交互作用一以貫之？


1988年05月221期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1988、05 ＃期號：0221 ＃專欄：＃標題：交互作用一以貫之？＃作者：郭中一　譯		交互作用一以貫之？「了解宇宙，了解它如何運作及源自何處的這項研究，是人類最持久，最偉大的探險。殊難想像，在一個小銀河系中繞行一個不起眼的星球的小行星上，那麼的一小撮居民，居然懸其鵠的於整個宇宙的全解，大化中的滄海一粟，真相信他們能夠了悟全體。」說這話的是葛爾曼（M. Gell-Mann），也是從事此項探險的理論物理學家群中的一位。他們正搜尋宇宙最根本的單一交互作用，此交互作用將可解釋我們周遭的所有現象。要發現此單一交互作用的工作之艱巨，使得甚至是愛因斯坦亦為之困惑，耗費了生命中的最後三十個年頭去追尋統一，卻一無所成。在愛因斯坦逝世後近三十年的今天（譯案：愛因斯坦逝於1955年四月十八日），我們離目標近了一點，但是宇宙似乎仍是根據幾組法則運作，這幾組法則分層作用，互不相關。這些基本自然法則中最明顯的就是重力，它主宰宇宙中最大的物體──恆星、行星及你我。科學家發現的其他三種法則都在次原子層次運作，包括：強核力，它較重力強億萬倍，是將原子核保住的力；電磁力保持電子在原子核的周匝，使尋常物體看來堅實；弱核子則造成某些原子──如鈾──的放射性蛻變。愛因斯坦在數學的迷沼中摸索，卻無法使這些組不同的自然法則統而為一。他內心相信在此之底下必存有一個終極的單純，可使所有的自然法則皆能以單一的法則解釋。此種信念純然植基於美的訴求，一組不可化約、能解釋萬事萬物的方程式。並非所有物理學家都相信此種統一是可能的。奧地利的理論學家鮑立（W. Pauli）曾經開玩笑說：「上帝分開的東西，就不該有人再將它接合起來。」但是統一理論並非使科學持續進展所一定需要的。物理學家對統一理論的需要，不過像是希勒瑞爵士（Sir. E. Hillary，譯案：紐西蘭登山冒險家）對攀登聖母峰的需要一樣罷了。如果發現了此種法則，可能證實它幾乎是毫無意義的，或者可能導致科學的黃金時代。科學家還不知道，正像他們過去未曾想到愛因斯坦對質量與能量的統一會帶來原子時代，或量子力學──物理學家用以解釋次原子粒子運動的數學系統──會用來製造第一具雷射一般。但是統一理論對某些科學家而言，幾乎是一種宗教信仰──自然中所有力與所有物質都應來自單一泉源，類似禪宗之對實體的觀照。環顧今日我們周遭的世界，這麼些不同的力似乎根本不可能會通為一。這肇因於我們所居是一個低能量的、冷卻的宇宙，其中力與物質似是穩定而分離的，但宇宙過去並非如我們今日所見。宇宙自其初始剎那即戲劇性地冷卻下來。於冷卻時，孩提期的宇宙留下一連串線索，物理學家可藉此回溯至起始。許多物理學家相信，在大霹靂（Big Bang）的頃刻或稍後，即存著宇宙之鑰。於此頃刻，在太初劇變（primordial cataclysm）的強烈能量中，這四種力可能在幾分之一秒內是以單一的作用力存在的。此種交互作用被認為是最基本的，所有繼起的力都由其衍生。理論物理學家利用最新數學的重建技巧知道得相當清楚，諸如霹靂後10²¹分之一秒內發生了何事。確是偉大的成就！但是時間回溯得還不夠遠，尚未達到方程式中自然界所有力與法則統合為一的剎那。於此後的階段，四種力各自主宰了宇宙歷史的一段時期，就像是民主政府中各政黨的主政時期一樣。在我們現居的宇宙，最弱也是散布最廣的力──重力，是最主要的力。