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李政道以几句话的小诗,概括了物理学最基本的概念:微观与宏观,真空与对称,直至世界万物的本质与本源。李政道先生曾应华盛顿大学出版社的要求,撰写了一套科普小书“Symmetries, asymmetries, and the world of particles”,此书是对这首小诗最好的诠释。2021年,该书最新的中文版《对称与不对称》面世,其中除了包含北大朱允伦教授翻译的该书,还收录了李政道先生在中国的多次演讲。

 

《对称与不对称》中信出版社,2021年
 

撰文 | 葛惟昆

李政道先生于1996年在一个关于“相对论性重离子碰撞”的暑期学校的致辞中,以一首简短而深刻的的英文小诗结尾:
To know the smallest, we need the largestLarge things are made of smallAnd even smaller.To know the smallestWe also need the largest.All lie in vacuumEverywhen and everywhere.How can the microBe separate from the macro?Let vacuum beViolating harmony.We can then penetrateThrough asymmetry to symmetry.我们尝试把它翻译成中文:大者基于小, 甚或更小焉。欲穷其极小, 极大须钻研。真空存万物, 每处每瞬间。何堪微观物, 不与宏观连?真空非一统, 对称生自然。虽然是几句话的小诗,却寓意深邃、涵盖广远,概括了物理学最基本的概念:微观与宏观,真空与对称,直至世界万物的本质与本源。
要理解这首诗的深意,李政道先生为华盛顿大学一套科学丛书所撰写的一本小册子《对称,不对称和粒子世界(Symmetries, asymmetries, and the world of particles)》应该是最好的诠释。该书在前苏联发行了2万册,在中国,台湾学鼎出版有限公司和北京大学出版社分别出版了中文版,译者都是朱允伦。在台湾版的内容简介中,指出本书“描述了现代粒子物理的一些重要概念,诸如镜像、时间反演和正反粒子交换对称的破坏、失去的对称性和夸克禁闭两大难题等。”
让我们依据李政道先生在这本书中的阐述,来理解他的诗作。

一微观与宏观

大者基于小, 甚或更小焉。欲穷其极小, 极大须钻研。Large things are made of smallAnd even smaller.To know the smallestWe also need the largest.

人类对世界的好奇心,是科学发展的一大动力。大至宇宙,小至粒子,是人类追索的两大极端,而智者则进一步探求其间的关联。李先生的西南联大校友黄昆先生给半导体所的题词说:“物穷其理,宏微交替。” 与李政道先生可谓英雄所见略同。
大与小,在物理学上有基本的意义。宏微有不同,从而有交替之言。凝聚态物理的开启者安德森有一句銘言:“More is different (多会带来不同)”,揭示了凝聚态物理从原子分子物理的跳跃。如李政道先生所说,“Large things are made of small”,原子分子凝聚以后发生了质的变化,凝聚态物理已经成为物理学最宏大且最活跃、与人类生活关联最紧密的分支。二十世纪初物理学的两大革命,相对论和量子力学,分别发展了关于宏观和微观世界基本物理规律的学说。李政道先生指出:“如果一切东西都只是由粒子组成的话,那么我们的世界就只是一个粒子的世界。但是,我们生活在宏观环境中的大多数人完全不知道微观世界。尽管如此,微观世界是基本的,宏观世界只不过是它的表现。由于我们的感觉并不是最灵敏,我们常常忽略了这一点。反过来,如果这两者确实涉及的是同一个世界,我们物理学家怎么能够常常把微观世界看成一个由一些小基本粒子组成的小孤立世界呢?然而,这个观点却渗透到我们所有的物理实验和几乎所有的分析中。当然,这也一定只是一种近似;观察到的孤立的微观世界不可能完全符合真实。思考微观与宏观的统一是哲学,而把这种二重性定量化则是物理学的任务。”在这里,李先生把宏观和微观的关系提升到哲学的高度,两者是对立统一,反映事物的两重性。

他认为,“在21世纪,微观和宏观应结合成一体。例如造计算机,是不是越小的集成电路就越好呢?我们可以把集成电路越造越小,小到氢原子,可是我们对氢原子完全懂,这里不可能再有什么更多的信息。可能21世纪的计算机要的是较大的,是个凝聚态的单位,这里的信息才更多。20世纪是越微小越好,我们觉得小的是操纵一切的,而我猜测,21世纪将要把微观和宏观整体地联系起来(holism),这不仅会影响物理,也许会影响到生物学的发展。微观和宏观必须要结合起来,这个结合对应用科技也可能会有极大的影响。目前,微观和宏观的冲突已经非常尖锐,靠一个不能解决另一个,把它们联系起来一定会有一些突破。这个突破将会影响到科学的未来。”

二真空的本质

而微观和宏观的连接点,或者说共同的根据,都在于真空。

真空存万物, 每处每瞬间。何堪微观物, 不与宏观连?All lie in vacuumEverywhen and everywhere.How can the microBe separate from the macro?

所有的一切都存在于真空之中,无论何时何地。真空就是万物之所在、所依、所生,不管微观还是宏观。依然如此,微观与宏观何能分离?

