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在历史的海洋里乘风破浪的物理学

近距离观察会发现,做研究就是一团乱麻。

近距离观察会发现,做研究就是一团乱麻。

物理学家总是认为他们的工作是发现自然的真相。这是一个以抽象思维为基础的职业,而且往往是另一种“超尘脱俗”的存在。但是,David Kaiser在他的论文集《量子遗产》中提醒我们,近距离观察会发现,研究工作就是一团乱麻。物理学,就像任何人类活动一样,躲不过历史浪潮的拍打——自有它的凋敝与繁荣,恐惧与流行。

在历史的海洋里乘风破浪的物理学

图中所示为1957年美国宇航局的一名物理学家;当时美国的物理学领域求贤若渴。丨来源:Smith Collection/Gado/Getty。

Kaiser是一位物理学家和科学史家。在《量子遗产》的文字中,他这两方面的专业知识都闪耀着光芒,就像他以前的书一样,比如2011年的《嬉皮士如何拯救物理学》(How the Hippies Saved Physics),其中讲述了二战后美国的物理学领域。

《量子遗产》包括19篇独立的文章,其中大部分都曾以某种形式出版过,现在被集结成册,大致触及以下内容:量子力学的历史;物理学家在上个世纪美国政治中的作用;粒子物理学标准模型的发展;以及宇宙学。(抛开书名不谈,书中大部分内容并不涉及量子物理学。量子计算——堪称该领域最大的遗产——并没有出现。)

Kaiser最出色的地方在于将几十年的历史浓缩到几页纸中,并以大量鲜少科学家会碰触到的文献为支撑。比如有一篇文章谈到了据称冷战期间大量苏联物理学毕业生可能对美国构成的威胁,可谓是一篇历史分析的杰作。他叙述了美国报纸和政客们多年来是如何断章取义地解读统计数字,助长了对苏联科学霸权的恐惧,并在1957年斯普特尼克号(Sputnik)卫星发射后达到高潮,立法将美国培养物理科学研究生的数量提高了70%。这一政策很快就退出了;到1968年,求职的年轻物理学家和招聘职位的数量达到了近四比一。Kaiser做出了冷静的评价:“稀缺性的论调从炒作到放大再到反馈,形成了一个闭环。”

引力电话簿

有一篇论文是关于引力的“电话簿”:Charles Misner、Kip Thorne和John Wheeler在1973年出版的《引力论》(Gravitation)。Kip Thorne揭示了很多普通人对数学的迷恋——无论他们是否理解数学。这本书是一本卷帙浩繁、层次分明的合集,几乎囊括了20世纪70年代初关于广义相对论的所有内容,其中充满了图形、方程、问题集和高度专业化的阐述,以及时而通俗、时而哲学的段落。尽管硬核,但它却出人意料地受欢迎——无论是在大众读者中还是在物理学家中。Kaiser讲述了Wheeler自己是如何推测这其中的原因的,对于许多“不期望也永远不会深究数学的读者”来说,专业的方框内容和插图只是增加了它的神秘感。

在历史的海洋里乘风破浪的物理学

20世纪中期美国的物理学招聘热潮源于对苏联竞争的恐惧。丨来源:Walter Sanders/The LIFE Picture Collection via Getty。

遗憾的是,Kaiser没有一直维持这种清晰和深刻的水平。有几个主题显得武断和过时,他也没有解释为什么这些主题具有特殊的意义。这也是将以前资料重新出版的一个问题,但在某些情况下,至少可以在脚注中解释一下历史相关性,这样对读者会有帮助。在一篇文章中,Kaiser写到了希格斯暴胀(Higgs inflation):该观点认为产生同名玻色子的希格斯场(Higgs field)也导致了早期宇宙的指数级快速膨胀。这篇文章最初发表于2006年,比希格斯粒子被实验探测到的时间早了6年;今天的读者不禁要问,到底有没有任何证据支持或反对希格斯暴胀,以及为什么Kaiser在这么多其他假说中专注于谈论这个关于早期宇宙的假说。

值得深思

此外,还有一篇文章(发表于2017年)谈论的是关于探测引力波的工作,但是没有提到当年除了美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO),还有欧洲的室女座干涉仪(Virgo Interferometer)。这有可能给人一种印象,即在美国以外从来没有人对探测引力波感兴趣过。

一篇关于寻找地外智慧的文章将过去几十年对数千颗系外行星的卓越观测,仅用两句话带过,而且只字未提物理学家霍金和科技巨头Yuri Milner和马克·扎克伯格在2016年宣布的“突破摄星计划”(Breakthrough Starshot Initiative),该计划旨在利用光驱动的厘米级航天器探索我们的银河系一带。

对宇宙大爆炸的反思并没有解释物理学家所说的这个词是什么意思,也没有解释有什么证据可以证明它。而Kaiser说美国院校授予的物理学博士数量像股市一样有涨有跌,这就撇开了一个问题:我们能从这一见解中学到什么?

《量子遗产》写得很娴熟,读起来很愉快。但感觉像是一个错失的机会。那些不熟悉Kaiser科学方面论述的人,可能希望他在探讨具有高度推测性的主题时,添加更多的背景信息。

而我希望他能详细说明他的历史分析可以为今天的研究者提供什么样的经验教训。如果现状核实“可以很容易地落实”来防止物理学招聘的周期性,那么我们现在是否在落实这类检查?如果1973年的一本充满广义相对论方程的书能够吸引那么多非专家读者的兴趣,那么我们是否低估了人们和数学打交道的意愿?如果美国政府一度投入几十亿美元建造超级对撞机最后却取消(位于德克萨斯州的超导超级对撞机在1993年被搁置),那么对于粒子物理学家目前要建造一个更大的对撞机的计划,我们又能抱有什么期待?Kaiser对此保持沉默,但是他的论文合集确实促使我思考这些问题。

本文经授权转载自微信公众号“Nature自然科研”。原文以How physics is rocked by the waves of history为标题发表在2020年4月 6日的《自然》书评版块。相关图书:《量子遗产:一个不确定世界的寄语》(Quantum Legacies: Dispatches from an Uncertain World)作者:David Kaiser 出版社:芝加哥大学出版社(2020年)

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