🌌 物理统一之路漫长难测
生活科学采访了诺贝尔物理学奖得主大卫·格罗斯，他最近获得了300万美元的特殊突破奖基础物理学奖，探讨了统一所有基本力的探索历程，以及人类可能无法亲眼见证统一理论实现的原因。
将引力与其他三种力统一起来的探索长期以来一直困扰着物理学家。我们最终能否提出一个可检验的统一理论，仍有待观察。
✨ 一本签名书，开启一生征途
理论物理学家大卫·格罗斯13岁时，收到了一本由阿尔伯特·爱因斯坦签名的科普读物《物理学的进化》（剑桥大学出版社）。这本书由爱因斯坦本人参与合著，引领格罗斯踏上了探索原子核心的征程。最终，他在这一领域帮助解答了一个困扰粒子物理学家多年的问题：质子和中子的组成部分——夸克，是否可以被分离。
由此得出的渐近自由原理是他与弗兰克·维尔切克和H·戴维·波利策共同提出的，该原理揭示了夸克之间的力在它们靠得更近时会减弱，而在它们相互远离时会增强。渐近自由成为了一个名为量子色动力学的更大模型的一部分，并为统一强力、弱力和电磁力铺平了道路，从而完善了粒子物理学的标准模型。这三人因这项工作获得了诺贝尔物理学奖。
🔭 从夸克到弦：一场跨越四十年的攀登
几十年来，格罗斯的研究重心已从原子结构转向发展弦理论，旨在将引力——自然界第四种基本力——与其余三种基本力统一起来。他早年曾担任加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所所长，因其毕生在物理学领域的卓越贡献，近期荣获基础物理学特别突破奖。
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🎙️ 对话诺奖得主：知识前沿与人类存续
《生活科学》杂志采访了格罗斯，探讨了他的生平与科研工作、原子核心的本质、统一四大基本相互作用为何如此困难，以及他为何认为构建量子引力理论的主要障碍并非科学本身，而是人类在地球上所剩的时间。
蒂亚戈斯：告诉我你最初是如何对物理学产生兴趣的。
大卫·格罗斯：我一直擅长并且喜欢做数学谜题。在我的成人礼上，我收到了一位家庭朋友送的礼物，这位朋友恰好是利奥波德·英费尔德的兄弟，英费尔德曾与爱因斯坦合作撰写了一本科普书籍，书名为《物理学的进化》。
我深深被那本书吸引住了。那时我意识到，当把数学应用到现实世界中时，数学谜题会变得有趣得多，于是我便萌生了成为理论物理学家的想法。一旦你决定要从事理论物理，道路就很明确，并不曲折：你必须学习数学，必须学习物理，还有很长的路要走，才能抵达知识的前沿。因此，这是一个很早就做出的明智决定。
你觉得自己已经触及知识的前沿了吗？
DG：哦，没错——甚至更厉害
大卫·格罗斯是一位弦理论学家和理论物理学家。他与弗兰克·维尔切克和休·戴维·波利策共同获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们在强相互作用理论中发现渐近自由。
（图片来源：加州大学圣巴巴拉分校摄影服务部的托尼 J·马斯特雷斯）
你曾因发展了渐近自由理论而获得诺贝尔物理学奖。能跟我讲讲这方面的情况吗？
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当我开始攻读研究生时……理论物理学家对原子核内部的运作机制几乎一无所知，缺乏深刻的理解。
我从研究生院毕业后不久，就去了哈佛大学做博士后研究，此前我在伯克利。当时那里正在进行一些很棒的实验。这些实验的目标是，将我们已经有深入了解的电子以极高的能量射向质子，然后观察这些电子的各种散射情况……本质上就是用一台显微镜来观察质子内部。
这些实验非常令人惊讶，它们似乎表明质子是由一些无结构的点状粒子构成的。至少在短距离和短时间内观察到了这种情况，这十分神秘。
我一直在研究这个问题，并基于各种大胆的假设进行预测。结果表明，这些粒子与早先为解释已观测到的粒子规律而提出的数学构想——夸克——具有一致性。
但这一实验表明它们是真实存在的，并且似乎能自由移动——这完全说不通，因为如果真是这样，只要对质子施加足够强的撞击，它们就很容易被撞出来。从来没有人真正观测到过夸克。
