村山齐(Hitoshi Murayama)

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日本东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构所长、特聘教授,美国加州大学伯克利分校物理教研室教授,直线对撞机合作组(LCC)副主任,美国艺术与科学学院会员,日本学术会议合作会员。1964 年出生,东京大学理学部毕业,东京大学研究生院理学系研究科博士课程毕业,经任东北大学助教等职位,成为美国加州大学伯克利分校教授,并就任日本文部科学省作为世界顶级研究基地而设立的日本东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构的第一任所长。专业为基本粒子物理学,主要的研究课题包括:超对称理论、中微子、早期宇宙、加速器实验的唯象理论等。著有《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》(宇宙は何でできているのか,幻冬舍)、《宇宙只有一个吗》(宇宙は本当にひとつなのか,讲谈社)、《我们为何存在于宇宙之中》(宇宙になぜ我々が存在するのか,讲谈社)、《村山先生,究竟了解宇宙多少》(村山さん、宇宙はどこまでわかったんですか,朝日新闻出版)等。2002 年获西宫汤川纪念奖,2011 年获日本新书大奖第一名。

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村山老师是取得了国际成就的物理学家,是致力于宇宙国际共同研究的年轻领导者。为了将最先进的研究成果回馈于社会,村山老师积极举办民间讲座等活动,同时,村山老师的第一部科普著作《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》(图灵即将出版)也成为了畅销书。

下面让我们来追寻村山老师在这些丰富多元活动中的思想轨迹。

村山老师,您的专业是“基本粒子物理学”,是普通人不熟悉的领域,那么,这是怎样的研究领域呢?

基本粒子正如其字面意思,通过不断深入剖析物质,研究微观层面中组成物质的基本粒子的结构和运动机制,这就是基本粒子物理学。这一领域在20 世纪取得了巨大进展,我们世界物质的基本结构已大致明了。

物质由原子组成,原子的中心部位存在原子核,原子核周围环绕着电子。原子核由质子与中子构成,质子、中子又由更微小的粒子夸克组成。原子的直径约为一亿分之一厘米,夸克的直径则小于十亿分之一厘米,可见它们是多么微小。就像这样,我们现在已经 能够从微观层面重新了解物质了。

另一方面,当我们仰望浩瀚的宇宙,会意识到宇宙中尚有许多未解之谜,而基本粒子的研究在很大意义上与宇宙息息相关。例如,追溯过去的宇宙,那时曾经没有恒星和星系,只存在暗物质与原子。再进一步向前追溯,宇宙还曾经处于原子核与电子各自零乱运动的时期。越往早追溯,宇宙越接近微小基本粒子的世界。基于这个意义,现在的宇宙研究也都是从基本粒子物理学的角度进行的。

现在您就任日本东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构的所长一职,那么该研究机构是什么样的组织呢?

卡弗里数学物理联合宇宙研究机构,是为了解答宇宙的根源性问题而设立的国际性研究机构,机构中的数学家与物理学家合作进行研究。我们总是说宇宙中存在着很多未解之谜,在卡弗里数学物理联合宇宙研究机构中,研究者试图汇集最先进的科学成果来阐述“宇宙的起源”“宇宙的组成”“宇宙的未来”“宇宙的基本规律”“我们为何存在于宇宙中”这五类问题。这五类问题是非常基础且重要的问题,也是特别难以解答的问题,爱因斯坦也没有实现曾经梦想过的“统一理论”。在宇宙的统一理论中迫切需要融合和贯通数学、物理学、天文学这三大领域,其中,我当前最感兴趣的是暗物质与暗能量。

虽然如此,但研究宇宙与基本粒子对我们现阶段的生活与工作完全没有帮助,只是科学家在逻辑思考的理论层面进行研究。因此,科学家自然会受到文化差异与成见的影响,我们在研究工作中也在极力消除这类影响。这些是随着我的谈话,在脑海中浮现出的一些想法。

阐明“宇宙的起源”以及“宇宙基本规律”的研究到底是什么呢?包括我在内,我想大多数非专业人士都不会懂得。那么您在日常生活中是如何思考的呢?您认为一天之中是否存在最适合头脑思考的时段?