它施於最廣袤的距離，施於星系、星球及似星體（quasar）──宇宙中最遙遠、最不為人所知的物體。在宇宙140億或150億年之生命期中，殆乎所有時期，重力都是主要因素。前此，於霹靂後的頭數秒內，弱核力最強，再前則是電磁力。強核力很可能主宰了霹靂後頭10⁹分之幾秒，此時能量、質量為一，完全的星球及星系尚未發展。在此的10⁹分之一秒以前，能量強到無法分辨這四種力。至少，大部分理論學家都深信這種描述。「理論物理學家的工作是，利用他能用的一切數學工具，找出東西在冷卻到足使四種力分開，並掩蓋了基礎交互作用之前發生何事，」哈佛理論學家葛拉秀（S.Glashow）於1982年八月的一個雨天在亞斯本物理中心（Aspen Physics Center）告訴我：「包括我在內的許多人，都在研究那個問題，但是尚未有人能夠證明在極早期的宇宙中，所有交互作用真為同一。」葛拉秀在尋找基礎交互作用方面是一個開路先鋒。他在1960年代曾嘗試將某些短生命期的次原子粒子收成族類，希望可引至這個統合的力，但並未成功。他的方法始終產生一些無法解釋、也解決不了的數學上的無限大。那時候在麻省理工學院的維恩堡（S. Weinberg）及倫敦帝國學院（Imperial College）的沙朗（A. Salam）就較為成功。他們在1967年各別造出一組方程式，似乎證明如果某些混淆的因子忽略的話，則弱核力與電磁力是同一的。維恩堡－沙朗模型之美，在於它預測了於粒子加速器──物理學家用以扯去原子的許多外層的原子粉碎器──的特殊條件下，會產生的某些事件。維恩堡、沙朗及葛拉秀因這項研究而均分1979年的諾貝爾獎。 1970年代，其他物理學家發展出許多組不同的計算，試圖證明：不僅弱力與電磁力是相同的，保住原子核的強力也是同一族內的成員。這些類的計算稱為大一統論（grand unified theory或GUT）。有些科學家並不確信大一統論的方法是真正走對了路。葛爾曼說：「它們既不大，也非一統，或許甚至可說連理論都不是，而僅是被誇耀的模型。」但是，他也承認在基礎交互作用的追尋中，這方法或許是最有希望的其中之一。葛爾曼本身首創夸克這一觀念，夸克是一種次－次原子粒子，大部分理論學家相信，它是構成宇宙中所有原子的質子與中子的基本成分。在葛爾曼構思出它們、為它們命名〔間接來自喬埃思（J. Joyce的芬尼根大夢初醒（Finnegans Wake）書中的一句詩「三聲母牛叫『quark』作為集合號」〕之前，1950年代及1960年代初期在加速器中，發現了成打的新粒子，粒子物理學家想解釋它們但焦頭爛額宣告失敗後，粒子物理處於混亂的狀態。由於葛爾曼的夸克合成，粒子物理學家再度將原子的核心視為多少有些整齊、自成格局的小宇宙。葛爾曼承認他希望看到四種力的統合，但他不確定是否能在他有生之年見到。「甚至尚無人能證明現正研究的三種原子內的力有同樣的根源。有些人也許接近了，我不知道，但是對我而言它尚未得證。」重力，這個我們都最熟悉的力又如何呢？它要在何處與大一統湊合呢？雖然對於三種於原子內推拉之力的宇宙之統一理論，粒子物理學家或許接近了，但是重力仍是在外落單的力。當粒子物理學家用他們巨大的加速器向內看，而宇宙學家用他們的望遠鏡在向外看時，他們開始了解他們所看的是同一事物，所以宇宙論中的廣袤世界與原子中的微小宇宙終於互相接近了，但這還未能造成四種力的統一。有許多組科學家正在研究統合四種力，試圖將重力加入其餘三者。