从夸克到弦：探索物理学家成功之路
摘 要：2004年诺贝尔物理学奖获得者戴维·格罗斯（David Gross），现任美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授、凯维里（Kavli）理论物理研究所所长，普林斯顿大学托马斯·琼斯数学物理学教授，中国科学院国际顾问委员会主席。他在理论物理，尤其是规范场、粒子物理、超弦理论等方面有一系列杰出的研究成果。他是强相互作用的基本理论——量子色动力学的奠基人之一，也是杂化弦理论的创立人之一。1962年，格罗斯教授获得耶路撒冷希伯来大学的本科和硕士学位;1966年获得加州大学伯克利分校博士学位并在哈佛大学担任助理研究员，随后进入普林斯顿大学工作。1973年，格罗斯被评为教授，并且被提名为尤金·希金斯物理学教授和托马斯·琼斯数学物理学教授。1985年，格罗斯教授当选美国科学与艺术学院院士，1986年当选为美国国家科学院院士，1997年担任加州大学圣塔芭芭拉分校凯维里理论物理研究所所长。格罗斯教授的研究兴趣集中于量子色动力学、超对称场论、弦理论和大统一理论，研究成果在国际上产生了重要影响，并因量子场论中夸克渐近自由过程中的开创性发现获得了2004年度诺贝尔物理学奖，于2006年任国际弦理论会议主席。本刊近日就如何走上物理学道路、如何在物理学研究领域产生新想法、当代青年人如何获得成功等问题对格罗斯教授进行了专访。访谈中，格罗斯教授认为，少年立志是迈向成功的第一步，实验是物理学研究的首要方法，坚持不懈是通往诺贝尔奖的必经之路，物理学研究是理解自然运行方式的途径，保持好奇和激情是青年人成功必备的素质。
关键词：诺贝尔物理学奖;物理学生涯;从夸克到弦
一、少年立志是迈向成功的第一步
《世界教育信息》：格罗斯教授，您好，很高兴您能接受我们的采访。您在此次的北京之行中为青年学生做了“我的物理学生涯——从夸克到弦”的讲座，得到了热烈反响，大家在讲座中深受启发。首先，请您谈谈您是如何走上物理学之路的？
戴维·格罗斯：年轻学生们经常问我是在什么时候决定成为一名物理学家的。13岁时，我就开始阅读科普书籍，包括一些著名科学家，如爱因斯坦等的著作，领域涉及数学、物理等。在这些书籍中，最吸引我的是爱因斯坦的《物理学的进化》。那时候，爱因斯坦是我心目中的英雄，他就像上帝一般令我崇敬。而当我阅读了他的信件、文稿、著作之后，他又像是我亲密的朋友。爱因斯坦曾说：“用你的智慧去探索宇宙的奥秘。”这句话深深地触动了我。爱因斯坦说的很对，物理学家面临的最大考验就是如何通过纯粹的推导来获得自然的基本规律。这个听起来雄心勃勃的目标令我激动，因此我在13岁的时候就决定将毕生精力用于物理学，去探索物质的基本构成、自然运行的基础规律以及力的规律。
我研究的领域是基本粒子物理学，它的目标是发现和理解比原子核更深层次的微观世界中所有物质、力的结构和性质。基本粒子物理学的历史已有2000多年，它的假设源于古希腊，那时候人们就猜测物质是由原子构成的。然而，从上个世纪开始，人们才开始相信这个假设，并且开始探索原子的内部结构。当我在13岁立志成为一名物理学家的时候，通往这个目标的路径就已经非常明确了。我学习了物理和数学专业，并且拿到了本科和硕士学位，最后进入粒子物理学的研究中心工作。我曾在加州大学伯克利分校的研究中心从事研究工作，那里有当时全世界最大的粒子加速器。现在，世界上最大的粒子加速器在瑞士日内瓦，占地面积达几十平方公里，是之前那台粒子加速器的几千倍。这是一台非常棒的机器，可以用它去研究原子核内部构成和原子核运动的本质。
二、实验是物理学研究的首要方法
