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追踪“庞加莱猜想”破解者佩雷尔曼

2006年的西班牙马德里,国际数学联盟(IMU)在此主办的菲尔兹奖颁奖仪式即将开始。西班牙国王胡安•卡洛斯一世作为颁奖嘉宾莅临现场,同时会场中还汇聚了来自世界各地、活跃在学术最前沿的4000余名数学家们。

作为数学界的最高荣誉奖项,四年一度的菲尔兹奖仅授予在四年间做出突出学术贡献的数名数学家,因其获奖人数之少,也被认为是较诺贝尔奖具有更高权威的奖项。

而这一年,毫无疑问,大家都认为菲尔兹奖应当授予给出了庞加莱猜想证明过程的那位数学家。

当原国际数学联盟主席,来自牛津大学的约翰•波尔(JohnBall)教授出现在颁奖台上,将要宣布获奖者姓名时,从观众席上传来了热烈的掌声。波尔教授稍作停顿,等待掌声平息之后,正式宣布:“本届菲尔兹奖授予来自圣彼得堡的格里戈里•佩雷尔曼博士!”与此同时,一个蓄着长胡子的男子巨大头像照片也出现在颁奖台上方的屏幕上。这个人正是格里戈里•佩雷尔曼(Grigoriy Perelman)博士,正是这位40岁的俄罗斯数学家证明了素有“世纪大难题”之称的庞加莱猜想。教授话音刚落,会场上就响起了雷鸣般的掌声,这掌声,是与会的数学家们对这个可以称得上是数学界百年一遇的奇迹的赞叹,也是他们难耐心中喜悦的真情流露。

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图:宣布拒绝领奖消息的约翰·波尔

但是,在此之后,事件的发展陡然急转直下。“非常令人遗憾的是,佩雷尔曼博士拒绝前来领奖。”波尔教授随后就宣布了这一消息。当时,会场中可能有人没有听清楚教授的这句话,或者是根本没理解教授的意思,仍然有稀稀拉拉的掌声响起,但很快就安静了下来。数学家们不敢相信,佩雷尔曼博士居然就这样拒绝了菲尔兹奖的奖章和奖金,并且根本没有出现在会场,这是真的吗?

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图:菲尔兹奖颁奖仪式现场

这个事实对于那些曾经倾注十分的心血、万分的努力想要亲自证明庞加莱猜想的数学家们来说,不啻于一记闷雷。

来自美国的沃尔夫冈•哈肯(Wolfgang Haken)博士就曾经在长达30多年的研究生涯中,致力于证明庞加莱猜想。“迄今为止,还从来没有任何一位数学家拒绝领取过这四年才颁发一次的菲尔兹奖。这次的事件对国家数学联盟来说是非常沉重的打击。虽然我很不愿意这样想,但他的行为是不是故意想引人注目?无论如何,自此之后,佩雷尔曼这个名字将会传遍全世界。”他说道,“我很想知道这背后的原因,而且,佩雷尔曼博士究竟是怎样一个人,他的生活是什么样子的,我也非常感兴趣。”

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图:格里戈里·佩雷尔曼

出生地——圣彼得堡

据说,行踪不明的佩雷尔曼博士就隐居在这个他曾出生的城市。

纵横交错的运河与古老的街道相映成趣,满载游客的观光船让河面上变得热闹非凡。一到周末,更是有许多来自不同国家的情侣们,选择在这里的教堂举行结婚仪式,幸福的场面随处可见。

但是,佩雷尔曼博士的住处却不是那么容易能找到。

佩雷尔曼博士的住处位于圣彼得堡郊外,那里是一片遍布高层住宅楼、比较拥挤的区域。附近的居民说,这附近住宅的格局大部分都类似于日本常见的1LDK1房型,是比较适合平民居住的公寓。

1日本的1LDK指一室一厅一厨的房型。L代表起居室(Living Room),D代表餐厅(Dining Room),K代表厨房(Kitchen)。——译者注

一层的公共休息区里放置着住户信箱,但上面没有写任何名字。佩雷尔曼博士应该住在6层。我们大胆地敲了敲门,但没有任何反应。

这些都让我们不禁怀疑,这位破解了世纪难题的数学家是不是真的住在这里。我们找到了一位路过的住户,问道:“请问佩雷尔曼先生是住在这里吗?”

