诺奖得主盖尔曼演讲：美、真和...... 物理学？

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再过几天，2019年诺贝尔奖便会揭晓。而就在今年早些时候，1969年度诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）去世。今天的文章是盖尔曼2007年面向普通大众的一个演讲，「返朴」希望以此文纪念盖尔曼——这位提出夸克模型的天才物理学家。在演讲中，盖尔曼幽默风趣，以简单的语言勾勒出了物理学基本理论的轮廓。时隔多年，我们仍能从中感受到他醉心于物理理论之美时的迷人风采。

撰文 | 默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）

翻译 | 太瘦生

Murray Gell-Mann，1929.9.15-2019.5.24

感谢将我的同事们（指牛顿、爱因斯坦等）的肖像张挂在这儿，（听众大笑）我们后面会谈到他们。现在，我想要做一个实验。通常来说，我不做实验，我是一个理论家。但是我想要看看如果我按下这个按钮会发生什么。好了，的确。我曾经在基本粒子领域工作。这一领域关注下面这些问题：如果将物质细分下去会发生什么？它由什么组成？这些粒子的定律放之四海而皆准，并且它们与宇宙的历史密切相关。

我们对四种力已经知道很多了。肯定还有更多的东西，不过它们是在小之又小的尺度上，我们暂时还没有与它们产生太多瓜葛。我主要想聊的东西是这个：就是在基础物理领域里头我们有一个显著的经验是说，美对于选择正确的理论而言是一个非常成功的判断标准。那么到底为什么会这样呢？

这儿有一个来自我个人经验的例子。事实上，发生这样的事情是相当戏剧性的。在1957年里，大概我们三四个人吧，提出了关于这些力里头的这个弱力的一个还算完整的理论。但是它与七个——数一数，是七个——实验不吻合。这些实验都是错的。

我们是在知道这之前发表这个理论的，因为我们觉得它如此之美，肯定是对的。那些实验肯定是错的，事实也的确如此。挂在那儿的我们的朋友，阿尔伯特·爱因斯坦，当听到人们说“你知道嘛，有个人有个实验好像与狭义相对论不一致，好像是叫 DC Miller 的。那到底咋回事？”这些话的时候，他一般都是毫不在意的。而且他会说，“哦，那都会过去的。”（听众笑）

为什么像上面提到的理论那样的玩意儿会有效？这就是现在要谈的问题。是的，说到美我们到底在说什么？这是个问题。我会试着说清楚——至少差不多说清楚吧。为什么它会有效，这和人有啥关系吗？我会带你们从我提出来的这最后一个问题的答案进入这些话题。答案是，它和人没啥关系。

我们设想，或许在另一个星系里头，绕着某个非常遥远的恒星的某个其他星球上的某个地方，也存在至少和我们一样聪明的生命体，他们也对科学感兴趣。这不是不可能的，我认为可能还存在着不少这样的生命。

很有可能，这些外星球生命物种里头没有一个距离足够近到可以和我们产生瓜葛。但是很简单，它们就在那儿。假设它们拥有非常不一样的知觉器官等等这些东西，比如，想象它们有7个触手，有14个小小的看起来很可笑的复眼，还有一个像是蝴蝶脆饼形状的大脑。它们真的会有不一样的定律吗？有不少人相信会是这样，我认为这完全是胡说八道。我认为确实有一些定律，在任一给定时间里我们当然还没有很好地理解它们——但是我们在努力。我们努力去逐渐接近这些定律。

总有那么一天，我们也许可以真正搞出来关于粒子和力的基本统一理论，我称之为“基本定律”。我们也许离它并不太远。但是即便我们在有生之年碰不到它，我们仍然可以认为有一个在那儿，我们正在努力逐渐接近它。我认为这就是要说的重点。我们可以在数学上表达这些东西。当那些数学非常简单——就是说，当使用一些数学符号，你能不费吹灰之力地在很小的地方写下这个理论——的时候，这也基本上就是我们说的美或者优雅了。