李政道先生认为,“真空可能是非常复杂的。我们将看到,在真空中可能不断发生粒子-反粒子对的虚产生和湮没。因此,真空类似一种物理介质。”他明确指出:“按照我们现在的观点,物理真空具有以下性质:(1)没有物质的态;(2)但由于有相互作用,有能量涨落(虚物质);(3)有洛仑兹不变性;(4)因此不是以太;(5)有复杂的凝聚能够破坏对称;(6)好像超导体,可以有相变。”因此“如果发现真空确实如同一种物理介质,并且如果我们确实可以用物理手段改变真空的性质,那么,微观世界就通过真空与宏观世界建立起紧密的联系。也许,通过揭示真空的性质,可以使我们发现远比我们迄今为止已知的更为令人激动的结果。”微观与宏观,就这样通过真空而紧密联系起来。真空无所不在,因此世界是微观的,也是宏观的,在宏观中,深藏着微观的机制,在微观中,蕴含着宏观的物理。因此“欲穷其极小,极大须钻研。”把相对论与量子力学统一起来的理想之火,从来没有在伟大物理学家的心中熄灭。

三对称与不对称

从对真空的认识出发,李政道先生深入探讨了物理学的一大命题:对称:“真空可能是非常复杂的。我们将看到,在真空中可能不断发生粒子-反粒子对的虚产生和湮没。因此,真空类似一种物理介质。”“既然真空是复杂的,那么,它有可能像任何物理介质一样,会出现不对称,就是可以理解的了。”“我们现在要讨论的是一种通常(在物理文献中)称为‘对称性自发破缺’机制的基础。在这种机制中,人们假设不对称的根源都在物理真空中。”

现代物理学认为基本粒子就产生于真空的对称性破缺:“在量子色动力学(QCD)”中把真空看成一种复杂介质。核子和介子看成在这种介质里的气泡(半径大约1费米)。在每个气泡(称为‘口袋’)内,对介子有一个夸克—反夸克对,对核子有三个夸克。由于真空对气泡的压力,夸克不可能出来,这就造成了“夸克禁闭”现象。而在气泡内部,夸克可以很自由地运动。夸克的动能与外面真空的压力平衡,使气泡不至于垮掉。为了理解夸克禁闭与真空性质的关系,我们还可以将超导和夸克禁闭作一比较。超导体是一种完全抗磁体,磁场进不去;而夸克禁闭意味着色电场出不来。所以,只要把磁场H换成色电场E,把超导体换成QCD的真空,内部换成外部,外部换成内部,那就把色场挤进袋内,这就导致夸克禁闭。”

李政道先生指出:“目前的情况正像20世纪初出现的情况一样,也提出了两个科学疑难,就是本书前面谈到的对称性破坏和夸克禁闭。我们现在认为,这两个疑难可能都来自真空。什么是真空?真空是没有物质的态,可它仍有作用,有作用就有能量的涨落。这能量的涨落是可以破坏对称的。为什么夸克走不出来呢?前面我们已经谈到过,这和超导类似。超导是抗磁场的,假如有一块材料没有变成超导前有磁场通过,一变成超导,磁场就被排出来了。假如有一个圆圈,里面有磁场,没变成超导前磁场可以任意进出,一旦变成超导,磁场就出不来了。我们认为,在真空的涨落中,很可能有磁单极子和反磁单极子,它们抗量子色动力学的场。真空是物理的相对论性的凝聚态,它虽然是没有物质的态,却是有作用的,也是可以激发的。相对论性的重离子碰撞,用每核子100GeV的高能量金核和金核相碰撞,金核相互穿过去,在两核中间产生了新的真空,这里面夸克就可以自由行动。..... 如果实验证实真空是可以被激发的,那么粒子的微观世界和宏观的真空就结合起来了。这将是一个重要的新发展。”结论就是:“要解决这两个大难题:失去的对称性和看不见的夸克,都必须求助于真空的动力学。假如真空果真是粒子物理微观世界中这些奇异现象的根本原因,那么它对宇宙中能量和物质的宏观分布一定也会有重要的影响。”

关于对称在物理学中的基本意义。李政道先生和杨振宁先生也有不约而同的透彻理解。李政道先生说“在探索宇宙的征程中,对称与不对称交相呼应,构成自然界的基本规律,成为指引人类探索大自然的灯塔。我们发现,描写大自然的理论和方程大多是对称的,而自然界本身的现实存在却是不对称的。例如大爆炸中,由于生成的正物质和反物质的不对称,才会构成现在的宇宙世界。”“对称和不对称是从宏观世界到微观世界普遍存在着的现象。从古至今,人们一直在研究和应用着这个自然界十分有趣的现象。”杨振宁先生关于对称的论述更是比比皆是,他把对称性,相位和量子化看成是物理学的三大支柱,江才健先生为杨振宁先生大传起的标题就是《规范与对称之美》,可谓名副其实!

四结语

李政道先生对21世纪物理学的发展保持乐观,并寄予厚望。他认为:“21世纪物理学还将有重大的发展:激发真空,制造像宇宙开始的状态,了解暗物质,了解类星体的能源,了解CP(电荷与宇称)不对称的根源,微观和宏观物理的结合……20世纪的科学文化发明在19世纪末是很难想象的!没有20世纪初基础科学的发展,20世纪的科技应用和开发就没法产生出来。我相信,21世纪物理学的这些重大问题的解决也同样会对21世纪的科技应用和开发产生重大的影响。”从一首小诗,和一本小册子,我们学到了一位伟大物理学家深邃的目光、深刻的哲思,和深远的信念。言简意赅,获益匪浅!

本文经授权转载自微信公众号“溪谷清流”。

 

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