“是的,是住在这里。”这位女住户还帮我们按了佩雷尔曼博士房间的门铃。虽然按了好多次都没有反应,但这位女士的表情似乎觉得这是理所当然的。

“我住在这儿5年,也只见过他6次左右。”

“您最后一次见到他是什么时候?”我们问道。

“大概两三个月前吧。他的衣着非常朴素,脸完全都被大胡子盖住了,整个人好像有种生人勿近的感觉。”

这位女士还告诉我们,佩雷尔曼博士的母亲也住在市内,他经常往返于自己租的这间公寓和母亲的住处之间。但是,在因拒绝领奖而受到全世界的关注以后,他似乎就一直寄居在母亲那里。

我们向她请教:“您知道怎么才能见到博士吗?”

“我不清楚。他曾经在研究所工作过,那儿也许可以告诉您一些消息。”

在我们的采访中,除了这位女士以外,其他住户基本上都不太了解佩雷尔曼博士的来历。

博士就职过的Steklov数学研究所位于一条古老的石阶路上,这条路就在流经圣彼得堡市中心的丰坦卡运河边上。这附近也正是陀思妥耶夫斯基的小说《白夜》中男女主人公相遇的地方。

在这个俄罗斯最具传统的研究所里工作,数学家们不需要像大学教授一样,他们不需要指导学生,或是处理那些事务性的工作。因此,虽然薪水不是最高的,但这个研究所汇集了俄罗斯全国的顶尖数学精英,在这里他们可以专注于追求自己的学术研究。

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图:坐落在圣彼得堡丰坦卡运河旁边的Steklov数学研究所

娜塔莎女士是佩雷尔曼博士在研究所的同事,她带我们找到了博士工作的房间。打开吱呀作响的木质房门,呈现在我们面前的是一个不算特别宽敞的房间,屋子正中摆放着一个椭圆形的桌子,在窗户边并排摆放着4张桌子。

“这就是数理物理学的研究室,佩雷尔曼博士和其他几位数学家一起使用。”娜塔莎女士指着房间最尽头的那一张桌子,上面摆放着一台大大的台式计算机。“博士经常坐在那个座位上,在工作时他一般都是背向其他人的。”

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图:佩雷尔曼的座位以及同事拍摄的背景照片,拍摄于Steklov数学研究所

从博士的座位看去,丰坦卡运河上来来往往的游览船和小桥清晰可见。

采访中,我们还找到了佩雷尔曼博士消失前留下的最后一张照片,是某位同事给他拍摄的。在这张照片中,我们也只能看到博士面向计算机的背影。

据说,到达研究所上班后,博士所做的第一件事就是坐在计算机前面查阅当天的电子邮件。同一间办公室的其他同事经常会三三两两围坐在圆桌旁,边喝茶边讨论数学议题,但博士从来没有加入过这个小圈子,都只是埋头忙于自己的研究工作。

“有时候他会突然从座位上站起来,我们都以为他有什么事情,结果他只是从桌子上拿一些小点心,嘟囔几句就又回到了座位。他看上去好像是个很难接近的人,但只要问一些数学问题,他就会非常耐心地回答,态度好得让人惊讶。”娜塔莎如此描述博士的工作场景。