于是，我对此产生了浓厚的兴趣，进而发现了渐近自由现象，并由此发展出量子色动力学。渐近自由是指夸克之间的相互作用力在距离变短时反而减弱，这一特性颇为反直觉，与当时已知的其他理论截然不同。
力在它们靠近时变弱，在它们远离时变强，甚至可能强到无法将它们分开。
所以那是强核力理论的一个转折点。在同一时期——20世纪70年代初——弱核力理论也在构建之中，同样是在不同的框架下，但也是对电动力学的类似推广。到了70年代中后期，我们完成了所谓的标准模型，即粒子物理学的标准理论：它阐述了构成物质的成分以及它们之间相互作用的力。
TG：在那个时候，似乎我们已经统一了三种力，但有一个例外，那就是引力，对吧？那么从那之后你继续推进了吗？
DG：我无法立刻继续推进。曾经我们有一个理论，在这个理论中你可以计算核现象……人们可以进行计算、做出预测并检验该理论。
量子色动力学是一个非常深刻、漫长、复杂而又美妙的故事，至今仍在蓬勃发展。在短距离下，当夸克靠得很近时，情况就比较简单，因为（强）力会变得越来越弱，这样就可以轻松地进行计算——如今人们已经将这些计算扩展了很长时间，达到了惊人的精度。
但我最感兴趣的是尝试弄清楚，夸克是否真的被完全禁闭，以及这是如何实现的。还有，当力变得很强时，如何控制理论。这要困难得多。
许多问题尚无定论。但我对此感到厌倦了，因为这太难了，而且我真的解决不了。
此外，正如你所说，标准理论内部已有迹象表明，如果将其推至极端——极高能量和极短距离——就会出现失效，因为引力效应开始显现。这提示我们应当尝试将所有基本力，包括引力，统一起来。
这就引出了弦理论，从那以后我就一直主要从事这方面的研究。
可以简单介绍一下弦理论以及你正在研究的内容吗
DG：我们在弦理论中提出的问题，甚至比统一所有力更为雄心勃勃。根据爱因斯坦的理解，引力正是时空的动力学表现，对吧？
我们现在逐渐意识到，如同物理学历史上多次经历的那样，有必要再次对时空的理解进行修正和完善。
时空是由什么构成的，它在短距离内如何表现？宇宙是如何演化的？
我们对其中很多内容都不太理解。但我们尤其不理解宇宙的开端，而这正是我们所有的理论都失效的地方——甚至到目前为止，运用弦理论的尝试也不例外——不过弦理论仍然为解决宇宙如何诞生这一问题提供了最大的希望。
所以其中一个障碍是，你有所有这些统一理论，但要验证它们，就需要做实验，而能够检验这些理论所需的能量尺度极高。
DG：直接对它们进行测试非常困难。所以，19世纪时，化学家和物理学家假设了原子的存在。
但从来没有人见过原子，也没有任何直接的方法来探究原子是由什么构成的，甚至不确定原子是否存在等等。所以情况类似。
然后，在理解普通物质的原子结构和原子本身方面取得了突破，或者说是真正的进展——这些进展发生在20世纪，它们并未被预见到，而且很多人认为原子不过是构建理论的某种数学技巧，并非真实存在。
这种情况在科学领域反复出现。当然，好的方面在于实验能够解决问题。原子、布朗运动（爱因斯坦对粒子的随机运动进行了阐释）以及卢瑟福的情况就是如此（他的金箔实验表明原子大部分是空旷空间，中间有密集的原子核）。随后量子力学得到发展，现在我们已经完全了解了普通物质。
在这种情况下（检验弦理论），我们离人类日常尺度越远，研究难度就越大。也就是说，我们所考察的尺度极其微小，几乎达到了可观测的最小尺度。
而这正是普朗克尺度（约1.6×10⁻³⁵米），在此尺度下，量子效应与引力效应均不可忽略。
是的，普朗克尺度是引力变得极为强大的尺度，在这一尺度下，空间本身的结构变得如此复杂，以至于可能根本无法再用空间这一概念来思考。
在那种尺度下，使用空间这个词甚至可能都没有意义。
DG：空间是……我们在婴儿时期为了拿到玩具或食物而形成的一种对世界的认知图景。它是我们解释世界如何运转的方式。
但这可能不是正确的解释；它可能是一个粗略的或某种近似的概念。事实上，我们正朝着这个方向发展，但我们才刚刚开始理解这可能意味着什么，并开发应对它的工具。
泰坦二号，曾是当时最大的洲际弹道导弹，如今陈列于亚利桑那州格林谷的一家博物馆中。诺贝尔奖得主戴维·格罗斯指出，近年来核战争的风险有所上升。
你是否认为，未来几十年内，我们将更接近于构建出一种能够统一描述所有基本相互作用的理论？