这就是我要讲的关于那些定律的东西。它们真的在那儿。牛顿当然相信这个。他曾经说到，“找出这些定律是自然哲学的任务所在。”对于基本定律，这儿有一个假定，就是假定基本定律真的是关于所有粒子的一个统一理论的形式。现在一些人称它为万物理论。这是不对的，因为这个理论是量子力学化的。我不会深入讨论量子力学以及它大致是什么等等这些玩意儿，不过你们确实听到不少关于它的错的东西。（听众笑）甚至有关于它的、带着不少错误的电影。

这里主要想说的是它预测概率。有些时候这些概率近乎确切。并且在不少熟悉的情况里头，它们就是确切的。不过其他时候它们不是的，有时就只有对于不同结果的概率。所以这也就是说，宇宙的历史并不只是由基本定律决定的。它取决于基本定律和除此之外的一长串巧合或者说几率。

基本理论并不包含那些几率，它们是额外的东西。因此它并不是万物理论。实际上，宇宙中围绕我们的大量信息来自于这些巧合，而不只是基本定律。现在人们常说，通过检验由低能量到高能量再到更高能量，或者说由小尺度到更小尺度再到更小尺度的现象来逐步向基本定律靠近就像是剥洋葱。我们这么不断继续下去，建更高能的加速器来找寻基本粒子，这样就能够逐步深入粒子的结构，沿着这条路，我们就可以逐渐接近基本定律。

实际发生的是，当我们照这么做，并逐渐接近深层次定律的时候，我们发现，就像剥洋葱一样，每一层皮都和上一层皮有相同之处，和下一层也是。我们把它们用数学写出来，可以看到它们用了非常相近的数学。它们需要非常相近的数学。这是相当显著的，这也是我今天想要说到的中心点。牛顿——对，是牛顿——称之为祂。

这位老兄是阿尔伯特·爱因斯坦。嗨，阿尔！他说到，“自然臣服于她自个儿”——这儿他将自然拟人化成女性了。所以实际发生的是，我们得到的新现象，或者说剥出来的洋葱的新一层，那些稍微小一些的洋葱内层，与那些稍大一些的外层类似。我们已有的用于描述上一层皮的数学与我们需要用来描述下一层皮的数学差不多是一样的。这就是为什么那些方程看起来这么简单的原因。因为它们用了我们已经有的数学。

举一个寻常例子：牛顿发现了引力定律，定律的形式是相互吸引的东西的距离平方的倒数的样子。法国的库伦发现了关于电荷的同样的定律。这就是关于这种相似性的一个例子。看引力，有这么一个特定的定律。再看电，非常肯定，还是同样的定律。这是一个很简单的例子。有很多更复杂的例子。对称性在这些讨论中非常重要。你一定知道它说的是什么。比如，一个圆圈在关于圆心的旋转之下是对称的。绕着圆心转，圆圈保持不变。在三维情况下，拿一个球绕着球心转，所有这些旋转都使球和未转前一样。它们就是球的对称性。因此我们就说，一般地，如果在特定操作下，这些操作使得现象或者现象的描述不变，那么就存在着对称性。

麦克斯韦方程组当然在全空间的旋转之下都是对称的。不用在意我们是否将整个空间转动了某个角度，它不会改变电或磁的现象。在19世纪有了一个新的符号体系来表示它，如果你使用了这个符号体系，麦克斯韦方程组就变得简单不少。再后来爱因斯坦用他的关于相对性的狭义理论，找到了麦克斯韦方程组的一整套对称性，这被称作狭义相对论。有了这些对称性，麦克斯韦方程可以变得更短，也更漂亮。

借助矢量分析，利用旋转对称性简化后的麦克斯韦方程组。

利用狭义相对论的对称性进一步简化后的方程组。

让我们来看一下。你不用知道这些东西都是指什么，这没什么关系。你可以只看这个形式。（听众笑）你可以看下这个形式。你看，在上面，在顶上，是包含表示空间三个方向的三个量（x，y，z）的一长溜方程。然后，借助矢量分析，利用旋转对称性，可以得到这下一系列方程组。再然后，利用狭义相对论的对称性，就得到底下这儿的更简单的一列方程组。这表明对称性体现得越来越好。有了越来越多的对称性，这个理论的简单和优雅也就体现得越好。

最后两个方程，第一个方程是说电荷和电流产生所有电场和磁场。下一个——第二个方程是说除了这个之外，不再有其他磁性。仅有的磁性来源于电荷和电流。有一天我们会发现在这个论证里头有一些小漏洞。但是现在，情况就是这样。

