开门

微博 2021年01月25日

      顿悟时刻

      ​​开门,对人来说,不过稀松平常的举手之劳。对猫来说,感觉却是难以企及的幻想。一念及此,心中不禁感到些许悲哀。

      薛定饱刚来的时候,才两三个月大,经常待在我卧室。有天晚上,不知怎的,它脾气暴烈上窜下跳乱咬一气,一气之下,我把它拎出去了,关上了门。

      不一会儿,门外传来凄哀的叫声,声调很高,拉得很长,透着绝望,又传来爪子挠门的声音,一爪又一爪,急促而绵密,我顿时感到百爪挠心,放它进来了,同时内心升起深深的怜悯。相对猫咪幼小的身躯而言,这扇门,无疑显得过于高大宽广,其中的奥秘深不可测。

      许是过了两个多月,有天晚上,我坐在另一个小房间里,旁边的门虚掩着。不知不觉间,薛定饱跳上了门把手。我一看,两个前爪,正牢牢撑在门把手的转轴附近。门也许由于受到冲击,徐徐转动起来。它直挺挺地垂吊着,身体纹丝不动,目不转睛斜瞪着,很平静的样子,仿佛在细细地感知着什么。终于,门大大地敞开了。

      我静静地看着它,脑海中闪过一丝讶异,这段时间难道你有观察我开门?随即感到有点可笑:小家伙,你也太会自欺欺人了吧,你不会真以为自己能开门了吧?不不不,你甚至没法意识到自己在自欺欺人。很可惜,开门的奥秘,涉及到看似简单却十分连贯的动作,错一步也不行。恐怕真不是你这个小脑瓜小身板能搞定的。

      天气一日比一日冷。卧室里已开了电暖气,门常常紧闭着。晚上,薛定饱有时候想单独去客厅逛一逛。它照例会往门把手上跳几次,妄想自己打开。这当然是徒劳的。两次跳跃的间隙或停跳之后它会叫,叫声往往不是“喵”,更多是带着哭腔的“嗯”,声调不算高,但抑扬顿挫,起伏有致,凄婉动人。感觉仿佛在说,“你快过来嘛,过来帮帮人家嘛”。叫声已不似最初那样绝望,许是它很清楚我总会出手相助。有时它还会转过头来,半蹲着,望着我,用眼神哀求。万一此时还没投降,它就有可能过来蹭你,用头使劲蹭你的脚或腿,有时也蹭手。猫有求于人的时候真是太懂得撒娇了。

      有天晚上,我照例给它开了个小口。当时迷迷糊糊,开门后右手还摁着门把手没松回去,想等它出去后立马关上。客厅和卧室温差大,空气对流,冷风嗖嗖的。我宁愿多跑几趟,也不愿意冷风往里灌,何况电费更要蹭蹭蹭往上涨。但是过了几秒钟,竟没听到动静,我低头一看,薛定饱正抬着头,一双清澈透亮的大眼睛,怔怔地看向我白里透黄的右手,不觉看呆了。我心中一惊,原来是个呆猫。我看过无数次薛定饱的眼睛,那一次印象最深,感觉仿佛看到了它的灵魂。

      它终于进了客厅,我关上门,躺在床上。约摸过了十来分钟,门口有了动静。熟悉的一跳,很快落地,又是试探性的一跳,再落地。没有哀叫声。我正寻思着是不是该起来给它开门时,听到了第三跳,门的声音蓦然有了异样,咔哒。我躺在床上,墙的拐角把门遮挡住,不能看得清楚。正疑惑间,只见薛定饱一摇一摆走过来了。它缓缓晃着尾巴,微微摇着头,巡视着两侧地板,那步伐之从容,神气之淡定,让我恍惚间感觉迎面走来的是一只大老虎。窗外传来马路上汽车清晰的嗡鸣声,我感到屋子里前所未有的寂静。

      不敢相信,我竟然亲眼见证了猫的顿悟时刻。

      对我来讲稀松平常的世界,对它来讲高深莫测的世界,这一刻,在向下转动的门把手上,相遇了,仿佛被一道光击穿而连接贯通。

      于是,猫经常能自己进来了,虽说并非每次都会成功。它自然也想独自出去。奇怪的是,接下来的好多天,它跳得更卖力,却始终没成功。我也很纳闷。仔细观察了下,里面的把手和外面的是一体的,这个转带着那个也转,结构也都一样,既然能进来,为什么就不能出去?