DG：目前，我花一部分时间试图告诉人们……你再活50年的可能性非常小。
由于核战争的危险，你大约还有35年时间。
TG：你为什么认为我们基本上会在35年左右的时间里自我毁灭呢？
DG：因此，这只是一个粗略的估算。即便在冷战结束之后，各国曾达成若干战略军控协议，而这些协议如今大多已不复存在，当时对每年发生核战争的概率估算仍约为1％。近几十年来，相关风险已显著上升，这一点从各类公开报道中即可明显看出。
我认为这个估算不够严谨，实际上发生核战争的概率更可能是每年2％。也就是说，每年有1/50的可能性。在每年2％的概率下，预期寿命约为35年。这里的预期寿命指的是平均需要多长时间才会经历一次核战争，其计算方法与放射性物质的半衰期类似。
那么你建议采取什么措施来降低那种风险呢？
DG：我们去年在芝加哥举办了一场名为“降低核战争风险诺贝尔奖得主大会”的活动。
有一些容易采取的措施，我指的是对各国而言。例如，相互交流。
近十年来，再无新的军控条约签署。全球正步入一场空前的军备竞赛。目前，世界上存在三个拥有强大核力量的国家。
人们正在讨论使用核武器；欧洲地区爆发了大规模武装冲突；对伊朗实施了空袭；印度与巴基斯坦曾濒临战争边缘。
好的，这样一来就增加了（核战争）发生的可能性。我真的很想有一个可靠的估算——实际可能性可能更高，而且我认为自己已经很保守了——但在如今这个疯狂的世界里，（核战争发生的）可能性估计为2％。
你认为我们最终能实现消除核武器的目标吗？
DG：我们并不推荐这样做。这虽然很理想化，但我确实希望如此。因为如果不这样做，未来某一天人工智能可能会带来某些风险，比如擅自启动核武器；但按照当前的预测，人类能够延续生存一百年的可能性已经非常小，延续两百年更是微乎其微。
费米提出的宇宙中其他智慧文明在哪里？为何不与我们联系？这一问题的答案是：它们可能已自我毁灭。
你让我思考未来，而过去几年我对此着迷不已——并非思考思想与理解自然的未来，而是人类的存续。
在某些方面，冷战时期人们更容易理解国际关系，因为当时存在一个主要的对立面。如今各国之间的互动更加复杂多变。
目前全球已有九个核武器国家。即便只有三个核武器国家，其相互关系的复杂性也远超两个核武器国家的情形。各国间的相关协议与行为规范正逐渐弱化。核武器技术持续发展，日趋先进。未来，自动化系统乃至人工智能技术可能被应用于核武器的管控与操作之中。
这也让我感到担忧——目前许多武器系统在某种程度上已采用人工智能技术来辅助决策。
DG：要抵制让人工智能做决策会非常困难，因为它行动速度极快。如果你有20分钟来决定是否向两个大国发射数百枚核弹，军方可能会觉得让人工智能来做这个决定更明智。但如果你使用过人工智能，就会知道它有时会产生幻觉。
问题似乎太严重，普通人对此无能为力，这和气候变化的情况一样，对吧？
DG：人们已经针对气候问题采取了行动。这是科学家大约40年前就开始警告人们的事情。他们让人们相信这是一个真正的危险。
这比讨论核武器问题要难得多的论证。
我们制造了它们，我们就能阻止它们。
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物理统一时刻是指在理论物理学中，试图将自然界四种基本相互作用力（引力、电磁力、强核力和弱核力）统一描述的特定能量尺度或时间点。在此时刻，所有力可能表现为同一种基本力的不同表现形式，是大统一理论或万物理论追求的核心目标之一。
BY: Tia Ghose
FY: AI
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://www.livescience.com/space/cosmology/the-chances-of-you-living-50-years-are-very-small-theoretical-physicist-explains-why-humanity-likely-wont-survive-to-see-all-the-forces-unified
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