葛爾曼告訴我：「他們大部分不知道自己在做什麼，他們只是在使用各種數學技巧罷了。」他謹慎地做了些保留：有一組理論學家有望在揭露此宇宙絕大奧秘上，得到一些進展。這團體是由英國劍橋大學的霍京（S.W.Hawking）所領導。「霍京是唯一站在相對論的一邊而能了解粒子物理的人，」葛爾曼說：「他是一個不尋常的人，一個絕對令人瞠目的傢伙。」（本文譯自J. Boslough, Stephen Hawking's Universe, William Morrow ＆ Co., Ine., NY. 1985.）郭中一就讀於美國Tufts大學物理系博士班　霍京這個人 1974年一個春日的早晨，有一位穿著整齊的年輕人坐在輪椅上，讓人給推上一棟位於卡爾頓屋街（Carlton House Terrace）六號的白柱大廈的台階（從這裡可俯瞰倫敦聖詹姆士公園），而進入大會議廳去接受一項最高的榮譽：當選世界最著名的科學團體之一──英國皇家學院──的會員。霍京（S. W. Hawking）年僅三十二，是學院歷史中最年輕的入選者之一，由於他在理論物理方面的工作而獲得這項殊榮。自十七世紀延續而來的傳統，要求新入選的院士走上講台，與院長握手後簽署榮譽名冊。但在此次就任儀式中，得過諾貝爾獎的生物學家，也是院長的侯金爵士（Sir A. Hodgkin），卻將名冊帶下台，到廳內前排霍京的輪椅前。當這位新院士費力地簽名時，室內一片沈寂，當他簽字完畢微笑時，爆起了如雷的掌聲。我首度與霍京會面，是七年後於當年舉行儀式的會議廳外的迴廊上。我們是由牛津大學數學家及理論物理學家潘洛斯（R. Penrose）介紹認識的。潘洛斯是霍京的朋友與同事，他本人剛在兩年前被徵入學院，部分也是因為他們以前合作的成績斐然。自1962年以來，霍京就罹患了一種稱為運動神經元症，會逐漸損毀身體的疾病。這種病緩慢地使他喪失了大部分神經及肌肉的功能。他無法行走，幾乎不能說話。潘洛斯及其他人早就告訴我，我會發現他的狀況比我預期的還糟。實際上，我還是嚇壞了。在我前面，癱在輪椅裡的，世界第一流的科學家，是個年齡比我大不了多少的人。我估計他的體重不超過110磅。因為他太瘦了，所以無法判斷他的高度，但看來似乎是中等身高，大概180公分。他的面貌年輕，但身體的脆弱程度與肌肉結構，卻有如久臥病床的老人。潘洛斯引見完後，霍京開始說話，聲音低沈到我必須俯身傾聽的程度。他似乎是勉力而言，沈重的呻吟時為喘息所間斷。我望著潘洛斯求他指引。他很快就傳譯了霍京的話：「下週二十一點鐘在我辦公室見面。」後來我問潘洛斯，霍京是不是今天特別不舒服？潘洛斯說，正好相反，他認為霍京看來狀況特別好。我在劍橋及美國見到霍京多次，每次我都驚詫他是如何成為當代理論物理學界中的佼佼者。他有十二年之久未曾走路，聲音微弱到僅有幾個親近的人才能聽懂，但是他卻踏出了這一代理論物理學中最重要的幾大步，改變了我們對宇宙的觀點。當我認識霍京後，就很明白他的成就不僅是由於他的求生意志，還有他的思考能力；飽受病魔肆虐二十餘年當中，他便過著心靈的生活。霍京的心智是他最有力的工具，也是他的工作、玩具、娛樂、愉悅，也就是他的生命。他的輪椅給予他一個特別有利的地位，而能全神貫注於：我們所居的宇宙，是如何形成、如何運作而又將如何終結的。他這麼一個完全只有大腦的人，證明了當無止息的心智解脫束縛後，人類智慧探索宇宙的能力有多麼偉大！