      虽然纳闷,倒也没去细想。我依旧饶有兴致地看它跳门,虽然一直没看到它是怎么进来的,却能看到它是怎么要出去的。通常是用左爪摁住门把手的转轴处,右爪使劲往下压一下。有时候它的两爪都抓住右侧,靠身体的重力压下去。然后就掉下来。我还发现很有意思的一个现象,它掉下来后,并不能立马就看出门是否已经打开。总要用鼻子蹭一蹭门沿处,看看能不能蹭开。也许是由于我之前每次门开得都不大,让它形成了这习惯。尽管次次失败,它倒没有放弃。

      后来有一次,手碰到门把手的一刹那,我恍然大悟。卧室的门是向里开的。不管进还是出,门把手都要往下摁。这一点猫应该明白。而进门需有一股向前的力才能推开。借助跳跃时的冲击力,或松爪时的反弹力,多试几次也不难做到。虽然它不一定明白其中的道理。其实,也不需要明白。而出门时需要的是向后的拉力。这可就太难办到了。

      道理如此简单,我当时竟未立即明白。好像并没有比猫聪明多少。

      我的思维向来不算敏捷,然而一旦下决心考察研究,其深刻透彻却非常人能及。对于这种笨拙,我倒是颇为自信。

      于是,我决定对这个问题作一番更深入的梳理与思考。

      我发现,这扇门弹拨出了现代物理学的主旋律——对称性及其破缺。正因是主旋律,许多人都对此耳熟。

      这扇门很对称。譬如,整体形状是对称的长方形,里面的和外面的门把手,结构也一样。然而,门可以向里开,却没法向外开,里面和外面毕竟还有差别,并非完全的对称。就是说,它的对称性破坏掉了。物理学对此有个专业的说法——对称性破缺(symmetry breaking)。

      内外有别的原因,稍加观察不难发现:门的转轴安装在门框内侧边缘。这种对称的破缺很明显。物理学称之为明显对称性破缺(explicit symmetry breaking)。

      不过,还有另一种更重要的破缺方式——自发对称性破缺(spontaneous symmetry breaking)。这也可以用门来阐释,不过有一点不自然。通常的物理学科普,则会用竖直倒立的一根笔,或中间凸起的酒瓶底,或墨西哥帽,来阐释说明。简单地说,假如酒瓶底的正中央立着一个小球,这个系统会处于完全的轴对称中。然而它不稳定,一点点风吹草动,球就会往低处滚,一直滚到最低处的圆圈里。往哪个方向滚呢?圆圈上的任何方向都是平等的,都有可能。而一旦滚下去,球也就选出了一个特定的方向。这个系统就不再完全对称了。这就是所谓自发对称性破缺。

      上世纪六十年代初,南部和戈德斯通等物理学家,发现并证明了一个重要定理。它预言,自发对称性破缺,往往会伴随出现一种零质量的自旋为零的粒子。自旋为整数的粒子统称为玻色子,这种粒子因而被称为戈德斯通玻色子。这背后有简单的物理图像:酒瓶底部的小球,沿着瓶底的圆圈打转转是极其轻松的;然而要从圆圈里向着凸起的位置爬,就颇费力气了。这大致就是零质量和有质量的区别。

      尴尬的是,粒子物理学的实验中从来没有观察到这个零质量的粒子。

      这种尴尬并不是第一次出现。

      把时间拨回1953年。

      普林斯顿高等研究院的黑板前,冉冉升起的学术新星,杨振宁,正在一个学术研讨会上作报告,台下坐着一众物理学大佬。

      杨振宁自西南联大读研究生时起,就想从对称性的角度,推广描述电磁力的麦克斯韦理论。而现在,他和还没毕业的博士生米尔斯合作愉快,终于突破了困惑多年的心头难题,建立了一个简洁优雅的理论——杨–米尔斯理论。有时也称为非阿贝尔规范场论。

      这理论非常漂亮,但它有个漏洞。它预言存在一种零质量的粒子,一种自旋为一的玻色子。

      尴尬的是,实验中从来没有发现过。

      杨振宁对这漏洞心知肚明。

      台下的泡利也一眼就看出来了。

      报告开始没多久,泡利就发问了:“你这个场的质量是多少?”

      泡利的问题,在物理上基本等价于问粒子的质量是多少。

      泡利批评起别人来是有名的犀利尖锐。短短一句话,就锋芒毕露,一剑封喉。

      杨振宁说,我不知道。

      本是最想遮盖掩藏的,偏偏被照在聚光灯下,任谁也没法不心虚,只想搪塞过去。

      杨假装啥事也没发生,继续作报告。

      没多久,泡利又发问了,问的是一模一样的问题。

      哎,看来是躲不过去了。

      杨说,这个问题很复杂,我们曾尝试解决,但还没有最终答案。

      泡利驳道,这可不是充分的理由。

      杨大吃一惊,犹豫片刻,坐了下来,决定就此停止报告。

      房间里充满了尴尬的空气。

      最后还是奥本海默圆了个场:我们还是让杨振宁继续吧。

      杨于是继续,直到结束,泡利再没有提问。

      第二天,泡利给杨留了封信:

