撰文丨弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）

翻譯丨柏江竹,、高蘋

盡管我們對世界如何運轉(zhuǎn)已經(jīng)有了諸多了解,，但是仍有許多謎團(tuán)存在。

在這里,，我們將會把探索的焦點集中在兩個更為引人注目的謎團(tuán)之上,。它們處于當(dāng)今研究工作的前沿，旨在加深我們對物理世界的基本理解,。第一個謎團(tuán)圍繞著基本定律的一個奇異的特征,。如果你將時間反演，那么基本定律與時間正向的情況幾乎完全一樣,，卻又不盡相同,。第二個謎團(tuán)來自一個令人困惑的發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家在各種情況下都遇到了看似沒有任何可見來源的引力,。從表面上看,，他們的觀測似乎揭示了宇宙的“黑暗面”，它由兩種新的物質(zhì)形式組成——分別是“暗物質(zhì)”和“暗能量”,。盡管它們提供了宇宙中的大部分質(zhì)量,，但是不知為何,，我們從來沒有觀測到它們。

一個有前景的想法可能有助于解決這些謎團(tuán),。時間反演問題使許多物理學(xué)家懷疑存在一種新的粒子,，即軸子。大爆炸遺留下來的軸子余輝具備暗物質(zhì)的特性,。圍繞這一想法的一系列研究,，引發(fā)了一場世界各地數(shù)百名科學(xué)家參與的激烈競賽。

弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek） 丨圖片來源：Jordi Pay

時間反演（T）

時間的鏡像

在我們經(jīng)歷過的現(xiàn)實中,，最明顯的不對稱性就出現(xiàn)在過去和未來之間,。我們銘記過去，卻只能猜測未來,。如果你倒放一部電影,，比如查理·卓別林的《城市之光》，你會覺得倒過來的一系列事件看起來一點兒也不像會在現(xiàn)實中發(fā)生的樣子,。你絕對不會將倒放的電影與正常的電影弄混,。

然而，從現(xiàn)代科學(xué)的誕生開始,，從牛頓的經(jīng)典力學(xué)至今,， 基本定律都具備的一個共同特性就是,，你可以沿著時間把它們倒轉(zhuǎn)回去,。也就是說，你根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)倒推過去的狀態(tài),，和根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)預(yù)測未來的狀態(tài)所用到的定律是一樣的,。例如，你現(xiàn)在如果想要根據(jù)牛頓定律拍攝一部行星圍繞太陽運行的電影,， 那么你將這部電影倒放之后會發(fā)現(xiàn),，電影中的運動仍然遵循牛頓定律。定律的這種特征被稱為時間反演對稱性,，簡寫為T對稱性,。

定律的范疇一直在擴(kuò)大，而時間反演對稱性依舊存在,。例如,，電磁場的麥克斯韋方程組以及愛因斯坦修正后的引力方程都具有這樣的性質(zhì)，這些方程的量子版本也同樣具備這種性質(zhì),。對基本相互作用的觀察似乎都證實了T 對稱性,。

日常經(jīng)驗和基本定律之間的這種反差帶來了兩個問題。其中一個問題是,，現(xiàn)實中的宇宙是如何為時間的流動選定方向的,。我們在第6章和第7章（特別是第7章）中找到了答案,，我們看到引力打破了平衡^[1]。另一個問題就是一個很簡單的“為什么”,。既然時間反演對稱的特征在我們所經(jīng)歷的世界中基本上沒怎么出現(xiàn)過,，它為何又出現(xiàn)在我們對大自然的基本描述中？

為什么,？第一步：底線

家長們常常會被小孩子的十萬個“為什么”問得很煩惱,。為什么我一定要睡覺？因為人需要休息,。為什么,？因為人的身體會累。為什么,？因為我們的肌肉工作一段時間之后就無法繼續(xù)保持很好的狀態(tài)了,。為什么？因為它們將我們吃下去的食物轉(zhuǎn)化出來的能量用完了,，并且留下了一堆垃圾等待清理,。為什么？因為根據(jù)熱力學(xué)第二定律,，一個系統(tǒng)內(nèi)的能量會越來越不可用,。為什么？因為在大爆炸期間,，引力帶來了不平衡……最終,，你總會遇到無法解答的問題。^[2]總會有那么一些答案是最為基本的,，并且我們無法進(jìn)一步解釋它們：它本來就是這樣,，沒有為什么。

