“极大”与“极小”|诺奖得主:根本科学问题也是哲学问题

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作者 | 田瑞颖
其大无外,其小无内。早在几千年前,人们就试图用哲学解释科学,至小即至大,至大即至小。

近日,1979年诺贝尔物理学奖获得者、著名理论物理学家斯蒂文·温伯格教授在中国科学技术馆开设的《科学连线》栏目中讲述了“极大”与“极小”的宇宙学与粒子物理学的故事,并指出根本的科学问题也是哲学问题。

“物理学家研究的‘极小’就是大自然的最小尺度,比原子核还小,‘极大’就是大自然的最大尺度,大到整个宇宙。”温伯格表示,“‘极大’与‘极小’的研究相互促进,共同支撑物理学家了解自然的最终定律。”

此外,在温伯格看来,基础理论为科学家开展研究指明了方向,而实验手段则是验证理论的重要途径。

基础理论是指引
在温伯格看来,物理世界中有些现象被视作原理,可以由基本定律验证,而有些现象则充满了偶然性。

例如,行星运动三大定律的发现者约翰尼斯·开普勒发现行星运行轨道是椭圆的就是原理,但行星运行轨道的半径究竟多大则是偶然。

“了解什么是原理、什么是偶然,是科学的一项艰巨任务,而在这点上,我们很难预先知道。”

因此,温伯格认为,基本定律的提出将来有两种可能性,一是在未来有限的时间中发现基本定律,此外再没有更基本的定律被发现;二是随着时间推移,从更基本的定律中推导出新的基本定律。

在温伯格看来,很难证明哪种可能性更大。不过,“无论如何,重要的是提出基本定律的假设,只有提出理论假设,才能有开展科研的方向和动机”。

中国科学院高能物理研究所研究员、CEPC(环形正负电子对撞机)加速器负责人高杰对此表示赞同,“因预测被称为‘上帝粒子’的希格斯玻色子的存在,2013年诺贝尔物理学奖授予比利时理论物理学者弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯。

而从他们提出希格斯玻色子存在的假设,到在大型强子对撞机上通过实验证实,经历了50多年。由此可见,没有理论的指导,我们的研究会漫无目的。”

实验手段是途径

在高杰看来,理论固然重要,但并非所有理论一定正确,这需要通过实验手段验证,“只有理论,不通过实验手段去验证,科学研究就是‘纸上谈兵’,无法继续发展”。

高杰解释道:“目前人类所认识的宇宙分为三大部分:物质世界、暗物质和暗能量。宇宙中物质世界约占4%、暗物质约占23%、暗能量约占73%。但是,到目前为止,暗物质和暗能量还停留在科学家的预测阶段,还需通过实验手段进行验证。”

而研究暗物质等问题需要将微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学相结合。因此,“极大”与“极小”的关系成为21世纪物理学和天文学研究的新特点。

“‘极大’和‘极小’听起来是两个极端,实际上是不可分割的,这也是一种哲学问题,要大胆去思考和假设。但是,要将假设变成科学知识,就需要理论和实验验证。”高杰说,“基础研究犹如大树的根,扎根越深,树才能长得越好,因此,先进的实验手段显得极为重要。”

高杰认为,在实验验证研究成果的过程中,通过带动技术、企业、产业等,反过来还会推动其他方面的广泛应用,使科研和生活更进一步。

“临门一脚进球成功”的喜悦
实际上,虽然获得了诺贝尔物理学奖,温伯格的科研之路并非一帆风顺。回首其60多年的科研历程,温伯格见证了诸多理论被验证,但他也坦言:“我科研生涯中的绝大部分是失败经历,但我依然很开心,因为哪怕只有一次很小的成功,都会让所有的努力变得有价值,这是件令人兴奋的事情。”

高杰对此颇有同感,“做科研就像踢足球,全程的努力都在‘临门一脚进球成功’的喜悦中得到回报,这就是科学体验,充满挑战的同时也非常有趣。”

在高杰看来,真正的科学家的初心是纯真的、非功利的,“正如爱因斯坦相对论从提出到被证实历经了百年,这期间科研进程没有中断,更没有因为一个理论没有被验证而使科学探索变得没有意义。

此外,没有发达的技术手段就无法完成科学验证,这需要不断提高人类社会发展的技术水平”。

高杰也不认同“冷板凳”的说法,“真正的科学家不会认为自己坐的是‘冷板凳’,因为他们对自己的专业和科研工作充满了喜爱和热情”。

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