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已知的未知:美国防长与物理学 精选

已有 19224 次阅读 2015-9-9 13:17 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

2014125日,60岁的阿什顿·卡特(Ashton Carter)宣誓就职,成为巴拉克·奥巴马(Barack Obama)政府的第四任国防部长。这位从未带过兵打过仗的美国防长与所有前任不同的是,他拥有一份骄人的教育背景和学术履历1976年获得耶鲁大学物理学和中世纪历史专业学士学位;1979年获得牛津大学理论物理学博士学位;随后在洛克菲勒大学从事两年的粒子物理学博士后研究工作;1982年转入麻省理工学院开始研究国际政治问题;1984年进入哈佛大学,从助教一路晋升到教授…

卡特兴趣广泛且聪明过人,早在1975年——即丁肇中和伯顿·里克特(Burton Richter)发现“粲”夸克仅仅一年之后,他就在《耶鲁科学》杂志上发表了一篇题为“夸克、粲和Y粒子”的文章,向世人介绍这一粒子物理学的最新课题。在耶鲁和牛津大学期间,卡特的研究兴趣集中在m轻子和强相互作用问题上。他对物理学的重要贡献是在来到洛克菲勒大学后,与他的日籍博士后老板三田一郎(AnthonyIchiro Sanda)合作做出的。当时三田也只是一个年轻的助教,但他凭借自己非凡的洞察力,带领卡特率先研究了刚刚被发现的、比粲夸克更重的“底”夸克的衰变及其可能的CP对称性破坏性质,于1980年和1981年分别在《物理评论快报》和《物理评论D》期刊上发表了两篇论文,一举开启了这个崭新的研究方向。

CP对称性是针对基本粒子及其反应过程所定义的“电荷共轭”与“宇称”联合变换的对称性,本质上与物质和反物质的对称性有关。该对称性在弱相互作用中可以破缺,相应的破缺机制是由日本物理学家小林诚(MakotoKobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)在1973年提出的,他们还因此预言了第三代夸克的存在。为了证实小林和益川的理论,三田和卡特仔细分析了各种底夸克的衰变模式,并提出了具体的实验方案。如今他们的两篇论文已经分别被引用440700余次,成为粒子物理学的经典文献。可惜的是,卡特本人在完成这两篇论文之后就放弃了物理学专业,转而从事国际政治学的研究。

卡特离开洛克菲勒大学以后,三田开始与德国学者伊卡洛斯·比吉(Ikaros Bigi)合作,二人于1981年在《核物理B》期刊发表了一篇重要论文,指出了测量CP破坏效应的黄金衰变道。20年后,美国的斯坦福直线加速器中心和日本的国家高能加速器研究机构所建造的底夸克工厂分别探测到了显著的CP破坏现象,从而证实了小林-益川机制。2004年,三田和比吉由于上述工作而荣获美国物理学会颁发的“樱井奖”(Sakurai Prize)。假如当初卡特本人继续从事底夸克和CP破坏问题的研究,或者晚一、两年再放弃粒子物理学的话,那么2004年与三田分享“樱井奖”的人就非他莫属了。2008年,小林和益川被授予诺贝尔物理学奖;而此时的卡特已活跃于美国军政两界,忙于撰文探讨如何遏制中国的崛起和打击朝鲜和伊朗等所谓的“敌对”国家。一个昔日的物理学才俊就这样变成了著名政客。

与卡特不同,另一位与物理学毫无关系的美国防长却曾说出了一番令物理学家们既啼笑皆非又深以为然的话。20021212日,有记者在美国五角大楼的新闻吹风会上向时任国防部长的唐纳德·拉姆斯菲尔德(Donald Rumsfeld)发难,要求他拿出美国指责伊拉克藏有大规模杀伤性武器的有力证据。拉姆斯菲尔德王顾左右而言他,莫名其妙地回答道:“我们知道,有些事情属于已知的已知,我们知道我们已经理解了它们。我们也知道,有些事情属于已知的未知,就是说,我们知道我们还不清楚它们的来龙去脉。但是有些事情属于未知的未知,我们根本就不知道,我们对它们一无所知。”200612月,加州大学的本杰明·格林斯坦(Benjamin Grinstein)教授在名古屋大学举办的国际会议上做了关于底夸克衰变理论的大会报告,其中就引用了拉姆斯菲尔德的上述言论来比喻物理学家们所面临的难题,令在场的听众无不莞尔。

毫无疑问,标准模型的小林-益川CP破坏机制就属于“已知的已知”,但是可观测宇宙中的物质-反物质不对称现象(即大爆炸所产生的原初反物质神秘地消失了)却无法通过该机制来解释。在这个意义上,一个“已知的未知”就是宇观的CP破坏效应背后的动力学,而这正是粒子物理学和宇宙学亟待解决的最基本问题之一。至于“未知的未知”,指的是那些我们尚未认识到的重大科学问题。后者也许在未来的某个时期才会被关注,从而成为“已知的未知”;直到某一天问题得以被解决,再成为“已知的已知”。科学探索的过程,其实就是变未知为已知的过程。


本文已正式发表在《科学世界》2015第9期。感谢杨德山师弟提供信息,是我作文的源动力。



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