T對稱性似乎是基本定律的一個確切特征,，我不知道對它問“為什么,？”能不能得到什么有效的信息。它似乎是定律的一種簡潔的性質(zhì),，雖然有些奇特,。T對稱性可能就是那個位于底線的答案。大多數(shù)物理學(xué)家都這么認(rèn)為,。

為什么,？第二步：神圣原則

1964 年，情況發(fā)生了變化,。詹姆斯·克羅寧（James Cronin）,、瓦爾·菲奇（Val Fitch）以及他們的合作者在Κ介子^[3]的衰變中發(fā)現(xiàn)了一個微小、模糊的效應(yīng),，它違反了T 對稱性,。既然T對稱性已經(jīng)不再是完全正確的命題,，那它就無法作為不言自明的基本事實了。顯然,，有一個需要進(jìn)一步深入研究的問題：為什么大自然如此接近地符合T 對稱性,，卻又不完全相符呢？后續(xù)的研究表明,，這個問題確實能夠給我們帶來很多有效的信息,。

1973 年，小林誠和益川敏英在這一問題上取得了理論性突破,。這一突破建立在量子場論以及關(guān)于力的核心理論（這些理論在當(dāng)時還不夠穩(wěn)固）的強(qiáng)大框架之上,。我前面已經(jīng)提到過，這個框架是非常嚴(yán)格的——你無法在不破壞其一致性的情況下輕易地改變它,。沒人知道如何在不違反相對論,、量子力學(xué)和局域性的神圣原則^[4]的前提下改變它的結(jié)構(gòu)。但是你可以往里增加一些內(nèi)容,。小林和益川發(fā)現(xiàn),，通過在已知的夸克和輕子的基礎(chǔ)上再加入第三代夸克和輕子^[5]，就有可能引入一種違反T對稱性的相互作用,，并產(chǎn)生克羅寧和菲奇觀察到的效應(yīng),。只有兩代的夸克和輕子是不夠的。

在小林和益川的研究工作完成后不久,，他們預(yù)測的第三代粒子開始在以更高的能量運行的粒子加速器中出現(xiàn),。在那之后，有很多實驗也證實了他們提出的相互作用,。

然而,，這并不是故事的大結(jié)局,。除了小林和益川利用的相互作用之外,，還有一種相互作用也有可能違背了T對稱性，不過它完全符合核心理論以及量子場論的嚴(yán)格框架,。解釋克羅寧和菲奇看到的現(xiàn)象或是其他任何觀察結(jié)果都不需要引用這種相互作用,。大自然似乎沒有選用它。為什么,？

為什么,？第三步：演化

1977 年，羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei）和海倫·奎因（Helen Quinn）對第三個,，也可能是最后一個有關(guān)T對稱性的“為什么”做出了回答,。這是一種演化理論，通過擴(kuò)展核心理論得以展開,。他們提出,，多余的額外相互作用的強(qiáng)度并不是一個簡單的數(shù)字,，而是一個隨時間和空間發(fā)生變化的量子場。他們證明,，如果新的場具備一些適當(dāng)?shù)?、相對簡單的性質(zhì)，那么作用于其上的力會使其趨于零,。佩切伊和奎因暗含的假設(shè)是,，這個場傾向的取值就是零。大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為,，這個場會逐漸向這個取值演化,。

最終，在這一基礎(chǔ)上,，我們將會得到一個滿意的答案：T對稱性幾乎可以被看作基本定律的一項特征,，它很接近，但并不完全是,。它是更深層次的原理（相對論,、量子力學(xué)和局域性）作用于這個世界的基本成分的間接結(jié)果。

這些理論思想產(chǎn)生了戲劇性的后果,，我們很快就會說到,。在此之前，我們先看看宇宙中的黑暗面,。

宇宙的黑暗面

暗物質(zhì)和暗能量具有相似的特性,，因此將它們放在一起討論是有意義的。它們都指向了我們觀察到的那些沒有明顯來源的運動,。其實如果我們表述成“存在無法解釋的加速度”,，可能會比“存在暗物質(zhì)和暗能量”要更加準(zhǔn)確，但這樣的話這個問題就不會這么引人注目了,。這些額外的運動都呈現(xiàn)出一種模式,，這說明它們都是由引力引起的，但是引力的來源不可見,。為了解釋所有的觀測結(jié)果,，我們需要兩種不同的新來源，這就是暗物質(zhì)和暗能量,。我得強(qiáng)調(diào)一下,，無論是暗物質(zhì)還是暗能量，它們名字里面的“暗”字都并非指代它們的顏色,。到目前為止,，它們都被證明是不可見的。在暗物質(zhì)和暗能量應(yīng)該存在的地方,，我們既沒有探測到光的發(fā)射,，也沒有探測到光的吸收,。

