见著知微:宇宙学对撞机闲话

CosmicCollider
© Paul Shellard

(按:本文略经修改后发表于《环球科学》2017年12月号。转载请联系《环球科学》。)

星系、星系团、超团,这些浮游于时空中的巨无霸,刻画了宇宙在极大尺度下的结构。在另一个极端,微观世界的基本粒子和相互作用塑造了自然界的基本物理规律。研究者近来意识到,精确测量宇宙极大尺度下物质分布的结构,或许有助于发现极小尺度下的未知基本粒子和基本物理定律。

人类对自然界中的“极大”与“极小”有着古老而持久的兴趣。一大一小,代表了对外部世界认知的边界,历来都激发出人们强烈的好奇心和无穷的想象力。《庄子》在开篇《逍遥游》中描画了一幅异想天开的图景,不同大小的生物在各自生活的尺度内生息自如,并行不悖。综观《庄子》全书,小大之辩往往可见。终篇《天下》更借惠施之口道出“至大无外”、“至小无内”这样的命题,在头脑中充塞着现代物理学概念的人读来,别有意趣。

自然界的极大与极小,如今已成为宇宙学和粒子物理学的前沿阵地。得益于近几十年里物理理论与实验观测技术的快速进步,物理学家现在能够在这两种极端的尺度下做相当精确的测量和细致的理论研究。随着这些研究的积累,大家正逐渐意识到,通过观测宇宙大尺度结构来理解自然在极小尺度下的基本物理规律,也许并非天方夜谭。本文将介绍研究者近来围绕“宇宙学对撞机”这个主题,将两个极端尺度下的物理现象合炉同冶的一点理论尝试。

“宇宙学对撞机”这个说法,是Nima Arkani-Hamed和Juan Maldacena两位物理学家在2015年的一篇文章中首先提出的 [1]。乍看上去,这或许会让人联想到“天地大冲撞”之类的灾难情景。可是要以“碰撞”的温度而论,宇宙学对撞机要比彗星撞地球高出许多量级。这个想法将整个宇宙比作一间硕大无朋的高能粒子物理实验室,颇有以天地为栋宇的浪漫情怀。不过要说清楚宇宙学对撞机究竟是怎样一回事,还需拆而解之,先说什么是宇宙学,再介绍什么是对撞机。 继续阅读

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[译]阅读(W. H. 奥登)

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[按:本文是W. H. 奥登的评论文集《染匠之手》(The Dyer’s Hand)的第一篇。我知道此文已有且很可能有不止一种中译。不过最近读此书,觉得蛮可译出一篇作为工作之余的消遣。故戏为之。如同此博客的所有内容,请勿用作商业目的,转载请注明出处。]

阅读

W. H. 奥登
鲜于中之 译

书如同镜子:你不能指望傻瓜从中瞧出圣徒的面孔。
——C. G. 里希腾堡(C. G. Lichtenberg)

阅读只有带着私人目的才会上道。这目的既可以是获得力量,也可以是对作者的仇恨。
——保尔·瓦雷里(Paul Valéry)

作者与其读者的趣味从不相同。而若碰巧重合,就是幸运的意外。

多数读者对他们与作者的关系持双重标准:他们可以随便对他不忠,但他绝对绝对不能对他们不忠。

阅读即翻译,因为没有两个人拥有相同的经验。差读者如同差译者,在应当引申处他却依字面直解,而在本该直解时却引申。在学习如何良好阅读的过程中,学识无论多可贵,总不如天性重要;某些伟大的学者就当过蹩脚译者。 继续阅读

还原论相关问题补议

屏幕快照 2016-02-21 17.21.14

1. 引言

谈论还原论(reductionism)经常是一件危险而棘手的事情,因为这个标签已被物理学家与哲学家毫无节制地贴在一大类非常不同而又难以简单概括的观点上。好在对于物理工作者而言,还原论所意指的观点集群仍有一个大致可辨的轮廓,而当我们局限于这个范围内作讨论时,会相对容易一些。所以,我要在正式讨论开始之前声明,本文将完全从一个物理工作者的视角出发,而不涉及更为宽泛的哲学讨论。

在物理学家的议论中,还原论时常与另一些标签并相出没,如层展(emergence)[1]、有效理论(effective theory)、基本理论(fundamental theory)、终极理论(ultimate theory、final theory、或theory of everything)。当然,所有这些标签所议论的都不是物理问题,但这些非物理问题看来颇能引起物理学家的兴趣,因为它们或多或少都是物理学家对该学科的底层认知中的关键词。过去几年内我在不少文章中也零散地讨论过这些问题。我不知道我的博客有多少长期读者。如果有,那么我想我的观点对于这些读者应当是一贯而清楚的。所以,我从来没有打算单独就此题目写一篇文章,因为我实在更喜欢就具体的问题展开讨论,而不是空泛言之。

我承认使我改变主意的主要原因是“赛先生”最近转载了我的老同学张龙的一篇文章[2]。如果我没记错,这篇文章应该写于大约五年前,那时我们就这些话题应该有相当的讨论。张龙的文章对于层展的想法,特别是对于Anderson就此想法的描述,作了很好的初步介绍。其中观点,我大多是同意的。不过据我观察,这篇文章仍有若干颇可引发误解之处,那么我在这里试着将这些同行朋友大都有兴趣想、而未必有兴致想清楚的问题说得干净一些,也许不是完全多余。 继续阅读

布列兹死了及其他

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1.