我个人一天之中头脑最清醒的时间是晚上,完全属于“夜猫子”类型的人。晚上21 时到24 时可能是我头脑最灵活、最清醒的时间。在结束一天的工作、返回家中后,时间完全属于我个人,我或者做饭,或者泡个热水澡,在此期间我会总结今天一天的事情,并开始仔细考虑具体事项的处理。

我认为大脑的思考方式有多种,例如可以在某种程度下系统地分析思考。但我认为在深入思考的阶段,您头脑中会进行“头脑风暴”吧?那种时刻,是否容易产生某种灵感,或者您拥有某种自己特有的思考模式?

我从未想过您提出的这些问题,所以一时之间也不能回答您。但从小时候起,我就喜欢琢磨各种事情,对“这是什么”的疑问,总是要彻底搞明白才行。现在我还清晰地记得关于夏天喝可乐的一件事,在我们插入吸管准备喝可乐时,吸管却会浮上来,一般情况下大家会感觉烦躁吧,但我会想“咦,什么情况?怎么会这样?”吸管为什么会浮上来?可乐与吸管是什么关系?当时我盯着可乐思考着这些问题,之后注意到吸管周围漂着很多碳酸泡沫,于是我想到了是因为吸管与泡沫都比水轻,所以才会浮上来。这段记忆发生在小学三年级前后,一个小孩子一直盯着可乐与吸管,直到自己想明白前因后果,我想当时可能是缘于读过阿基米德泡在浴缸中看到热水溢出,从而想出测量皇冠比重方法的故事吧。

另外,在热气腾腾的米饭上撒上鲣鱼干,鲣鱼干不是会“嘭”地升起来吗?就这事也会令我兴奋地思考“这是为什么”,结论为,米饭的热量使空气升温而变轻,形成上升气流,上升气流使干燥的鲣鱼干蓬松升起来,鲣鱼干在遇到热空气吸收水分后又恢复原状,落回到米饭上。对于类似这样的问题,我总是希望能想出答案。我具有强烈的好奇心,一旦注意到什么就希望马上调查研究,明白原因。哪怕只是稍微明白一点儿,自己都会欢欣雀跃,在疑问全都解开时的瞬间,我会感到无比舒畅。我永远不会忘记揭开谜题时的那种喜悦与兴奋。至今也仍然是为了探求谜底与真相而做研究。

真是了不起的观察力!但是一般情况下,小学总是填鸭式地让学生死记硬背知识,虽然孩子的好奇心应当受到重视,但在实际的教学中却很难实现这方面的引导与培育。

小学教育中鼓励学生自己尝试着去思考问题的情况确实很少,因为教学时间有限,一些知识必须要先让学生牢记,这是不可否认的事实。例如记不住九九乘法表是不可能小学毕业的,但我认为如果拿出两三分钟时间向孩子提出“这个你怎么想”“你稍微想一下” 这类的引导性问题,那么,情况就会有很大的不同。

我个人非常不擅长要求记忆、背诵的课程,对在空白地图上默写平原、河流、山脉名的课程完全提不起兴趣,导致最终没能掌握这些知识。但另一方面,我非常喜欢记忆日语中的汉字,那是因为老师会教授汉字的结构与原理,例如,有的汉字是象形字,有的是形声字。汉字的左边为偏,表示意思;汉字的右边为旁,表示发音。这样就很容易记住汉字的结构与含义。

我也不喜欢记忆历史课中的年代和人物,但却深深被历史剧吸引。我也曾经读过科学家的传记,也醉心于一些描写大发明、大突破背景故事的电视剧。这类个性且生动的电视剧会呈现出研究者的成长历程与其成果之间的关联,这令我心潮澎湃。我认为让孩子们产生并保持好奇与兴奋的感觉是非常重要的。

