核子研究中心（CERN）的加速器，CERN一直在考慮製造一個更大的粒子加速器，中國和日本也在考慮這件事，但到目前爲止，在建造新機器方面還沒有任何進展。所以，中微子是目前和未來若干年內的行動方向。
嚴伯鈞：我不知道我理解得是不是正確，我的理解是：用數學方法在標準模型中包含中微子的質量並不是很難，關鍵問題是質量的起源，所以我們需要讓實驗家做更多的實驗來告訴我們某些可能的原因，也就是爲什麼中微子的質量是這樣的。我理解得清楚嗎？
格拉肖：這是其中之一，在粒子物理學中，除了中微子還有許多其他的懸而未決的問題。有一個理論內部一致性的問題，最重要的是，如果還有其他問題的話，比如暗能量和暗物質，它們也不符合天體物理學或粒子物理學的標準模型。
實驗家和理論家間的愉快合作
嚴伯鈞：謝謝格拉肖教授，下一個問題是問王教授的。正如我們之前討論過的那樣，標準模型一直是粒子物理學的基礎，但是在標準模型之後我們似乎沒有一個足夠有希望的理論來進行實驗驗證。作爲一名領先的實驗家，您能不能和我們分享一下，在您看來，如果沒有理論的指導實驗家將如何引領粒子物理學研究的方向？以及未來的主流是什麼？
王貽芳：作爲一名實驗家，通常情況下我們有兩種方法來進行研究。一個是試圖驗證理論的預期，在過去的近60年裡我們試圖驗證標準模型的正確性，然後我們試圖發現標準模型所預測的所有粒子，這確實是研究的一個範式。還有一種方法，是在沒有任何理論指導的情況下嘗試尋找未知的東西。
在過去的60年裡，格拉肖教授建立了一個偉大的理論，那就是標準模型，我們幾乎完成了這項研究而且發現了標準模型預測的所有粒子。所以，現在我們實際上正處於一個轉折點上，我們需要尋找一些新的和更深層次的東西。事實上，我們已經知道標準模型不是最終的理論，它有一些不自洽的地方，也有一些實驗證據實際上超出了目前對標準模型的現有描述，所以我們需要實驗指導或證據告訴理論家們該往哪裡走、該怎麼走以及如何將所有這些超越標準模型的新證據納入理論的新框架，我認爲這是我們必須要做的事情，也就是在標準模型提出之前的50年代和60年代的那種範式。我們有很多新的證據，所以，現在實際上是時候從實驗家那裡得到更多的實驗證據，然後可以嘗試進入理論的下一個階段。
嚴伯鈞：我想我理解得很清楚了，您是說理論並不總是引領實驗，所以在歷史上我們有兩種方式，就像相互進化，也許在某一個階段你提供了一個理論，這個理論給出了怎麼進行實驗的某些見解，但是當我們進行大量的實驗時，我們會看到很多理論可能無法預測的異常現象。反過來說，當我們有一些新的成果，它會給理論提供一些靈感，找到更多的方向，讓理論家和實驗家可以交替相互合作並最終引領前進的方向。您是說我們現在處在一個新時代，就像歷史上發生的那樣，實驗家現在正在引領潮流，給理論家們一些建議。
格拉肖：一直都是實驗人員在引領方向，王教授非常清楚這一點，因爲他和我的好朋友丁肇中合作過，在1974年丁肇中和他的團隊有了一個驚人的發現，這是大多數物理學家都意想不到的，那就是著名的J粒子，J/ψ粒子，它被證明是第四種夸克的標誌。這發生在20世紀70年代的，再說一次，我只是想指出，是實驗人員在引導我們。
嚴伯鈞：您真的是太謙虛了。但是我認爲這是一種相互的改變。
格拉肖：實驗家之間的愉快合作。
嚴伯鈞：是的，實驗家和理論家之間的愉快合作，謝謝您的回答。
我們只知道了宇宙中5%或4%的能量
嚴伯鈞：然後我有個問題要問你們二位：很多觀點認爲粒子物理學的黃金時代已經過去了，幾十年來已經沒有像粒子物理學中標準模型那樣的突破了。在你們看來，從理論和實驗的角度來看，這種情況會持續更長的時間嗎？背後的原因是什麼？以及解決辦法是什麼？
