從夸克到弦：探索物理學(xué)家成功之路

潘雅+++王汗青

摘 ? 要：2004年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者戴維·格羅斯（David Gross），現(xiàn)任美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校物理學(xué)教授、凱維里（Kavli）理論物理研究所所長，普林斯頓大學(xué)托馬斯·瓊斯數(shù)學(xué)物理學(xué)教授，中國科學(xué)院國際顧問委員會主席。他在理論物理，尤其是規(guī)范場、粒子物理、超弦理論等方面有一系列杰出的研究成果。他是強(qiáng)相互作用的基本理論——量子色動力學(xué)的奠基人之一，也是雜化弦理論的創(chuàng)立人之一。1962年，格羅斯教授獲得耶路撒冷希伯來大學(xué)的本科和碩士學(xué)位;1966年獲得加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位并在哈佛大學(xué)擔(dān)任助理研究員，隨后進(jìn)入普林斯頓大學(xué)工作。1973年，格羅斯被評為教授，并且被提名為尤金·希金斯物理學(xué)教授和托馬斯·瓊斯數(shù)學(xué)物理學(xué)教授。1985年，格羅斯教授當(dāng)選美國科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院院士，1986年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士，1997年擔(dān)任加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校凱維里理論物理研究所所長。格羅斯教授的研究興趣集中于量子色動力學(xué)、超對稱場論、弦理論和大統(tǒng)一理論，研究成果在國際上產(chǎn)生了重要影響，并因量子場論中夸克漸近自由過程中的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)獲得了2004年度諾貝爾物理學(xué)獎，于2006年任國際弦理論會議主席。本刊近日就如何走上物理學(xué)道路、如何在物理學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)生新想法、當(dāng)代青年人如何獲得成功等問題對格羅斯教授進(jìn)行了專訪。訪談中，格羅斯教授認(rèn)為，少年立志是邁向成功的第一步，實驗是物理學(xué)研究的首要方法，堅持不懈是通往諾貝爾獎的必經(jīng)之路，物理學(xué)研究是理解自然運行方式的途徑，保持好奇和激情是青年人成功必備的素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：諾貝爾物理學(xué)獎;物理學(xué)生涯;從夸克到弦

一、少年立志是邁向成功的第一步

《世界教育信息》：格羅斯教授，您好，很高興您能接受我們的采訪。您在此次的北京之行中為青年學(xué)生做了“我的物理學(xué)生涯——從夸克到弦”的講座，得到了熱烈反響，大家在講座中深受啟發(fā)。首先，請您談?wù)勀侨绾巫呱衔锢韺W(xué)之路的？

戴維·格羅斯：年輕學(xué)生們經(jīng)常問我是在什么時候決定成為一名物理學(xué)家的。13歲時，我就開始閱讀科普書籍，包括一些著名科學(xué)家，如愛因斯坦等的著作，領(lǐng)域涉及數(shù)學(xué)、物理等。在這些書籍中，最吸引我的是愛因斯坦的《物理學(xué)的進(jìn)化》。那時候，愛因斯坦是我心目中的英雄，他就像上帝一般令我崇敬。而當(dāng)我閱讀了他的信件、文稿、著作之后，他又像是我親密的朋友。愛因斯坦曾說：“用你的智慧去探索宇宙的奧秘?！边@句話深深地觸動了我。愛因斯坦說的很對，物理學(xué)家面臨的最大考驗就是如何通過純粹的推導(dǎo)來獲得自然的基本規(guī)律。這個聽起來雄心勃勃的目標(biāo)令我激動，因此我在13歲的時候就決定將畢生精力用于物理學(xué)，去探索物質(zhì)的基本構(gòu)成、自然運行的基礎(chǔ)規(guī)律以及力的規(guī)律。