现在的学校教育中缺乏让孩子们兴奋和自主思考的训练,我们也在研究,准备打破一些原有的条条框框来重新制定教育规则,为此需要一定的勇气和经验积累。

科学家,据说包括爱因斯坦在内,对研究都会具有一定的先入之见。但是,在逐渐积累数据与推断的过程中,如果现有的思路遇到问题,科学家在深思熟虑后认为确实不能再顺利推进研究,他们就会不得不舍弃以往的范式,进而采纳新的范式。

在科学史上,这样的事情发生过很多次。从地心说到日心说,这是对最初的理论学说的大逆转。之后,曾一度被认为是理所当然的基础学说(或理论)也接连被动摇。例如“光”一直被认为是一种波,但现在已知它实际上也是一种粒子。反之,“电子”这种基本粒子曾经被认为是一种粒子,但不可思议的是,我们已经认识到它也是一种波。

根据爱因斯坦的相对论,“时间”也不再是之前我们一直所相信的、所有人都共同拥有的那个时间。如果速度加快,时间将会延缓。就像这样,科学建立在反复舍弃之前理论的瞬间之上。当前的常识或许在不久的将来就会被颠覆,科学家们就是在这样的环境中从事 着研究工作。

进入21 世纪,在物理学领域中,对事物的看法发生了很大改变,对于处于物理学领域之外的人来说,可能感觉不会很强烈,但如果读过相关的科普书,就会惊讶不已。那么,这20 年到底发生了多大程度的变化呢?

我毕业后取得学位,开始从事研究工作距今已经20 年。当时,基本粒子理论中已经形成了“标准模型”,关于宇宙,也已经形成了“大爆炸”模型,那个年代的物理学成功地概括了这些模型,并从根本上确立了以此为标准的基础理论。面对这种情况,虽然令人欢欣鼓舞, 但另一方面,科学家们也进入了一种不知如何进一步推进研究工作的胶着状态,因而当时的科学家们无所事事,无研究可做。

然而,在之后的10 年左右,以前的理论体系中的做法与思路等破绽百出,实际上许多事情都没有研究明白,物理学陡然变得十分有趣。其中最令人震惊的是1998 年发现的“暗能量”。根据该发现,“宇宙自大爆炸后,就被引力所牵制,因而膨胀变缓”等以往的说法被推翻,“某种力在与引力的抗衡,并推动、加速了宇宙的膨胀”的事实被揭露了出来。

之后,在2003 年,宇宙能量的详细情况被相当准确地分析了出来。其中,已经明确我们通常称为物质的原子只不过仅仅占宇宙整体的4.4%。在小学时,我还记着我们学习过“万物由原子组成”这样的知识,但那是个大谎言。另外,说起宇宙,我们会想到夜晚的天空上闪耀着明亮美丽的群星吧,可是在宇宙之中,恒星与星系也只仅仅占0.5%。

那么,原子以外,宇宙剩下的95% 是什么呢?宇宙的22% 是被称为暗物质的谜一样的物质,73% 是“暗能量”,由于暗物质与暗能量其真面目尚不得而知,所以,坦率地说,对于宇宙,我们已知的是更多的“未知”。宇宙的95% 还仍然是未解之谜。因此,针对至今为止的物理学理论,我们发现了巨大的漏洞,以此为契机,物理学进入了较大的范式转换时代。

发现原有理论体系存在巨大漏洞的科学家们纷纷荣获诺贝尔奖,而另一方面,世界各地的研究人员积极参与到弥补漏洞的新挑战中。之后的近10 年间,诸位研究人员对问题的研究方法进行了思考,终于将实际的实验与观测结合到了一起。从此,我们将要迎来揭开宇宙未解之谜的时代,我认为这是大势所趋。

我对暗能量、暗物质的话题非常感兴趣,让我问一个非常业余的问题吧,为什么我们没有更早地注意到暗能量与暗物质呢?