格拉肖：我們不能說幾十年來沒有任何進展，因爲那不是真的。（希格斯粒子）發現的10週年紀念日，那天是7月4日，已經10年了，但不是幾十年，只是10年。【編者注：2012年7月4日，由歐洲核子中心大型強子對撞機LHC上的ATLAS和CMS實驗宣佈發現希格斯粒子的存在。】
的確，20世紀70年代是一個非常激動人心的時代，當時粒子物理學中的新事物發生的頻率很高，比今天高得多。事實上我們已經做了大部分在低能級下可以做的事情，雖然不是全部。上個世紀物理實驗和理論的快速發展所帶來的一個問題就是，我們沒有在低能態下解決問題，所以我們還是有必要回到更低的能態中去看看我們是不是忘記了什麼、忽略了什麼。所以，我還不相信沒有令人興奮的東西可以發現，我們可能在尋找其他東西時已經忽略了，所以回過頭來仔細觀察背景是非常重要的。舉個例子，JUNO會用中微子物理來做這件事，但是它必須在粒子物理的整個範圍內完成，讓我們回到過去看看我們是不是遺漏了什麼。
嚴伯鈞：所以，也許是時候重新審視一些我們沒有研究過的細節了。
格拉肖：我們可能已經忽略了低能（低能量等級）的細節。王教授，您有什麼看法嗎？
王貽芳：在過去，我認爲我們經常被告知偉大的發現已經過去了、已經被發現了，而留給年輕一代的東西已經很少了。當我還是個學生的時候，我也是這樣想的，當我們從課本中學習的時候我們都被老的理論家們震驚了，擔心沒有什麼東西留給我們了。但是，在粒子物理領域工作了近40年後，我仍然看到許多發現，重要發現從我們身邊擦肩而過，我相信這在未來還會發生。
所以，我不相信科學的發展會在我們這個時代停止，未來也不會發生這樣的事。對於科學的未來，這是一個非常非常奇怪的觀點，就像格拉肖教授說的，我們已經知道有很多重大發現等着我們，比如中微子的性質，我們還不知道中微子的確切質量是多少，我們還不知道例如中微子的質量順序問題，我們還不知道希格斯玻色子的性質，我們甚至不知道希格斯玻色子中是不是還有另一個希格斯玻色子，我們還不知道希格斯玻色子本身是不是像粒子一樣的點……還有很多真正的未解之謎。事實上，從宇宙的角度來看，我們只知道了宇宙中5%或4%的能量，還有很多很多其他的新事物有待發現，比如暗物質、暗能量等等。我們相信還有更深遠、更重要的發現等着我們。
格拉肖：例如，中國最近做出了一項有趣而又令人費解的探測，就是非常非常明亮的伽馬射線暴在中國和太空中都被探測到了，在10月9日的時候。除了它本身非常有趣之外，它還伴隨着一束宇宙射線伽馬射線，能量巨大，它不應該出現在那裡，因爲這一事件發生在離我們很遠很遠的地方，伽馬射線不可能到達那個地方，這是一個謎題。我們不知道伽馬射線從哪裡來的，但是誰知道呢，謎題幾乎隨時都可能出現，而這一次可能是非常重要。
非常有趣的是，這個發現表明了全世界科學家之間的合作是多麼重要，因爲它是由幾乎所有國家的科學家共同發現的，中國可能發現了最多的光子，因爲這一事件碰巧發生在中國上空，在中國上空偶然發生了，但是被很多其他的探測器探測到了，它的餘波被世界各地的望遠鏡探測到了。所以，國際合作和所謂的多信使天文學變得非常令人興奮和有意思，並將把世界上的科學國家再次聚集在一起。
嚴伯鈞：這太令人興奮了。看起來實際上有一些誤解，大衆對正在進行的粒子物理學研究瞭解不多，我認爲這可能是因爲現實世界的研究和大衆科普的差距。實際上有很多問題有待發現、有待解釋，但是大衆還沒有聽說過，也許這是我們作爲科普人的責任，我們應該向觀衆更多地介紹有待發現的正在進行中的問題。
需要尋找一個更深刻的理論