暗物質(zhì)可能是由大爆炸產(chǎn)生的一種新粒子形成的，這種粒子與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱,。暗能量則可能是空間中普遍存在的其自身的密度,。以上是相關(guān)研究領(lǐng)域中最流行的觀點，而它們也確實相當(dāng)令人信服地解釋了一系列觀測結(jié)果,。其他的觀點同樣也有擁躉,，但是這些觀點更沒有什么證據(jù)支持了。

宇宙學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”

了解到目前暗物質(zhì)和暗能量（目前還是假設(shè)）構(gòu)成了宇宙的大部分質(zhì)量之后,，可以預(yù)料到的是,，它們一定也在宇宙的歷史中扮演了重要的角色。為了能“倒放電影”來驗證這種直覺,，我們需要更具體地了解暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì),。重新回顧大爆炸可以給我們了解宇宙黑暗面的更多性質(zhì)的機(jī)會。如果我們對它們的猜測是錯誤的,，那么大爆炸模型就無法產(chǎn)生我們觀察到的這個宇宙,。

鑒于我們對黑暗面的了解少之又少，猜測暗物質(zhì)和暗能量在大爆炸初期會有何表現(xiàn)似乎是一項不可能完成的任務(wù),。幸運的是,，事實證明我們不需要了解太多，一些簡單的猜測就已經(jīng)非常有效了,。

對于暗物質(zhì)來說,，我們假設(shè)它是由某種粒子組成的，這種粒子與普通物質(zhì)及其自身的相互作用都很弱,。我們還要假設(shè)它在早期宇宙中與火球的其他部分處于平衡狀態(tài),，但在那之后不久它就與其他物質(zhì)脫離了聯(lián)系，成為我們在第6章中提到過的那種余輝,。一個很微妙的問題是,，當(dāng)粒子逃離時，它們的運動速度一定比光速慢得多^[6]（之前的一些有關(guān)暗物質(zhì)的早期理論正是因此而失?。?/span>,。因為（根據(jù)假設(shè)）引力是唯一與之相關(guān)的力，而引力并不能區(qū)分不同形式的物質(zhì),，這就是我們需要知道的全部。一旦暗物質(zhì)脫離聯(lián)系,，我們就可以計算出暗物質(zhì)是如何運動的,，以及它是如何影響宇宙的其他部分的。這就是所謂的冷暗物質(zhì)模型,。

對于暗能量來說,，我們采用愛因斯坦的觀點,，即暗能量代表空間本身的一種普遍存在的密度，它與普遍存在的負(fù)壓有關(guān),。

基于這些假設(shè),，我們可以對宇宙微波背景輻射的密度進(jìn)行對比，這些輻射中包含的信息可以反映出大爆炸后38萬年至今的宇宙是什么樣的,。暗物質(zhì)的加入使得不穩(wěn)定性生效的速度更快,。引入暗物質(zhì)之后，模型中宇宙的演化與我們的宇宙是差不多的,；如果沒有暗物質(zhì),，那就會變得不一樣。如此一來,，“黑暗勢力”從微小的初始密度差異開始,，通過引力的不穩(wěn)定性， 讓我們的大爆炸宇宙學(xué)得以產(chǎn)生我們今天在宇宙中觀察到的結(jié)構(gòu),。

軸子：“清潔劑”量子

在十幾歲的時候,，我有時會陪媽媽一起去超市。在一次逛超市的過程中,，我注意到一種名字叫“滴潔”（Axion）的洗衣粉,。我突然想到，這真是一個適合給基本粒子命名的好名字,。它簡短,、朗朗上口，與質(zhì)子（proton）,、中子（neutron）,、電子（electron）和π 子（pion）放在一起也不違和。在那一瞬間我想,，如果我有機(jī)會能給一個粒子命名,，那我就要叫它軸子（axion）。