在20 世纪30 年代,观测星系团的研究人员就已经注意到引力异常的现象。星系团中汇集大量的星系,尽管各星系以非常快的速度运行,但位于其中的各星系并不会脱离星系团,而是处于一种稳定的状态下。研究人员们注意到:即使星系之间的引力会彼此吸引,但仅凭这些可见的恒星引力并不足以使得星系维持在稳定的状态。因此,研究者认为一定存在某种不可见的大质量物质来提供引力。然而,由于当时的观测技术以及解析观测数据的理论尚不发达,未能够进一步进行调查与确定。

20 世纪70 年代,这种物质的存在被确定,因为这些物质不发光,且具有巨大质量,所以称之为“暗物质”。研究已经明确,暗物质的质量约为具有目前所能够观测到的普通物质质量的5 倍,它们也是宇宙形成的源头。即,宇宙大爆炸后形成暗物质,暗物质彼此聚集,其引力将普通的原子拽入其中,从而形成恒星,进而成长为星系。恒星是生命之源,所以,如果没有形成恒星的暗物质,我们就都不会存在。

可以认为在我们的周围也存在着大量的暗物质,它们甚至穿透我们的身体内部。这么说的话,总感觉有些奇妙和恐怖吧?不过,暗物质是不会与普通的物质发生反应的,这是暗物质的特征。

我们所居住的太阳系在银河系中以220 千米每秒的惊人速度运行,尽管如此,太阳系也不会从银河系中飞出,而是留了在银河系中,这也是暗物质作用的结果。地球公转速度实际为30 千米每秒,不过小学教育中并没有向小学生讲授该速度,可能是因为这样的速度会使一些小朋友产生不适感,例如一想到自己站在以30 千米每秒的速度运转的球体之上就会感到恶心之类的。

那么,是从什么时候开始能够观测暗物质的呢?

先举一个例子,观测星系旋转的速度时,我们使用的是多普勒效应1,在该方法中实际使用的是无线电波。我们需要捕捉到星系中和星系边缘的无线电波,才能进行测量。虽然星系的边缘区域没有恒星,但存在大量的氢气,所以也会释放出无线电波,捕捉这种无线电波,才能够正确地测量星系无线电波的波长。除此之外,准确的测量还需要满足多项条件。从20 世纪60 年代起,满足这些条件的观测技术与解析方法才得以实现。之后,研究人员便在观测中遭遇到了暗物质。但是,即使我们准确地发现存在那种物质,但无法将其与普通物质进行区分。直到进入本世纪才开始,我们才能够区分暗物质与普通物质,这确实是近期的研究成果。

说到科学,当试图说明某种新事物时,科学的正确阐述首先是应当以已了解的事物为基础进行说明,而不是突然阐述一种不可思议的假设。2003 年,研究者通过多角度的观测、研究,确定了暗物质的存在。意识到存在某种未知的物质,然而确认其存在,进而通过观测与实验直至证实其存在,这一过程是有一些难度的,并非想象中那么简单。

原来如此。在我们的印象中,一般都认为理论物理学的知识是用纸与笔来研究的,这样说来这是误解吧?在当前观测技术与解析方法等基础设施已相当完善的环境中,如果不进行综合性的研究,大多不能形成理论。另外,进入21 世纪后,在天体物理学界,研究所需要的设施正在逐渐完善吧?

当然,也曾经有段时期并不具备之前的理论与技术。在20 世纪八九十年代,都是先形成理论,再通过实验逐个验证理论。对于研究理论的人来说,通过实验只是验证了自己已经了解的事物,因此没有任何意义,他们反而希望能从实验中发现意料之外的事实。如果能够遇到“现在的理论无法解释”这样的问题,那么,研究人员会立即兴奋起来,开始新的思考和研究。1998 年暗物质的发现就是这样的转折点。

本文选自《设计思维:东京大学思维素养访谈集2》

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