《世界教育信息》：您在物理学领域辛勤耕耘了几十年，并于2004获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。那么，您是如何研究物理问题，如何产生新想法、提出新理论的呢？
戴维·格罗斯：其实，物理学有很多种不同的研究方法。对于理论物理学来说，一种常用的方法就是合作，我工作的研究机构有很多研究项目，每年都要召集上千名来自不同领域的专家在一起讨论、辩论。所以，很多研究是在合作讨论以产生新想法的基础之上建立的。对于实验物理学来说，一种常用的方法是实验，通过实验发现新物质和解释新现象，这是非常重要的。总的来说，实验是第一位的，合作、讨论是第二位的。
至于我的新想法来自何处，连我自己也解释不清。有时我在与别人谈话或者看到一些事物、事情的时候，就会有新的想法。新想法的来源是难以解释清楚的，但是你需要跟你的同学、朋友们一起，去观察并实验，不断验证你的想法。
再回到基本粒子物理学，在这个研究方向上，我们是如何做研究的，又是如何观察原子核内部构成的？其实只有一种方法，就是让粒子对撞，并且观察对撞后产生的物质。这个方法如果拿来研究手表的内部构造，那是非常愚蠢的，因为我们只要把手表拆开观察就可以了。但是对于粒子和原子核内部的研究，唯一的方法就是让它们对撞，这个方法已经沿用了100多年。
当我还是一名学生的时候，就拍摄了“气泡室”①的照片，记录了质子对撞那一刹那的景象，用来探索质子的内部成分。这是一项相当有难度的工作。在20世纪60年代，著名的物理学家弗里曼·戴森②曾预言，有关质子内部构成的合理理论要在100年之后才能产生。但是，我们只用了13年就发现了正确的理论。现在，我们能够利用更大规模的加速器和更精准的照相机来辅助检测粒子对撞后产生的物质。我们团队的同事需要计算出这些迸发出的数百个粒子在对撞的那一瞬间是如何运动的，这项工作也有相当大的难度。
三、坚持不懈是通往诺贝尔奖的必经之路
《世界教育信息》：您早在1973年就通过一个完善的数学模型揭示了夸克渐进自由现象，这距离您2004年荣获诺贝尔物理学奖已经有31年，请您谈一谈为何两者之间存在如此大的时间跨度？
戴维·格罗斯：因为在物理学领域，仅提出一个理论是不够的，更重要的是验证理论的正确性，这个验证过程会花费很长时间。比如，根据我提出的量子色动力学③理论，可以做出一些推论和预测，这些推论需要做大量的实验来证明。只有实验结果与预测的数据是基本吻合的，这个理论才具有说服力。这个验证过程有赖于检测仪器设备的更新和相关技术的发展，因此会耗费许多年的时间。我要说明的是，虽然量子色动力学目前还没有被证明是正确的，但在有了更加精准的检测方法后，它也没有被证伪。我们已经进行了上千次实验进行验证，因此有足够的信心认为量子色动力学是正确的理论。
20世纪60年代末，物理学界就已发现质子、中子等粒子是由更小的基本粒子构成的。这些基本粒子被叫做“夸克”④，它们具有特别的性质，释放分数电荷而非整数电荷。因为没有人见过夸克，所以很少有人相信它们是真实存在的。但是，用夸克可以合理解释质子和中子的构成。比如，质子由三个夸克（两个上夸克和一个下夸克）组成，中子也由三个夸克（两个下夸克和一个上夸克）组成。如果我们再引入另一种类型的夸克——奇夸克⑤，就能够解释更多在粒子对撞过程中产生的其它粒子。后来，我们假设每一种夸克之下又可细分，并用三种不同的颜色来区分⑥。虽然这能够解释一些粒子的构成模式，但是意义并不大。