1978年,，我真的得到了這個機(jī)會,。我當(dāng)時意識到，佩切伊和奎因的那個引入一個新的量子場的想法有一個他們自己沒有注意到的重要結(jié)果^[7],。我們之前討論過,，量子場會產(chǎn)生粒子，也就是該量子場的量子,。這一特殊的場產(chǎn)生了一種非常有趣的粒子,，這種新粒子有一個有趣的技術(shù)特征，它用軸向電流“掃清”了一個問題。辰宿列張,，軸子（在物理學(xué)文獻(xiàn)中）登場,！

（順帶一提，如果我在論文發(fā)表之前公開了我的真實動機(jī),， 那么《物理評論快報》的編輯，可能還有滴潔洗衣粉的制造商是絕對不會同意我用這個名字的,。我當(dāng)時在文章中提到了“軸向電流”,，才借此機(jī)會將這種粒子命名為軸子。）

尋找它們的余輝

軸子的性質(zhì)讓它成為宇宙中暗物質(zhì)組成部分的候選人：它們與普通物質(zhì)以及自身的相互作用都非常微弱,。它們在高溫下產(chǎn)生,，之后從宇宙火球中掙脫出來。它們的余輝（即軸子背景）充斥著整個宇宙,。我們計算出的軸子背景密度與觀測到的暗物質(zhì)密度一致,，而且軸子是在幾乎靜止的狀態(tài)下產(chǎn)生的。因此,，軸子背景滿足了“冷暗物質(zhì)”宇宙學(xué)的假設(shè),。

這個故事很美妙，但它是真的嗎,？正如我們所說,，軸子與物質(zhì)的相互作用極其微弱，但是我們可以從理論中得知它們確實會發(fā)生相互作用,，以及以何種方式相互作用,。為了探測軸子背景，我們需要根據(jù)它們的特性設(shè)計靈敏的新型探測器?，F(xiàn)在,，成百上千的物理學(xué)家，既包括理論物理學(xué)家也包括實驗物理學(xué)家,， 正在努力攻克這個難題,。如果正義和運氣不缺席的話，我們可能很快就會看到一個與海王星,、宇宙微波背景,、希格斯粒子、引力波和系外行星等發(fā)現(xiàn)同等重要的傳奇故事,?？茖W(xué)的神秘故事的解決方案往往都價值連城。

有關(guān)謎團(tuán)的未來展望

謎團(tuán)如何終結(jié)

瓦爾·菲奇是早期T對稱性破缺研究領(lǐng)域的代表性人物,，他是個挺有幽默感的聰明人,。他之前是普林斯頓大學(xué)物理系的主任，當(dāng)時我也是那里的教授,，那還是在我研究生涯早期的時候,。我在把有關(guān)軸子和暗物質(zhì)的新想法告訴他時^[8]，自然而然地提到了T對稱性破缺,，就好像那是一個自古以來顛撲不破的事實一般,。畢竟，我剛開始學(xué)習(xí)的時候,，它就已經(jīng)被學(xué)界廣泛接受了,。在我們交談中的某一時刻，他和藹地笑了笑并對我說道：“昨天的轟動事件就是今天的準(zhǔn)繩,?！?/span>

這就是成功的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的命運。我曾在漸近自由和QCD（量子色動力學(xué)）的故事結(jié)尾感受過類似的過程,。在我們?nèi)〉猛黄浦蟮膸啄陼r間里,，人們對于它是否真的解開了強(qiáng)力的謎團(tuán)滿懷興奮和質(zhì)疑。在多次大型國際會議上,，主題為“檢驗QCD”的報告都是亮點部分,，介紹了運用該理論做出的預(yù)測，以及在實驗中對其進(jìn)行檢驗的進(jìn)展,。然而,，隨著疑慮逐漸消失，人們的興奮也逐漸消退,。如今,，同樣的工作轉(zhuǎn)至幕后仍在繼續(xù)，不過現(xiàn)在已經(jīng)比那時要復(fù)雜得多了,，我們將其稱為“背景計算”,。昨天的轟動就是今天的準(zhǔn)繩，以及明天的背景,。

了解和疑惑

除了對特定謎團(tuán)的未來展望之外,，對謎團(tuán)本身的未來發(fā)展也有很多有趣的問題值得探討。

克萊基金會提供了100萬美元,，獎勵給證明QCD 預(yù)測了夸克禁閉的人,。物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)更低一些（我覺得更恰當(dāng)?shù)恼f法應(yīng)該是，物理學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)有所不同）,，據(jù)我所知,，我們已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于證明了夸克禁閉現(xiàn)象。在計算機(jī)的幫助之下,，我們可以在很小的誤差之內(nèi)計算出QCD 會生產(chǎn)出哪些粒子,，但是孤立的夸克并沒有在計算結(jié)果中出現(xiàn)。事實上，這些計算結(jié)果中粒子的質(zhì)量和性質(zhì)與我們在自然界中觀測到的粒子完全一致,。