我研究的領(lǐng)域是基本粒子物理學(xué)，它的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和理解比原子核更深層次的微觀世界中所有物質(zhì)、力的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)?；玖Ｗ游锢韺W(xué)的歷史已有2000多年，它的假設(shè)源于古希臘，那時候人們就猜測物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。然而，從上個世紀(jì)開始，人們才開始相信這個假設(shè)，并且開始探索原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)我在13歲立志成為一名物理學(xué)家的時候，通往這個目標(biāo)的路徑就已經(jīng)非常明確了。我學(xué)習(xí)了物理和數(shù)學(xué)專業(yè)，并且拿到了本科和碩士學(xué)位，最后進(jìn)入粒子物理學(xué)的研究中心工作。我曾在加州大學(xué)伯克利分校的研究中心從事研究工作，那里有當(dāng)時全世界最大的粒子加速器。現(xiàn)在，世界上最大的粒子加速器在瑞士日內(nèi)瓦，占地面積達(dá)幾十平方公里，是之前那臺粒子加速器的幾千倍。這是一臺非常棒的機(jī)器，可以用它去研究原子核內(nèi)部構(gòu)成和原子核運動的本質(zhì)。

二、實驗是物理學(xué)研究的首要方法

《世界教育信息》：您在物理學(xué)領(lǐng)域辛勤耕耘了幾十年，并于2004獲得了諾貝爾物理學(xué)獎的殊榮。那么，您是如何研究物理問題，如何產(chǎn)生新想法、提出新理論的呢？

戴維·格羅斯：其實，物理學(xué)有很多種不同的研究方法。對于理論物理學(xué)來說，一種常用的方法就是合作，我工作的研究機(jī)構(gòu)有很多研究項目，每年都要召集上千名來自不同領(lǐng)域的專家在一起討論、辯論。所以，很多研究是在合作討論以產(chǎn)生新想法的基礎(chǔ)之上建立的。對于實驗物理學(xué)來說，一種常用的方法是實驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)和解釋新現(xiàn)象，這是非常重要的。總的來說，實驗是第一位的，合作、討論是第二位的。

至于我的新想法來自何處，連我自己也解釋不清。有時我在與別人談話或者看到一些事物、事情的時候，就會有新的想法。新想法的來源是難以解釋清楚的，但是你需要跟你的同學(xué)、朋友們一起，去觀察并實驗，不斷驗證你的想法。

再回到基本粒子物理學(xué)，在這個研究方向上，我們是如何做研究的，又是如何觀察原子核內(nèi)部構(gòu)成的？其實只有一種方法，就是讓粒子對撞，并且觀察對撞后產(chǎn)生的物質(zhì)。這個方法如果拿來研究手表的內(nèi)部構(gòu)造，那是非常愚蠢的，因為我們只要把手表拆開觀察就可以了。但是對于粒子和原子核內(nèi)部的研究，唯一的方法就是讓它們對撞，這個方法已經(jīng)沿用了100多年。

當(dāng)我還是一名學(xué)生的時候，就拍攝了“氣泡室”①的照片，記錄了質(zhì)子對撞那一剎那的景象，用來探索質(zhì)子的內(nèi)部成分。這是一項相當(dāng)有難度的工作。在20世紀(jì)60年代，著名的物理學(xué)家弗里曼·戴森②曾預(yù)言，有關(guān)質(zhì)子內(nèi)部構(gòu)成的合理理論要在100年之后才能產(chǎn)生。但是，我們只用了13年就發(fā)現(xiàn)了正確的理論。現(xiàn)在，我們能夠利用更大規(guī)模的加速器和更精準(zhǔn)的照相機(jī)來輔助檢測粒子對撞后產(chǎn)生的物質(zhì)。我們團(tuán)隊的同事需要計算出這些迸發(fā)出的數(shù)百個粒子在對撞的那一瞬間是如何運動的，這項工作也有相當(dāng)大的難度。

三、堅持不懈是通往諾貝爾獎的必經(jīng)之路

《世界教育信息》：您早在1973年就通過一個完善的數(shù)學(xué)模型揭示了夸克漸進(jìn)自由現(xiàn)象，這距離您2004年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)有31年，請您談一談為何兩者之間存在如此大的時間跨度？