嚴伯鈞：下一個問題是問格拉肖教授的，這是一個關於弦理論和超對稱理論的問題。我們知道，實際上一些先進的理論，如弦理論和超對稱理論在最近幾十年非常流行，它們看起來非常非常雄心勃勃，試圖用基礎物理學解釋一切。您對這些理論有什麼看法呢？
格拉肖：首先，弦理論和超對稱理論，有很多共同點，也有很多不同點。一方面，弦理論要求超對稱理論存在於某種能級，但是它沒有說那個能級是什麼，這是它們的共同之處。它們的不同之處在於，低量下的超對稱理論做出了大量的實驗預測，它預測了數十種可能存在的新粒子，但是人們一直在不停地尋找它們，尋找了幾十年，不僅僅是十年，而是幾十年，是的，目前還沒有發現這樣的粒子。
另一方面，超對稱理論，除了可能性微乎其微的低能超對稱理論，弦理論沒有做出任何預測，它不能被證明是對的也不能被證明是錯的，它沒有做出任何陳述。事實上，它給出了一個非常不同的陳述。很明確地說，所有讓王教授和我感興趣的問題都是無法回答的，它們是宇宙誕生的偶然事件，它們之所以是這樣，是因爲這個特定的宇宙是這樣的，還有許多其他的宇宙，在那裡它們的情況是不同的，這是一種絕望的哲學。所以我認爲弦理論是沒用的，它確實統一了引力和粒子物理學，但是以一種沒用的方式，因爲沒有衍生產品，也沒有聲明說我們要質疑這種統一，它沒有解釋統一是如何發生的，它只是把它們統一起來。超對稱理論已經流行了這麼多年，我認爲是時候把它遺忘了，因爲它用來解釋各種問題的具體預測都失敗了。超對稱理論，如果它存在的話，存在於可能永遠無法達到的能量中，所以它失敗了。
另一方面，我對標準模型一點也不滿意，從純理論的角度來看，它太巴洛克、太複雜了，這就是爲什麼這個代數羣、爲什麼質量是這樣的、爲什麼有6個夸克而非600種不同的夸克……有太多不同的問題，我們還沒有一個答案的開端，我們還沒有一個開始的答案，我們需要一個全新的框架，我希望有才華的人能在不久的將來發現這個框架。我對自己不抱希望了，因爲我已經90歲了，但是我的年輕朋友們肯定能做到的。
嚴伯鈞：謝謝您，聽起來標準模型就是一個臨時理論，也許它有點像專門的理論，但是也許它會在未來被取代，但是它不應該是像弦理論和超對稱性那樣的理論，因爲它們根本不是物理學。因爲物理學是一門實驗科學，如果你不能用實驗來證明或者不證明理論，那這可能只是哲學理論，如果你不能做實驗。
王貽芳：嗯，我也想說一點，我完全同意格拉肖教授剛纔提到的弦理論主要是數學理論而不是物理理論，很難得到任何可預測的結果以便我們進行測試，但是超對稱理論發現任何關於對稱性的預測。但是，一方面，我們只研究了參數空間的一小部分，我們還得靠能量去探索完整的優先級空間以及超對稱理論預測的所有粒子，另一方面，這並不是標準模型之外的唯一理論，我們還有很多其他的理論比如額外的維度等等也有一些預測，我們應該尋找新的證據超越目前加速器的可用能量。
所以，我們確實需要深入尋找一個更深刻的理論而不是標準模型。格拉肖教授提到標準模型不是最終理論，它更像是有效理論而不是最終理論，事實上，如果我們研究這個理論本身以及夸克和電子之間的精確對稱性，那就很奇怪了，我簡直不敢相信這背後沒有任何東西，你在電子和夸克之間得到這種偶然的對稱性。這只是告訴我們這背後還有更深刻的東西，所以我個人認爲肯定還有另一個更深層次的理論，它告訴我們，在我們前面還有一個新的世界。
格拉肖：沒錯，我們完全同意你的說法，是的，絕對如此。
溫馨提示：關注“世界頂尖科學家”公衆號，可查看下篇——《謝爾頓對話王貽芳：平行宇宙真的存在嗎？| 文字實錄（下）》。
編 輯：陳 墨
責 編： 小 文