超級計算機(jī)應(yīng)該獲獎嗎,？負(fù)責(zé)編寫代碼的程序員呢？

2017 年,，一個叫作阿爾法零（AlphaZero）的計算機(jī)程序極富創(chuàng)新性地使用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，在掌握了國際象棋規(guī)則之后，它與自己進(jìn)行了幾個小時的對弈,，從中吸取經(jīng)驗之后,，最終取得了超越人類的表現(xiàn)。阿爾法零懂國際象棋嗎,？如果你想回答“不懂”,，那我建議你去看看伊曼紐爾·拉斯克（Emanuel Lasker）是怎么說的，他曾在1894年至1921年間連續(xù)27年奪得世界冠軍^[9],。

在國際象棋的棋盤上,，謊言和偽善絕不會長久。富有創(chuàng)造力的組合會充分揭露謊言,，偽君子會在殘酷的現(xiàn)實中被將死,。

這樣的案例表明，有一些方法是人類意識無法獲得的,。但是說實話,，這不是什么新鮮事。有很多事情同樣是人類意識無法提供的,，但人類本能地知道該怎么做,，比如怎樣以極快的速度處理視覺信息，以及如何讓身體保持直立,、行走和奔跑,。

人類和地球上其他生物的基因組是另外一個巨大而無意識的知識寶庫。它們已經(jīng)解決了有機(jī)體為蓬勃發(fā)展而遇到的很多復(fù)雜的問題,，這些壯舉遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人力可及的范圍,。它們并不是通過任何邏輯推理過程，而是通過漫長而低效的生物演化過程逐漸“學(xué)會”了如何做到這些,，而且它們不可能有意識地知道自己掌握了這些事情,。

我們的機(jī)器能夠進(jìn)行冗長而精確的計算，能夠儲存大量的信息,，能夠以極快的速度學(xué)習(xí),，這些能力為理解問題的方式帶來了質(zhì)的飛躍。計算機(jī)將會朝著各個方向拓寬知識的邊界,，最終到達(dá)人類大腦無法抵達(dá)之處,。當(dāng)然,，有了計算機(jī)輔助的大腦能夠為這些探索提供幫助。

人類有一種進(jìn)化和機(jī)器所不具備的特殊特質(zhì),，就是能夠識別自身理解中的空白,，并且從填補(bǔ)空白的過程中獲得快樂。體驗神秘感和力量感是再美好不過的事了,。

[1] 當(dāng)然,，為什么會發(fā)生這樣的事顯然需要進(jìn)一步的解釋,。我們在第6章和第7章討論了一些相關(guān)的概念,，特別是暴脹以及簡單中的復(fù)雜性。

[2] 或者,，你的答案有可能會讓孩子昏昏欲睡,。

[3] Κ介子是強(qiáng)相互作用粒子（強(qiáng)子），它極不穩(wěn)定,，我們可以使用高能加速器仔細(xì)研究其性質(zhì),。Κ介子是所有包含奇夸克的強(qiáng)子中最輕的。

[4] 當(dāng)然,，從神學(xué)意義上來說,，任何一種科學(xué)原則都不會像宗教教條那樣神圣。但是如果相對論,、量子力學(xué)或局域性是錯誤的,，我們就要在知識的荒原上重新開疆拓土，因為這些原理很好地發(fā)揮了作用,，并且能將很多事情解釋清楚,。換句話說，它們可能比T對稱性更為基本,。

[5] 有關(guān)這些“額外”粒子的更多信息請參見附錄,，其細(xì)節(jié)對于接下來的內(nèi)容并不重要。

[6] 如果粒子運動得太快,，它們就會影響引力不穩(wěn)定性的增長,，這樣你得到的宇宙模型就和我們的宇宙不一樣了。

[7] 史蒂文·溫伯格同樣獨立地發(fā)現(xiàn)了這一點,。

[8] 我們還談?wù)摿擞钪嬷形镔|(zhì)和反物質(zhì)之間的不對稱性,。

[9] 拉斯克在純數(shù)學(xué)領(lǐng)域同樣做出了杰出貢獻(xiàn)。