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寻找终极理论之路

物理学家、1979年度诺贝尔物理学奖得主Steven Weinberg在《终极理论之梦》一书中写道,寻找大自然的终极理论是一场伟大的理性的探险。探索的漫漫征途,虽然布满荆棘,却也风景独好。

2014年1月22日,英国物理学家Ste? phen Hawking在arXiv网站上发表了一篇 未经同行评议的论文,提出了一个相当 具有震撼性的观点:黑洞并不存在!作 为长期以来黑洞研究领域最具影响力的 专家之一,Stephen Hawking 的这篇文章 可谓是一石激起千层 浪。经典黑洞理论认 为,黑洞外部的物质和 辐射可以通过黑洞的 边界(即“视界”)进入 黑洞内部,而任何物质 和辐射都不能穿出视界。然而根据量子 理论,能量和信息可以从黑洞内部逃离 出来。这样一来经典理论中“只能进不 能出”的“视界”就失去了意义,黑洞也就 不存在了。在否定现有黑洞理论之后, Stephen Hawking 提出了“灰洞”理论:物 质和能量在被黑洞困住一段时间后还会 重新被释放到宇宙中(1 月24 日,Na? ture)。

自从1967 年美国物理学家John Wheeler提出“黑洞”概念以来,黑洞便是 物理学中最令人瞩目的研究领域之一。 可是与此同时,相对论和量子力学这2个 现代物理学的支柱理论之间的冲突在黑 洞研究中也表现得尤为明显。相对论的 创立者、物理学家Albert Einstein曾有过 “上帝不掷色子”的名言,以此来反对量 子力学的不确定性;而Stephen Hawking 在《时间简史》中说道:“上帝不仅掷色 子,还把色子掷到了我们看不见的地 方”——这个地方就是黑洞。

“灰洞”理论虽然目前只是一家之 言,还没有得到物理学界的普遍接受,但 却为调和2大理论的矛盾、深化我们对黑 洞的理解提供了一个可能的方向。在寻 找终极理论的道路上,大胆的尝试和无 畏的探索必不可少,适时的修正和反思 也弥足珍贵。这些努力都会成为我们探 求世界本原的里程碑。正如400多年前 哥白尼提出的日心说在今日看来并非真 理,却仍不失它作为人类认识世界的一 场革命所散发出的光芒一样。

人类在把探索的目光投向宇宙深处 的同时,对于探索地球的近邻也是兴致勃 勃。2014年1月23日,美国机遇号火星车 团队发表论文宣布,对火星上一个名为 “奋进”的陨石坑边缘岩石样本的最新分 析表明,早期火星表面存在支持微生物生 存的淡水(1月23日,Science)。机遇号采 样的这个陨石坑有着37亿年的历史,因此 这是迄今为止在火星上发现有水活动的 最早证据。2013年12月9日,好奇号火星 车团队曾经宣布过类似的发现,他们在火 星的另一侧获得了火星在35亿年前有水 存在的证据。机遇号的最新发现可以证 明此前的发现并非意外。美国圣路易斯 华盛顿大学的Ray Arvidson在一份声明中 说:“今天的火星干燥而寒冷,但是在过去 却有水系和湖泊。火星越古老,就越温 暖和湿润。”

这一重大发现无疑是献给机遇号登 陆火星10周年的最好礼物。机遇号的设 计工作时间仅为90天,然而实际的工作 时间却远远超出了预期,并且取得了大 量重要的科研成果。

宇宙瑰丽而神奇,生命世界也充满 了无穷的奥秘。日本理化学研究所发育 生物学实验室的Haruko Obokata 和其同 事发表的2篇论文描述了一种最新发现 的重新编程现象,他们将其称作“刺激触 发的多能性获得”(STAP)。在STAP中, 从新生小鼠身上分离的CD45+造血细胞 因瞬时处于低pH 环境而恢复到未分化 状态,并具备分化成任何细胞类型的潜 能(1 月30 日,Nature)。2006 年及2013 年,日本的山中伸弥团队及加州大学旧 金山分校的丁盛团队先后通过基因操作 和药物诱导的方法获得了多能干细胞。 与以往方法不同,这一次Haruko Obokata 团队使用的是纯物理刺激。这一现象的 发现对于希望以更简便方式制备病患特 异性干细胞的研究者来说具有十分积极 的意义,同时也成为描述生命现象的终 极理论的一块重要拼图。

科学研究取得重大进展,有的时候 靠的是天才的灵光一现,有的时候则需 要几代人的不懈努力。1931年,英国物 理学家Paul Dirac建立了磁单极子理论, 预言了磁单极子的存在。他认为既然带 有基本电荷的电子存在,那么携带基本 “磁荷”的粒子也应该 存在。最近80 多年 来,物理学家一直在 寻觅这种假想粒子。 近日,美国阿默斯特 学院的David Hall 领 导的研究小组在论文中报告了他们通过 将由铷原子组成的稀薄蒸汽冷却到接近 绝对零度的低温(10-11K)从而在玻色— 爱因斯坦凝聚(BEC)中模拟出磁单极子 (1月30日,Nature)。

2009年,物理学家曾经在一种被称 为自旋冰的材料中发现了磁单极子相似 物,但是无法将其剥离出来以独立研 究。而这一次铷原子BEC模拟出的磁单 极子却是单独存在的,并且可以和真的 磁单极子用同一套数学等式来描述。这 为在自然界中寻找真正的磁单极子打下 坚实基础,同时也使物理学家更加坚信 磁单极子的存在。正如Paul Dirac所说, 如果大自然认为磁单极子这样美妙的概 念没用的话,他会感到非常惊讶。对称、 和谐和统一是大自然的魅力所在,因此 我们苦苦寻觅的终极理论也一定具有这 样的特质。

无论是面对浩瀚的宇宙,还是面对 微小的细胞,人类的好奇心从未枯竭。 人类以及人类生活的地球同整个宇宙相 比虽然只是沧海一粟,但是执着寻找世 间万物终极理论的人类却堪称是宇宙演 化的奇迹。这样的思索与追寻,也许正 是人类存在的最大意义。

文/鞠强
(责任编辑杨书卷)