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1988年05月221期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1988、05 ＃期號：0221 ＃專欄：＃標題：交互作用一以貫之？＃作者：郭中一　譯		交互作用一以貫之？「了解宇宙，了解它如何運作及源自何處的這項研究，是人類最持久，最偉大的探險。殊難想像，在一個小銀河系中繞行一個不起眼的星球的小行星上，那麼的一小撮居民，居然懸其鵠的於整個宇宙的全解，大化中的滄海一粟，真相信他們能夠了悟全體。」說這話的是葛爾曼（M. Gell-Mann），也是從事此項探險的理論物理學家群中的一位。他們正搜尋宇宙最根本的單一交互作用，此交互作用將可解釋我們周遭的所有現象。要發現此單一交互作用的工作之艱巨，使得甚至是愛因斯坦亦為之困惑，耗費了生命中的最後三十個年頭去追尋統一，卻一無所成。在愛因斯坦逝世後近三十年的今天（譯案：愛因斯坦逝於1955年四月十八日），我們離目標近了一點，但是宇宙似乎仍是根據幾組法則運作，這幾組法則分層作用，互不相關。這些基本自然法則中最明顯的就是重力，它主宰宇宙中最大的物體──恆星、行星及你我。科學家發現的其他三種法則都在次原子層次運作，包括：強核力，它較重力強億萬倍，是將原子核保住的力；電磁力保持電子在原子核的周匝，使尋常物體看來堅實；弱核子則造成某些原子──如鈾──的放射性蛻變。愛因斯坦在數學的迷沼中摸索，卻無法使這些組不同的自然法則統而為一。他內心相信在此之底下必存有一個終極的單純，可使所有的自然法則皆能以單一的法則解釋。此種信念純然植基於美的訴求，一組不可化約、能解釋萬事萬物的方程式。並非所有物理學家都相信此種統一是可能的。奧地利的理論學家鮑立（W. Pauli）曾經開玩笑說：「上帝分開的東西，就不該有人再將它接合起來。」但是統一理論並非使科學持續進展所一定需要的。物理學家對統一理論的需要，不過像是希勒瑞爵士（Sir. E. Hillary，譯案：紐西蘭登山冒險家）對攀登聖母峰的需要一樣罷了。如果發現了此種法則，可能證實它幾乎是毫無意義的，或者可能導致科學的黃金時代。科學家還不知道，正像他們過去未曾想到愛因斯坦對質量與能量的統一會帶來原子時代，或量子力學──物理學家用以解釋次原子粒子運動的數學系統──會用來製造第一具雷射一般。但是統一理論對某些科學家而言，幾乎是一種宗教信仰──自然中所有力與所有物質都應來自單一泉源，類似禪宗之對實體的觀照。環顧今日我們周遭的世界，這麼些不同的力似乎根本不可能會通為一。這肇因於我們所居是一個低能量的、冷卻的宇宙，其中力與物質似是穩定而分離的，但宇宙過去並非如我們今日所見。宇宙自其初始剎那即戲劇性地冷卻下來。於冷卻時，孩提期的宇宙留下一連串線索，物理學家可藉此回溯至起始。許多物理學家相信，在大霹靂（Big Bang）的頃刻或稍後，即存著宇宙之鑰。於此頃刻，在太初劇變（primordial cataclysm）的強烈能量中，這四種力可能在幾分之一秒內是以單一的作用力存在的。此種交互作用被認為是最基本的，所有繼起的力都由其衍生。理論物理學家利用最新數學的重建技巧知道得相當清楚，諸如霹靂後10²¹分之一秒內發生了何事。確是偉大的成就！但是時間回溯得還不夠遠，尚未達到方程式中自然界所有力與法則統合為一的剎那。於此後的階段，四種力各自主宰了宇宙歷史的一段時期，就像是民主政府中各政黨的主政時期一樣。在我們現居的宇宙，最弱也是散布最廣的力──重力，是最主要的力。