      “很遗憾,我发现研讨会之后再跟你说话,几乎是不可能的了。”

      不满之意,跃然纸上。

      大家都很清楚,漏洞若不能补上,杨和米尔斯的这个理论,最多算是华而不实的数学玩具。事实上,很长一段时间,大家真是这么看的。

      尽管有如此尴尬的漏洞,杨振宁还是鼓起勇气发表了。初生牛犊不怕虎,这可能是他此生最庆幸的决定。

      这篇文章奠定了他在物理学殿堂中的崇高地位,只是当时没料到。

      把时间推到1956年。

      杨振宁和李政道提出了宇称不守恒,第二年诺贝尔奖收入囊中。

      把时间推到1964年。

      凝聚态物理学的一代宗师,菲利普·安德森,发表了一篇论文。他受凝聚态物理中超导研究的启发,提出一个绝妙的想法,戈德斯通的零质量粒子问题和杨-米尔斯的零质量粒子问题,其实可以相互抵消。如此一来,这两个难题就同时解决了。

      彼时,凝聚态物理和粒子物理,尚是相隔遥远的两个世界。然而,安德森这种跨领域的大师,却可以随脚出入。他在遥远的两个领域之间搭起了桥梁,互相借鉴互通有无。

      这篇论文让人耳目一新,是至关重要的物理学突破。虽然它具体细节不足,还存在一些疏漏,但适用于粒子物理的相对论性模型的建立,已然是迫在眉睫呼之欲出。

      两年后,有三个组共六个人,几乎同时发表了内核相同但侧重点各有不同的三篇文章。

      人数之繁多,思想之重要,时间之凑巧,撞车之猛烈,史所罕见。

      后来,这项发现普遍被称为希格斯机制。我专门对比了这三篇文章,发现希格斯的文章写得最简洁明快最短小精悍,不知希格斯的幸运是否与此有关。这是安德森想法的一个精确而具体的实现,因此也有人称之安德森-希格斯机制。2012年希格斯玻色子发现后,欧洲核子中心将其更名为布罗特-恩格勒特-希格斯机制。2013年,恩格勒特和希格斯获诺贝尔奖。布罗特已于2011年辞世。

      物理学界对希格斯机制有一形象通俗的描述,说是一个零质量的自旋为一的玻色子,吃掉了一个零质量的戈德斯通玻色子以后,变胖了,于是有质量了;而戈德斯通玻色子被吃掉后,消失了。至于为什么零质量吃掉零质量就变成了有质量,抛开具体的数学细节,只看文字,很难搞明白。有意思的是,困扰物理学界这么多年的难题,最后归结到数学计算,教科书两页纸就讲完了。

      希格斯机制优雅地解决了零质量粒子的问题,后来发现这方案只适用于电弱力。而杨当初建立这个理论实则是为了理解强力。我们知道,宇宙中有四种最基本的相互作用力:万有引力、电磁力,弱力,强力。其中电磁力和弱力又可统一为电弱力。杨当时物理上的出发点是质子和中子。后来的进展表明,这出发点有问题,因为夸克是比质子和中子更基本的粒子。然而重要的是,非阿贝尔规范场论的数学框架完全保留下来了。先是被用于统一电磁力和弱力,其中的关键之一就是希格斯机制。发现了渐近自由现象后,它又被应用于描述强力。

      其实不管是弱力还是强力,泡利之问都直戳要害。但弱力和强力的理论中,泡利之问的答案不同。弱力下解决问题的关键是希格斯机制。强力下则是色禁闭机制,而非希格斯机制。那个自旋为一的零质量粒子,在强力理论中称为胶子。色禁闭机制说,胶子之所以没观测到,是因为它和夸克一起被牢牢囚禁起来了。总之,论文发表后近二十年内,杨都没有再触碰这一课题,杨-米尔斯理论的地位却日渐稳固起来。

      值得一提的是,物理学家普遍相信色禁闭机制的存在,却没法用完全精确的数学公式去理解背后的原理。我们对杨-米尔斯理论的认识尚处于初级阶段,人类的数学工具也还十分有限。千禧年七大数学难题之一——杨-米尔斯质量间隙问题,就与此密切相关。

      就在我作了此番梳理之后,这几天事情又起了变化。

      前天晚上,薛定饱又跳门,想出去。突然又听到咔哒一声异响,我立马冲了过去。它明显也注意到了我的声响,正回头注视着我。然而,门已经开了个小口,它却浑然不觉——还没来得及去蹭。我赶紧过去转了下门把手,假装是我帮它打开的。

      过了一天,同样的事情,又发生一次。我有点懵,还不太清楚到底是怎么回事。不知是傻猫碰见了好运气,还是它隐约摸索到了窍门。

      也不知以后会如何进展,现在的我时时感到惊异:

      门已经打开了,只是当时还没有发现。​​​​​​​​​

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