但是,2005年12月,博士突然辞去了研究所的工作。所有的同事都极力挽留,但他还是决定离开。自那以后,人们就再也没有在研究所见到过他了。

“有传闻说他早已离开了数学界,但我认为这说法根本不可信。对佩雷尔曼来说,数学就是他的一切,数学就是他的全部人生。”娜塔莎女士虽然声音不大,但语气坚定。

金钱地位皆可弃

博士离开研究所后,研究所的行政人员就遇到了点小麻烦。从世界各地寄给佩雷尔曼博士的信件,在行政办公室的角落里快要堆成了一座小山。

“这些都是一些演讲的委托或者邀请函。您看,这一封是美国伯克利研究所寄来的,这封来自意大利的米兰。所有信件上面都写明希望投递给佩雷尔曼博士本人。”研究所工作人员也表示很无奈,大部分的信件都是挂号信,但博士本人拒绝去领取。结果这些信件就都转到研究所来了。虽然有点困扰,不过看起来这些工作人员倒没有任何怪罪佩雷尔曼博士的意思。

“我觉得放弃菲尔兹奖这件事,非常符合佩雷尔曼本人一贯的风格。”担任研究所经理的塔玛拉女士对我们说。这是一位身材高大、面容威严的女士,她已经在研究所工作了45年之久,是这里资格最老的员工。她在学生时攻读的专业就是数学,在研究所博得了员工们深厚的信赖,那些到国外出差的数学家们带回来的礼品把她的办公室都要淹没了。

就在辞职的几个月前,佩雷尔曼博士突然来到她的办公室,开口说希望把薪水的一部分还给研究所。

“‘我并没有参加过这个项目,所以也不会要这笔钱。’”塔玛拉女士转述博士当时的话后又补充解释了一下,“这件事其实是因为当时博士收到的工资明细上,写着一个他根本不知情的项目名称。他觉得自己没参加过这个项目,所以这个钱不能收。后来我发现,这个项目是当时和博士同一办公室的另一位学者以小组形式发起的,博士当时正好在从事另一个与此无关的研究。不过,即使他领了这笔钱,估计也没有同事会因此责怪他。至于把领到的薪水再还回来的,在我印象中,这个研究所过去从没发生过这样的事。”

虽然有过这样的事,但事实上,佩雷尔曼博士的生活并不十分宽裕。当时,他仅仅靠着每月5000卢布的工资,支撑着自己和母亲两个人的生活。如果某个月工资的转账发放稍微迟了点,他就会绷着一张脸走进塔玛拉女士的办公室,向她抱怨怎么这个月的工资还没有发。

“也就是说,佩雷尔曼其实一直都只遵循着自己的一套行为原则。据我的经验,这也可以说是很多数学家共同的特征。他们大多数都只忠实于自己内心的准则,很少会因为考虑到和他人的人际关系而改变这个原则。所以,大家把佩雷尔曼的所作所为拿来和一般社会大众的普遍基准相比较,是没有任何意义的。从这个层面上讲,大家觉得他的行为令人费解,我反而觉得这是再正常不过的事了。”

塔玛拉女士并没有试图去分析佩雷尔曼博士拒绝领奖这件事,但她好几次重复了一个话题——他具有数学家们特有的性格。

“也许在社交方面佩雷尔曼并不擅长,即使客气一点地说,他的性格也说不上是开朗的。但是,他具有超出常人的、无与伦比的诚实性格,是完完全全的诚实。数学本身就是由许多严密的逻辑法则堆叠而成的学科,这在另一方面也使数学家们性格变得冷淡,看起来就好像是缺乏感情的人一样。”

据我们调查,自从拒绝了菲尔兹奖以后,俄罗斯国内的媒体就一直在追踪博士的个人生活,在电视上不断反复播出。

圣彼得堡当地媒体曾经报道过,人们甚至还创造了与佩雷尔曼博士相关的流行词语。比如“佩雷尔曼化”(可能是“佩雷尔曼”一词的动词形态?),这个新词指代某人行踪飘忽不定,或者根本不知去向。而“寻找佩雷尔曼”这个词组则用来指代不可能的事,或者明知根本就无法实现还要去做的行为。

这些流行语虽然很幽默,但对追踪佩雷尔曼博士的我们来说,还真是笑不出来。

沧桑巨变的天才少年

对于俄罗斯国内这些针对佩雷尔曼博士的舆论,有一个人感觉万分痛心,他就是佩雷尔曼高中时的恩师亚历山德拉•阿布拉莫夫(Aleksandra Abramoff)先生。阿布拉莫夫先生现在就职于莫斯科教育委员会,担任新学校筹划的相关工作。为了见到阿布拉莫夫先生,我们立即启程飞往莫斯科。