它施於最廣袤的距離，施於星系、星球及似星體（quasar）──宇宙中最遙遠、最不為人所知的物體。在宇宙140億或150億年之生命期中，殆乎所有時期，重力都是主要因素。前此，於霹靂後的頭數秒內，弱核力最強，再前則是電磁力。強核力很可能主宰了霹靂後頭10⁹分之幾秒，此時能量、質量為一，完全的星球及星系尚未發展。在此的10⁹分之一秒以前，能量強到無法分辨這四種力。至少，大部分理論學家都深信這種描述。「理論物理學家的工作是，利用他能用的一切數學工具，找出東西在冷卻到足使四種力分開，並掩蓋了基礎交互作用之前發生何事，」哈佛理論學家葛拉秀（S.Glashow）於1982年八月的一個雨天在亞斯本物理中心（Aspen Physics Center）告訴我：「包括我在內的許多人，都在研究那個問題，但是尚未有人能夠證明在極早期的宇宙中，所有交互作用真為同一。」葛拉秀在尋找基礎交互作用方面是一個開路先鋒。他在1960年代曾嘗試將某些短生命期的次原子粒子收成族類，希望可引至這個統合的力，但並未成功。他的方法始終產生一些無法解釋、也解決不了的數學上的無限大。那時候在麻省理工學院的維恩堡（S. Weinberg）及倫敦帝國學院（Imperial College）的沙朗（A. Salam）就較為成功。他們在1967年各別造出一組方程式，似乎證明如果某些混淆的因子忽略的話，則弱核力與電磁力是同一的。維恩堡－沙朗模型之美，在於它預測了於粒子加速器──物理學家用以扯去原子的許多外層的原子粉碎器──的特殊條件下，會產生的某些事件。維恩堡、沙朗及葛拉秀因這項研究而均分1979年的諾貝爾獎。 1970年代，其他物理學家發展出許多組不同的計算，試圖證明：不僅弱力與電磁力是相同的，保住原子核的強力也是同一族內的成員。這些類的計算稱為大一統論（grand unified theory或GUT）。有些科學家並不確信大一統論的方法是真正走對了路。葛爾曼說：「它們既不大，也非一統，或許甚至可說連理論都不是，而僅是被誇耀的模型。」但是，他也承認在基礎交互作用的追尋中，這方法或許是最有希望的其中之一。葛爾曼本身首創夸克這一觀念，夸克是一種次－次原子粒子，大部分理論學家相信，它是構成宇宙中所有原子的質子與中子的基本成分。在葛爾曼構思出它們、為它們命名〔間接來自喬埃思（J. Joyce的芬尼根大夢初醒（Finnegans Wake）書中的一句詩「三聲母牛叫『quark』作為集合號」〕之前，1950年代及1960年代初期在加速器中，發現了成打的新粒子，粒子物理學家想解釋它們但焦頭爛額宣告失敗後，粒子物理處於混亂的狀態。由於葛爾曼的夸克合成，粒子物理學家再度將原子的核心視為多少有些整齊、自成格局的小宇宙。葛爾曼承認他希望看到四種力的統合，但他不確定是否能在他有生之年見到。「甚至尚無人能證明現正研究的三種原子內的力有同樣的根源。有些人也許接近了，我不知道，但是對我而言它尚未得證。」重力，這個我們都最熟悉的力又如何呢？它要在何處與大一統湊合呢？雖然對於三種於原子內推拉之力的宇宙之統一理論，粒子物理學家或許接近了，但是重力仍是在外落單的力。當粒子物理學家用他們巨大的加速器向內看，而宇宙學家用他們的望遠鏡在向外看時，他們開始了解他們所看的是同一事物，所以宇宙論中的廣袤世界與原子中的微小宇宙終於互相接近了，但這還未能造成四種力的統一。有許多組科學家正在研究統合四種力，試圖將重力加入其餘三者。