戴維·格羅斯：因為在物理學(xué)領(lǐng)域，僅提出一個理論是不夠的，更重要的是驗證理論的正確性，這個驗證過程會花費很長時間。比如，根據(jù)我提出的量子色動力學(xué)③理論，可以做出一些推論和預(yù)測，這些推論需要做大量的實驗來證明。只有實驗結(jié)果與預(yù)測的數(shù)據(jù)是基本吻合的，這個理論才具有說服力。這個驗證過程有賴于檢測儀器設(shè)備的更新和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，因此會耗費許多年的時間。我要說明的是，雖然量子色動力學(xué)目前還沒有被證明是正確的，但在有了更加精準(zhǔn)的檢測方法后，它也沒有被證偽。我們已經(jīng)進(jìn)行了上千次實驗進(jìn)行驗證，因此有足夠的信心認(rèn)為量子色動力學(xué)是正確的理論。

20世紀(jì)60年代末，物理學(xué)界就已發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等粒子是由更小的基本粒子構(gòu)成的。這些基本粒子被叫做“夸克”④，它們具有特別的性質(zhì)，釋放分?jǐn)?shù)電荷而非整數(shù)電荷。因為沒有人見過夸克，所以很少有人相信它們是真實存在的。但是，用夸克可以合理解釋質(zhì)子和中子的構(gòu)成。比如，質(zhì)子由三個夸克（兩個上夸克和一個下夸克）組成，中子也由三個夸克（兩個下夸克和一個上夸克）組成。如果我們再引入另一種類型的夸克——奇夸克⑤，就能夠解釋更多在粒子對撞過程中產(chǎn)生的其它粒子。后來，我們假設(shè)每一種夸克之下又可細(xì)分，并用三種不同的顏色來區(qū)分⑥。雖然這能夠解釋一些粒子的構(gòu)成模式，但是意義并不大。

當(dāng)用很大的能量來撞擊一個原子的時候，一些原子核周圍的電子將會釋放，原子也會電離化。這就是我們通過撞擊原子來釋放電子從而產(chǎn)生電流的方式。同樣的道理，如果質(zhì)子是由夸克構(gòu)成的，那么撞擊質(zhì)子的時候，夸克就會釋放，但是為什么沒有人見到過夸克呢？為解決這個問題，我們建立了一個更大的加速器和對撞機(jī)，但是仍舊沒有捕捉到夸克。這個難題的答案最終被我們在40年后找到，其實它與真空的性質(zhì)有關(guān)。大家可能認(rèn)為真空里面沒有任何物質(zhì)，但實際上它包含了各種不斷變化的場，正是這些不斷波動的場調(diào)節(jié)并傳遞了原子核強(qiáng)大的力量。我們認(rèn)為，這些能量來自于夸克。如果沒有這個發(fā)現(xiàn)，我們可能會認(rèn)為兩個夸克間的相互作用力是跟它們距離之間的平方成反比的，但事實并非如此?？淇酥g的相互作用力隨夸克之間的距離增加而增大，這就是我們所說的漸近自由⑦現(xiàn)象。這個現(xiàn)象引導(dǎo)我們?yōu)榱孔由珓恿W(xué)理論建立了基礎(chǔ)，該理論可以合理解釋漸近自由現(xiàn)象。正是漸近自由現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)讓我獲得了2004年的物理學(xué)諾貝爾獎，并受到瑞典國王的接見。

雖然很多科學(xué)家在各自的崗位上默默耕耘了許多年，得不了諾貝爾獎，但這并不妨礙他們成為偉大的科學(xué)家。獲得諾貝爾獎并不是第一位的，更何況，科學(xué)家也不是為獲獎而工作，單純?yōu)楂@獎而工作是很愚蠢的想法。人們之所以從事科學(xué)研究，主要是因為對科學(xué)感興趣。對科學(xué)家而言，真正的獎勵是工作中有新的發(fā)現(xiàn)。諾貝爾獎只是一種榮譽、一個記號，不能看得太重。