当用很大的能量来撞击一个原子的时候，一些原子核周围的电子将会释放，原子也会电离化。这就是我们通过撞击原子来释放电子从而产生电流的方式。同样的道理，如果质子是由夸克构成的，那么撞击质子的时候，夸克就会释放，但是为什么没有人见到过夸克呢？为解决这个问题，我们建立了一个更大的加速器和对撞机，但是仍旧没有捕捉到夸克。这个难题的答案最终被我们在40年后找到，其实它与真空的性质有关。大家可能认为真空里面没有任何物质，但实际上它包含了各种不断变化的场，正是这些不断波动的场调节并传递了原子核强大的力量。我们认为，这些能量来自于夸克。如果没有这个发现，我们可能会认为两个夸克间的相互作用力是跟它们距离之间的平方成反比的，但事实并非如此。夸克之间的相互作用力随夸克之间的距离增加而增大，这就是我们所说的渐近自由⑦现象。这个现象引导我们为量子色动力学理论建立了基础，该理论可以合理解释渐近自由现象。正是渐近自由现象的发现让我获得了2004年的物理学诺贝尔奖，并受到瑞典国王的接见。
虽然很多科学家在各自的岗位上默默耕耘了许多年，得不了诺贝尔奖，但这并不妨碍他们成为伟大的科学家。获得诺贝尔奖并不是第一位的，更何况，科学家也不是为获奖而工作，单纯为获奖而工作是很愚蠢的想法。人们之所以从事科学研究，主要是因为对科学感兴趣。对科学家而言，真正的奖励是工作中有新的发现。诺贝尔奖只是一种荣誉、一个记号，不能看得太重。
四、物理学研究是理解自然运行方式的途径
《世界教育信息》：基于这些年的研究，您还有其他新的发现吗？目前，物理学领域的研究前沿是什么？
戴维·格罗斯：除了花费时间验证理论的正确性之外，我们还致力于用量子色动力学来解释一些现象，比如，我们的质量从何而来。我们知道，物质由原子组成，原子的质量集中在原子核，原子核由质子和中子构成，质子和中子分别由三个夸克组成，由此可推知，我们的质量可能主要来自夸克的质量。然而，这是错误的。因为夸克几乎没有质量。我们身体质量的主要来源实际上是夸克之间相互作用的能量。物理学中有个著名的公式E=mc2，也就是说一个物体在静止的时候，它的质量就等于它具有的能量除以光速的平方。因为夸克运动的速度非常快，所以具有大量动能，那么，为什么它们不会从质子中逃逸呢？这个问题就要用我之前提到的渐进自由现象来解释，当两个夸克的距离越大时，它们之间的拉力也越大，所以就被限制在了质子中。因此，质子的质量主要来自于夸克运动的能量。这个理论不仅可以用来解释质子质量的来源，也可以解释其他粒子质量的来源。作为一名物理学家，获得诺贝尔奖是件令人高兴的事情，但更让我激动的是能够通过研究和构建理论来理解自然的运行方式。
讲到这里，大家可能会有疑问，宇宙中是否存在比夸克更小的粒子呢？我的答案是——不知道。但是，我们还有弦理论⑧可以解释这个问题，所以当我们拥有更加精密的显微仪器和更大规模的加速器、对撞机之后，可能会发现，夸克内部不是由粒子构成的，而是震动的弦。我喜欢弦理论的这个观点，也在研究这方面的问题，但它有可能是错误的。如果想要更深入地了解这个问题，我们需要做更多的实验来验证。目前，我们还不知道这个问题的确切答案，但是在未来的几十年甚至一百年里，物理学爱好者们在探索这个问题的过程中会获得很多乐趣。
除了我之前提到的一些物理学理论之外，目前的物理学还在探究很多有趣的问题，我简单介绍三个。第一，关于暗物质的研究。宇宙很大一部分由暗物质构成，但我们还没有在地球上检测到这种暗物质，也没有在实验室中制作出来。第二，对宇宙产生本源的研究。宇宙起源于大爆炸，因此我们需要探索很多有关宇宙大爆炸的问题。第三，对量子计算机的研究，探究利用量子计算机能否实现人工智能并且超越人类智力。
五、保持好奇和激情是青年人成功必备的素质
《世界教育信息》：很多人都想知道您取得成功的原因，请问，您对当代青年有什么建议，您认为获得诺贝尔奖需要具备哪些素质？