葛爾曼告訴我：「他們大部分不知道自己在做什麼，他們只是在使用各種數學技巧罷了。」他謹慎地做了些保留：有一組理論學家有望在揭露此宇宙絕大奧秘上，得到一些進展。這團體是由英國劍橋大學的霍京（S.W.Hawking）所領導。「霍京是唯一站在相對論的一邊而能了解粒子物理的人，」葛爾曼說：「他是一個不尋常的人，一個絕對令人瞠目的傢伙。」（本文譯自J. Boslough, Stephen Hawking's Universe, William Morrow ＆ Co., Ine., NY. 1985.）郭中一就讀於美國Tufts大學物理系博士班　霍京這個人 1974年一個春日的早晨，有一位穿著整齊的年輕人坐在輪椅上，讓人給推上一棟位於卡爾頓屋街（Carlton House Terrace）六號的白柱大廈的台階（從這裡可俯瞰倫敦聖詹姆士公園），而進入大會議廳去接受一項最高的榮譽：當選世界最著名的科學團體之一──英國皇家學院──的會員。霍京（S. W. Hawking）年僅三十二，是學院歷史中最年輕的入選者之一，由於他在理論物理方面的工作而獲得這項殊榮。自十七世紀延續而來的傳統，要求新入選的院士走上講台，與院長握手後簽署榮譽名冊。但在此次就任儀式中，得過諾貝爾獎的生物學家，也是院長的侯金爵士（Sir A. Hodgkin），卻將名冊帶下台，到廳內前排霍京的輪椅前。當這位新院士費力地簽名時，室內一片沈寂，當他簽字完畢微笑時，爆起了如雷的掌聲。我首度與霍京會面，是七年後於當年舉行儀式的會議廳外的迴廊上。我們是由牛津大學數學家及理論物理學家潘洛斯（R. Penrose）介紹認識的。潘洛斯是霍京的朋友與同事，他本人剛在兩年前被徵入學院，部分也是因為他們以前合作的成績斐然。自1962年以來，霍京就罹患了一種稱為運動神經元症，會逐漸損毀身體的疾病。這種病緩慢地使他喪失了大部分神經及肌肉的功能。他無法行走，幾乎不能說話。潘洛斯及其他人早就告訴我，我會發現他的狀況比我預期的還糟。實際上，我還是嚇壞了。在我前面，癱在輪椅裡的，世界第一流的科學家，是個年齡比我大不了多少的人。我估計他的體重不超過110磅。因為他太瘦了，所以無法判斷他的高度，但看來似乎是中等身高，大概180公分。他的面貌年輕，但身體的脆弱程度與肌肉結構，卻有如久臥病床的老人。潘洛斯引見完後，霍京開始說話，聲音低沈到我必須俯身傾聽的程度。他似乎是勉力而言，沈重的呻吟時為喘息所間斷。我望著潘洛斯求他指引。他很快就傳譯了霍京的話：「下週二十一點鐘在我辦公室見面。」後來我問潘洛斯，霍京是不是今天特別不舒服？潘洛斯說，正好相反，他認為霍京看來狀況特別好。我在劍橋及美國見到霍京多次，每次我都驚詫他是如何成為當代理論物理學界中的佼佼者。他有十二年之久未曾走路，聲音微弱到僅有幾個親近的人才能聽懂，但是他卻踏出了這一代理論物理學中最重要的幾大步，改變了我們對宇宙的觀點。當我認識霍京後，就很明白他的成就不僅是由於他的求生意志，還有他的思考能力；飽受病魔肆虐二十餘年當中，他便過著心靈的生活。霍京的心智是他最有力的工具，也是他的工作、玩具、娛樂、愉悅，也就是他的生命。他的輪椅給予他一個特別有利的地位，而能全神貫注於：我們所居的宇宙，是如何形成、如何運作而又將如何終結的。他這麼一個完全只有大腦的人，證明了當無止息的心智解脫束縛後，人類智慧探索宇宙的能力有多麼偉大！
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