匆忙地跟我们寒暄过后,阿布拉莫夫先生就直奔主题。格里沙是佩雷尔曼博士少年时代的昵称,这个称呼源自于他的名字格里戈里。我们告诉阿布拉莫夫先生,虽然没有直接采访到佩雷尔曼博士,但是我们有一段偶然录下的、关于他的电视节目录像。阿布拉莫夫先生马上要求我们播放给他看。在观看节目的过程中,他一直眉头紧锁,不停地抽着烟。

“这个报道真是太过分了。人们对他都应该怀有敬意,但这个节目不但没有敬意,反而做出这样无礼的举动,真是太过分了……”看完节目的阿布拉莫夫先生有点气愤。他从书架的最里面抽出一本厚厚的文件夹。里面有佩雷尔曼博士高中时代的照片,有许多新闻报道的剪报,甚至还有他当时考试试卷的答题纸,这些都整整齐齐地保存在这个文件夹里。看得出来,这些资料对阿布拉莫夫先生来说很重要,文件夹上没有一点灰尘,照片也保存得非常好。照片中,少年时期的佩雷尔曼博士看起来比现在更胖一点,发型也是很清爽的短发。照片里面,他和朋友们聚在一起非常开心地微笑。

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图:阿布拉莫夫先生手指向的就是少年时期的佩雷尔曼

“佩雷尔曼对很多领域都有兴趣,不论谈起什么话题,虽然他的话可能很少,但谈话一定都能继续下去。也可以说,他的知识很渊博。他不擅长运动,但是很喜欢去散步。过去,我们经常一起边散步边讨论数学话题。他经常会有一些惊人之语,比如有一次他就告诉我‘我有种感觉,好像曾经有个人悄悄在我耳朵边,把解法小声说给我听’,类似的话屡屡让我感到非常吃惊。”

而现在,在这个他曾经教过的最优秀的学生身上,究竟发生了什么事情?对佩雷尔曼博士不再现身的原因,就连阿布拉莫夫先生也毫无头绪。采访的最后,他对我们说了自己的一些看法:“有句话是这么说的,‘对拥有丰富才能的人,人们必须谅解他们的与众不同。’被称为天才的这类人,一定有一些地方表现得比较奇怪。但是现在,俄罗斯国内的媒体氛围对佩雷尔曼缺乏足够的宽容。为什么他不得不和社会大众保持一定距离?这是因为什么事情引起的?人们必须首先怀着敬意,然后再去思考事情的缘由。”

有传闻说佩雷尔曼博士喜欢采集蘑菇,我们还专程探访了圣彼得堡郊外的森林。在5月的森林里,我们并没有找到博士,而且这个时候就连蘑菇都很难找得到。

佩雷尔曼博士为什么对荣誉不屑一顾,又为什么消失在人们的视线中?

“清高的数学家”“完完全全的诚实”“数学就是他的整个人生”……尽管这些了解佩雷尔曼博士的数学家们给出的评语所包含的真正意思我们还不是很清楚,但是我们能感觉到,这里面也许就隐藏着解开博士失踪之谜的线索。我们是不是还未了解到那些真正重要的信息?


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《庞加莱猜想:追寻宇宙的形状》是日本NHK特别节目制作组关于“庞加莱猜想”的专题纪录,追寻宇宙的形状与神秘数学家的线索、谜题与真相。


对话村山齐:研究是为了探求谜底与真相

村山奇,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》已经由图灵出版,是一本难得的科普畅销书。

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。


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《设计思维:东京大学思维素养访谈集2》是日本东京大学EMP项目的访谈集,访谈以“知识”和“设计思维”为线索,用对话的形式呈现了基本粒子物理学、植物病理学、信息通讯技术、西方经济史、有机合成化学等领域中研究大师的“构建式”思考方式,并讲解了相应领域的有趣知识。