最近去世的作曲家布列兹在64年前曾写过一篇著名的檄文,题曰《勋伯格死了》。我本有意仿而以“布列兹死了”作为本篇的题目,以记录自己对现代音乐的一点胡思乱想 [1]。但我又深知自己的知识背景实在不配用此题目作文,所以决定还是不要造次。

那篇檄文给我印象最深之处在其华丽而雄辩的文辞。布列兹的议论总是明确不含混,时常近乎独断,却又混杂着一种迷人的魅力。我想随手摘出一句就足以见其神态:

“No hilarious demonism, but rather the most ordinary common sense, leads me to declare that since the Viennese discovery, every composer outside the serial experiments has been useless.” 继续阅读

暗物质黑洞

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现代宇宙学近二十年中取得的一项巨大成就是,有史以来第一次相当精确地测出了可见宇宙整体所包含的能量,以及其中各种组分所贡献能量的比例。如果我们注意到,人类对宇宙无尽的好奇可以一直追溯到史前,那么说现代宇宙学的这项成就足以在整个人类文明史上占据重要的位置,也就不算夸大其词了。

据目前的理论与观测,宇宙中各种能量组分中,我们已大致明了的部分仅占约百分之五。其余的部分依其已知性质明显地分为两类,物理学家分别名之以暗物质和暗能量。其中,前者约占可见宇宙总能量的25%,后者则高达70%左右。我们目前对这两类能量组分的了解仍然极其有限,因此它们时而被称作21世纪初物理学头顶的两朵乌云。

在这两朵乌云中,我们目前对暗物质的理解相对全面。加之目前全世界已有相当多的暗物质探测实验在进行和计划中,也许这朵乌云有望在可见的未来被驱散。至于暗能量,虽然我向来不喜预测,但是仍然想说,我从没有指望在有生之年看到暗能量之谜被完全解开。(当我写下这句话时,脑中立刻响起当年Landau的预言“强相互作用的正确理论不会在100年之内出现”、以及强作用理论在其后几年内就被发现这个故事。) 继续阅读

自然性、等级、微调

屏幕快照 2016-01-11 22.29.58这篇小文要谈的不是什么新进展,而是一个我觉得应该成为常识的问题,即“幂律发散”(power-law divergence)和与之相关的“自然性问题”(naturalness problem)、或者叫“等级问题”(hierarchy problem)、又叫“微调问题”(fine-tuning problem),特别是粒子物理标准模型中与Higgs场有关的此类问题。

这些问题如今几乎已成为论者借以攻击标准模型的首选利器,研究者在企图引入任何超出标准模型的新理论时言必及之 [1]。因而这些议论虽往往可见,多数却言之泛泛。通晓此道的研究者自可视之为理所当然,但这些过分简化提法对初学者以及与该领域稍有距离的研究者来说,就显得似是而非,不免使人生疑。所以,用这篇日志对此问题稍作澄清,也许并非多余。

这三个问题视角各异,而又相互关联。其中最为技术化的表述当属“微调问题”。既然魔鬼常在(技术的)细节中,我们也就自此谈起。在过分简化的说法中,这常被归咎于Higgs场质量项的量子修正的二次发散。以最简单的\lambda\phi^4模型为例,在动量硬截断\Lambda 正规化下,其一圈图修正的形式如所周知: 继续阅读

Why yet another?

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1.

在博客搬到WordPress之后,我的美好愿望是做到平均每周更新一次。目前的实际效果略低于预期,不过仍在可忍受的范围内。为了不至于差太多,现在该是写新日志的时候了。其实,从12月15日CERN的发布会之后,我大概就知道这篇日志将会是命题作文。(还不知道发生了什么的读者,请先读这篇文章。)

自然,我不会在这里讨论这个新信号的可能来源,不会讨论目前有多少热门理论如何试图解释它,不会讨论理论家如何千奇百怪的猜测。对这些细节感兴趣的读者,应该去看arXiv的每日更新。而不关心细节的读者,则可借本文的题图一窥12月15日以来理论家们就此题目竞相炮制新论文的盛况。

这张图来自nature的另一篇新闻,其中还提到了高能物理学界近年来的两次类似事件,其一是2011年OPERA实验组宣称发现“中微子超光速”,其二是2014年BICEP2实验组宣称发现原初引力波的结果。当然,这篇新闻没有提到2012年Higgs玻色子的发现。所不同之处,前两者在事后都被确认是闹了乌龙,而后者,即Higgs玻色子的发现,最终成为高能物理学史上的丰碑。而相同之处,无非实验家弄了个大新闻,理论家跑得比谁都快。 继续阅读