戴维·格罗斯：我认为，首先要有运气，这包括出生在合适的时代，有家长和教师的支持以及合适的机会。当代中国青年学子都已具备这些运气，因为我看到有非常支持你们的家长和敬业的老师，并且你们出生在一个很好的时代，这个时代对于世界尤其是中国的科技发展来说是非常好的时机。
除运气之外，我认为最重要的还有三点。第一，好奇心，珍惜你的好奇心并且不断去满足它。我认为，拥有好奇心并且进行科学探究是人类优于其他物种的原因。由于有好奇心，我们发明了语言来沟通和传递知识，探索世界，我认为这是深植于我们基因之内的。这种对于宇宙和自然的好奇，存在于每一个人的天性之中，科学探究就是来满足我们这种好奇心的。好奇心促使我们理解这个世界，并掌握适应世界的方法。我认为这也是各国都大力支持科学研究的原因，一方面可以更加全面、深入地了解自然、社会和我们的整个世界;另一方面，能够更好地掌握与世界互动的方法。第二，激情，只有致力于你真正热爱的事业才会取得成功。第三，仅有好奇心和激情仍是不够的，还要坚持和努力，任何事情都不是轻易能够做出成就的。在坚持目标的过程中会遇到很多困难，这是非常正常的现象，你能做的所有努力只有一个方向——就是继续坚持做下去，这是没有公式和范本的。
最后，我还要送给大家两条建议：第一，跟随自己的内心，不盲目从众;第二，志存高远，不畏失败。如果你有高远的志向，失败将会是常事，但如果不去尝试，那么永远不会成功。只要从事自己挚爱的事业，即便失败，我们也享受了整个过程。年轻人要做自己喜欢的事;敢于提问，而且要经常提问;敢于承担风险。大家都知道，做自己喜欢的事不一定都能成功，但还是要敢于尝试。尝试了有可能失败，但不去尝试就不可能成功，做自己喜欢的事，即使失败了也是快乐的。
注释：
①气泡室：Bubble Chamber，是探测高能带电粒子径迹的一种有效的仪器，它曾在50年代后一度成为高能物理实验最风行的探测设备，为高能物理学创造了许多产生重大发现的机会。气泡室由美国人D.A.格拉泽于1952年发明，曾给高能物理实验带来了许多重大的发现，如新粒子、共振态、弱中性流等。
②弗里曼·戴森：Freeman Dyson，美籍英裔数学物理学家，普林斯顿高等研究院教授。
③量子色动力学：Quantum Chromodynamics，简称QCD，是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论。它和量子电动力学是粒子物理标准模型的组成部分。
④夸克：quark，是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。
⑤奇夸克：Strange quark，是夸克的一种，它属于费米子，在夸克里是第四重。
⑥夸克不是真的具有这三种颜色，只是通过赋予颜色来方便区分。
⑦渐近自由：Asymptotic Freedom，是某些规范场论的性质，在能量尺度变得任意大的时候，或等效地，距离尺度变得任意小的时候，渐近自由会使得粒子间的相互作用变得任意地弱。
⑧弦理论：String Theory，是理论物理的一个分支学科，它的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”。
编辑 张金晓 秦悦
采访整理：潘雅，教育部教育管理信息中心世界教育信息杂志编辑部（电子邮件：panya@moe.edu.cn）;王汗青，教育部教育管理信息中心世界教育信息编辑部实习生、浙江大学教育学院学生（通讯地址：浙江省杭州市西湖区天目山路148号;邮政编码：310000;电子邮件：zjuhqla@163.com）
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