四、物理學(xué)研究是理解自然運行方式的途徑

《世界教育信息》：基于這些年的研究，您還有其他新的發(fā)現(xiàn)嗎？目前，物理學(xué)領(lǐng)域的研究前沿是什么？

戴維·格羅斯：除了花費時間驗證理論的正確性之外，我們還致力于用量子色動力學(xué)來解釋一些現(xiàn)象，比如，我們的質(zhì)量從何而來。我們知道，物質(zhì)由原子組成，原子的質(zhì)量集中在原子核，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子分別由三個夸克組成，由此可推知，我們的質(zhì)量可能主要來自夸克的質(zhì)量。然而，這是錯誤的。因為夸克幾乎沒有質(zhì)量。我們身體質(zhì)量的主要來源實際上是夸克之間相互作用的能量。物理學(xué)中有個著名的公式E=mc2，也就是說一個物體在靜止的時候，它的質(zhì)量就等于它具有的能量除以光速的平方。因為夸克運動的速度非?？欤跃哂写罅縿幽?，那么，為什么它們不會從質(zhì)子中逃逸呢？這個問題就要用我之前提到的漸進(jìn)自由現(xiàn)象來解釋，當(dāng)兩個夸克的距離越大時，它們之間的拉力也越大，所以就被限制在了質(zhì)子中。因此，質(zhì)子的質(zhì)量主要來自于夸克運動的能量。這個理論不僅可以用來解釋質(zhì)子質(zhì)量的來源，也可以解釋其他粒子質(zhì)量的來源。作為一名物理學(xué)家，獲得諾貝爾獎是件令人高興的事情，但更讓我激動的是能夠通過研究和構(gòu)建理論來理解自然的運行方式。

講到這里，大家可能會有疑問，宇宙中是否存在比夸克更小的粒子呢？我的答案是——不知道。但是，我們還有弦理論⑧可以解釋這個問題，所以當(dāng)我們擁有更加精密的顯微儀器和更大規(guī)模的加速器、對撞機(jī)之后，可能會發(fā)現(xiàn)，夸克內(nèi)部不是由粒子構(gòu)成的，而是震動的弦。我喜歡弦理論的這個觀點，也在研究這方面的問題，但它有可能是錯誤的。如果想要更深入地了解這個問題，我們需要做更多的實驗來驗證。目前，我們還不知道這個問題的確切答案，但是在未來的幾十年甚至一百年里，物理學(xué)愛好者們在探索這個問題的過程中會獲得很多樂趣。

除了我之前提到的一些物理學(xué)理論之外，目前的物理學(xué)還在探究很多有趣的問題，我簡單介紹三個。第一，關(guān)于暗物質(zhì)的研究。宇宙很大一部分由暗物質(zhì)構(gòu)成，但我們還沒有在地球上檢測到這種暗物質(zhì)，也沒有在實驗室中制作出來。第二，對宇宙產(chǎn)生本源的研究。宇宙起源于大爆炸，因此我們需要探索很多有關(guān)宇宙大爆炸的問題。第三，對量子計算機(jī)的研究，探究利用量子計算機(jī)能否實現(xiàn)人工智能并且超越人類智力。

五、保持好奇和激情是青年人成功必備的素質(zhì)

《世界教育信息》：很多人都想知道您取得成功的原因，請問，您對當(dāng)代青年有什么建議，您認(rèn)為獲得諾貝爾獎需要具備哪些素質(zhì)？

戴維·格羅斯：我認(rèn)為，首先要有運氣，這包括出生在合適的時代，有家長和教師的支持以及合適的機(jī)會。當(dāng)代中國青年學(xué)子都已具備這些運氣，因為我看到有非常支持你們的家長和敬業(yè)的老師，并且你們出生在一個很好的時代，這個時代對于世界尤其是中國的科技發(fā)展來說是非常好的時機(jī)。