现在，这儿有一个很多人还没听说过的非常激动人心的进展。他们应该听说过它，但是技术细节解释起来有点儿难度，所以我就不解释了。我就只提一下。（听众笑）杨振宁，我们称之为弗兰克·杨（“Frank” Yang），他和鲍勃·米尔斯（原文为Bob Mills，指物理学家Robert Mills，英文中常将Robert简称为Bob）在五十年前提出一个对于麦克斯韦方程组的推广，它具有新的对称性，一种全新的对称性。这个推广和麦克斯韦方程组在数学上很类似，但是有了一种全新的对称性。他们希望这怎么着也可以为粒子物理贡献些什么，然而并没有。就它自身而言，它没有对粒子物理产生啥贡献。

不过后来我们几个人进一步推广了它。然后它就有了！它给出了关于强力和弱力的一个非常漂亮的描述。因此这儿再强调一遍我们之前说过的：就是洋葱皮的每一层都显示出和相邻层的相似性。关于相邻层的数学非常类似于我们要用来描述新一层的数学。所以它看起来是非常漂亮的，因为我们已经知道怎么样以一种迷人的、简洁的方式写出它。

所以进入主题了。我们相信，在所有规律性之下有一个统一理论。走向统一之路体现出简单性。对称性呈现出简单性。存在跨越尺度——或者换句话说，从一层洋葱皮到另一层——的自相似性。近似的自相似性。它解释了这一现象。它也解释了为什么美是选择正确理论的一个成功的判断标准。

下面的话是牛顿自己说的：“自然垂爱和臣服于她自己。”他当时在思考的东西在我们今天看来是理所当然的，但在他那时候可不是这样。这儿有个故事，不一定是真的，不过很多人提起过它。四个来源提到过它。说是当时他们在剑桥遭了瘟疫，大学关停了，他就回到他母亲的农庄里。有次他看到一个苹果从树上落下，砸到他头上还是啥。他突然就意识到使苹果掉到地上的力和控制行星和月亮运动的力是一样的东西。

这在我们今天看来是理所当然的，但在当时是相当大的整合，这也就是引力理论。所以他这么说到自然的一致性原则：“自然的原则与哲学家的观念相去甚远，我尽力克制不在书里对之进行细述，否则我会被视为狂妄之辈……” 这是我们都要小心的，（听众笑）特别是在这里。“……读者针对这些东西的偏见正是此书之所由作。”

今天谁还说这不过是人类头脑的虚构呢？就是说导致苹果掉到地上的力和导致行星和月亮转动的力是一样的等等这些。所有人都知道这个。这是引力的性质，它不是人头脑中的什么东西。当然，人的头脑可以领会和接受它，使用它，但是它不是——它并不是源自人的头脑，它是来自引力的特征。我们谈到的所有这些东西都是这样。它们是基本定律的性质。基本定律是这样的，每一层洋葱皮都与其他相似，因而描述一层皮的数学允许你去优美且简单地表示下一层皮的现象。

这儿我要说，牛顿在瘟疫那一年做出了很多东西：引力、运动定律、微积分、由彩虹的所有颜色构成白光。他应该写这么一篇文章——“我在暑期都做了什么”。（听众笑）所以我们不需要假定这些原理是孤立的形而上的假设。它们来自基本理论，它们是我们称作涌现性的东西。你不需要——你不需要为了得到更多东西而需要更多东西。这就是涌现的意思。

生命可以从物理和化学，再加上很多巧合中涌现。人的思维可以从神经生物学和很多巧合中产生，就像化学键产生于物理和一些巧合的方式一样。知道它们来自更基本的东西再加上巧合不会降低这些事物的重要性。这是一般规律，认识到这一点极其重要。你不需要为了得到更多东西而需要更多东西。当人们读到我的书《夸克和美洲豹》的时候不断地问：“没有比你这书里有的东西更多的东西了吗？”大概，他们是指超自然的东西。然而，并没有。（听众笑）你不需要为了解释更多的东西而需要更多的东西。非常感谢！（鼓掌）

盖尔曼的TED演讲题目为“Beauty, truth and ... physics?”，原文和视频链接：

https://www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics#t-408303

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