除運氣之外，我認(rèn)為最重要的還有三點。第一，好奇心，珍惜你的好奇心并且不斷去滿足它。我認(rèn)為，擁有好奇心并且進(jìn)行科學(xué)探究是人類優(yōu)于其他物種的原因。由于有好奇心，我們發(fā)明了語言來溝通和傳遞知識，探索世界，我認(rèn)為這是深植于我們基因之內(nèi)的。這種對于宇宙和自然的好奇，存在于每一個人的天性之中，科學(xué)探究就是來滿足我們這種好奇心的。好奇心促使我們理解這個世界，并掌握適應(yīng)世界的方法。我認(rèn)為這也是各國都大力支持科學(xué)研究的原因，一方面可以更加全面、深入地了解自然、社會和我們的整個世界;另一方面，能夠更好地掌握與世界互動的方法。第二，激情，只有致力于你真正熱愛的事業(yè)才會取得成功。第三，僅有好奇心和激情仍是不夠的，還要堅持和努力，任何事情都不是輕易能夠做出成就的。在堅持目標(biāo)的過程中會遇到很多困難，這是非常正常的現(xiàn)象，你能做的所有努力只有一個方向——就是繼續(xù)堅持做下去，這是沒有公式和范本的。

最后，我還要送給大家兩條建議：第一，跟隨自己的內(nèi)心，不盲目從眾;第二，志存高遠(yuǎn)，不畏失敗。如果你有高遠(yuǎn)的志向，失敗將會是常事，但如果不去嘗試，那么永遠(yuǎn)不會成功。只要從事自己摯愛的事業(yè)，即便失敗，我們也享受了整個過程。年輕人要做自己喜歡的事;敢于提問，而且要經(jīng)常提問;敢于承擔(dān)風(fēng)險。大家都知道，做自己喜歡的事不一定都能成功，但還是要敢于嘗試。嘗試了有可能失敗，但不去嘗試就不可能成功，做自己喜歡的事，即使失敗了也是快樂的。

注釋：

①氣泡室：Bubble Chamber，是探測高能帶電粒子徑跡的一種有效的儀器，它曾在50年代后一度成為高能物理實驗最風(fēng)行的探測設(shè)備，為高能物理學(xué)創(chuàng)造了許多產(chǎn)生重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會。氣泡室由美國人D.A.格拉澤于1952年發(fā)明，曾給高能物理實驗帶來了許多重大的發(fā)現(xiàn)，如新粒子、共振態(tài)、弱中性流等。

②弗里曼·戴森：Freeman Dyson，美籍英裔數(shù)學(xué)物理學(xué)家，普林斯頓高等研究院教授。

③量子色動力學(xué)：Quantum Chromodynamics，簡稱QCD，是一個描述夸克之間強(qiáng)相互作用的標(biāo)準(zhǔn)動力學(xué)理論。它和量子電動力學(xué)是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的組成部分。

④夸克：quark，是一種基本粒子，也是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元。

⑤奇夸克：Strange quark，是夸克的一種，它屬于費米子，在夸克里是第四重。

⑥夸克不是真的具有這三種顏色，只是通過賦予顏色來方便區(qū)分。

⑦漸近自由：Asymptotic Freedom，是某些規(guī)范場論的性質(zhì)，在能量尺度變得任意大的時候，或等效地，距離尺度變得任意小的時候，漸近自由會使得粒子間的相互作用變得任意地弱。

⑧弦理論：String Theory，是理論物理的一個分支學(xué)科，它的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”。

編輯 張金曉 秦悅

采訪整理：潘雅，教育部教育管理信息中心世界教育信息雜志編輯部（電子郵件：panya@moe.edu.cn）;王汗青，教育部教育管理信息中心世界教育信息編輯部實習(xí)生、浙江大學(xué)教育學(xué)院學(xué)生（通訊地址：浙江省杭州市西湖區(qū)天目山路148號;郵政編碼：310000;電子郵件：zjuhqla@163.com）