當愛因斯坦被問及，假如愛丁頓1919年對日全食的觀測實驗否定而不是肯定了廣義相對論的話，他該當怎么是好物理學的定義，愛因斯坦只說了一句話：“那么我會為親愛的上帝倍感遺憾”。他其實自信廣義相對論的結構自然性絕非不值錢的擺飾。
講演人|邢志忠
整理|王佳琪
編輯|金莊維
假如我給你一支削尖的鋼筆，請你用筆尖觸在辦公桌上，能不能把鋼筆立上去并保持平衡？你會發覺這件事情很難做到。數學學的好多理論也是這樣。建立一個理論，假若它的結構十分脆弱，像倒立的鋼筆一樣，被稍稍觸及一下就倒了，這么這樣的理論就不自然。所以我們說，理論模型的建立要追求自然性。
哪些是自然性
法國核子研究中心的理論家南昌?弗朗西斯科?朱迪切（Gian）以前寫過一篇文章，他在其中引用了英國詩人和人類學家瑪麗?凱瑟琳?巴狄森的話：每件事都是自然而然的，否則的話，它就不會發生了。
真是這樣嗎？朱迪切的觀點是：
當化學學家企圖構建新理論的時侯，自然性在美學意義上是一個強有力的指導原則。這一點雖然令人驚奇，由于化學學家最終得到的理論一般基于深刻而基本的數學學原理，且其物理方式十分復雜，人們難以相信這樣的理論會包含任何主觀的美學的東西。但是，事實恰恰是理論化學學家經常從簡單和美的標準——換句話說，奈爾森所定義的“結構自然性”出發——得到靈感，進而推導入她們的理論模型。當愛因斯坦被問及，假如愛丁頓1919年對日全食的觀測實驗否定而不是肯定了廣義相對論的話，他該當怎么是好，愛斯坦只說了一句話：“那么我會為親愛的上帝倍感遺憾”。他其實自信廣義相對論的結構自然性絕非不值錢的擺飾。
但在好多時侯，自然了就不經濟，你不能保證所有的你都能做到，這是沒有辦法的。這也是為何理論化學學中有一個與奧卡姆剃刀相矛盾的、由夸克之父默里?蓋爾曼（Gell-Mann）提出的“極權主義原則（）”。
他說，notis，只要你沒有基本的原理或則對稱性嚴禁它發生，它就可以發生。這跟法律的有些條文是類似的，法律上沒有明令嚴禁的就可以做。原則上這也是對的。所以既然沒有嚴禁，你就可以要求它存在，就可以降低新的東西，那你的理論結構肯定就不簡單。所以這時侯你是追求簡單性，還是希望遵照父權主義原則？這就看你自己的口味和選擇了。
希格斯粒子
在不同的情況下，你會作出不同的選擇。例如說標準模型中包含希格斯粒子。希格斯粒子在1964年被提出，但花了好多年都沒能找到，直至2012年在法國小型強子對撞機上被發覺。當時好多人都按捺不住了，懷疑希格斯粒子可能不存在。假如希格斯粒子不存在，你會發覺這個理論就變得不自然，你就要重新進行更改它了。
既然這個理論有載流子1/2的粒子，有載流子1的傳遞力的粒子，為何沒有載流子為零的希格斯粒子？我們曉得自然界存在載流子為零的復合粒子，例如說π介子的載流子為零，這么在基本粒子層面，載流子為零的標量場原則上也會存在。所以從自然性出發，你就認為它不應當不存在。
希格斯粒子是在2012年被發覺的，你們也都曉得希格斯在2013年獲得了諾貝爾獎。他奶奶家的一生是十分傳奇的，他和霍金一樣十分傳奇。他一生在粒子化學學領域只發了八篇文章，之后就是教書，不帶中學生，不申請經費，不下來開會，不做報告，就等著獲得諾獎，他最后獲得了。他的成功不可復制！
希格斯（左）和霍金（右）在紐約科學博物館（圖源：.uk）
希格斯的情況不要說在中國沒有辦法生存，就是在美國，好多人都對他有意見?；艚鹁蛯λ浅Ｓ幸庖姡艚鹫J為希格斯粒子肯定不存在。為何？霍金為何對希格斯有意見？霍金身體不好，不能走路，不能說話，而且他一生發表了170多篇文章，并且最終也沒有獲得諾貝爾獎。所以他見到只發了這么幾篇文章，之后哪些都不干的人，最終都能獲得諾獎，態度大約不太平衡。要是換了你，你如何想？
諾獎得主的自然性原則
有時侯，好多化學量的數值會很小，之后你才會問它們小得自然還是不自然。這就要提到諾獎得主杰拉德?特?胡夫特（’tHooft）的故事。他和導師馬丁紐斯?韋爾特曼（）在1999年獲得了諾獎。
特?胡夫特（左）和韋爾特曼（右）在諾獎頒獎儀式（圖源：.co）
特?胡夫特還是年青中學生的時侯，須要找一個導師，于是就去見韋爾特曼。那時侯他也沒見過韋爾特曼，他根據約定到了烏得勒支學院的辦公樓，要坐扶梯上樓，去韋爾特曼的辦公室。
他進了扶梯以后，旁邊有人跟隨進來，其中一個長得很高很胖的人進了扶梯后，扶梯就超重了，開始報案。你們坐過扶梯，有過這方面經驗，就就會往門那里看，誰最后一個進來的，誰就下去唄。結果最后進來的那位，他沒下去。他說：我說123，就按按鍵關門。說到三的時侯，他騰空躍起，暫時對這個扶梯不施加重力，之后一關門扶梯就上升了。等那位先生落出來的時侯，早已未能制止扶梯繼續上升的勢頭，于是扶梯就上樓了。
年青的特?胡夫特在扶梯里見到這一幕時就嚇壞了，他和他的男子伴們都嚇壞了。此后他發覺自己要找的導師就是扶梯里的那位“空中飛人”。你們假如有類似的經歷，發覺你的導師是個十分有趣的人，十分有看法的人，他毫無疑惑值得你認真考慮。
韋爾特曼告訴特?胡夫特，他目前在研究楊-米爾斯場的重整化問題。當時這個問題十分難，找不到出路。特?胡夫特說，這事我能做。韋爾特曼說，你確定嗎？特?胡夫特說我確定，Icandothat。特?胡夫特確實非常聰明，最后他花了一年的時間把這事做下來了。他獲得諾獎的工作就是在讀博士期間完成的這個工作，十分了不起。
但這對師生的天秤都是金牛座，你們曉得雙子座的人有一些特征，有時侯誰也不服誰。等到特?胡夫特證明了楊-米爾斯場論以及標準模型可以重整化，他的論文發表以后，他就成了世界著名的化學學家，之后留校，在烏得勒支學院從助教做起。并且他的名氣太大，韋爾特曼實在受不了，最后就去法國密西西比學院做院長了。中學生成功地把老師打垮，這是一個罕見的反例。所以你們將來選導師的時侯最好督查一下候選人的天秤，例如看到老師的時侯要不經意地問一下，假如發覺跟自己的天秤不和的話，你就要考慮考慮。我這是開玩笑，你們別當真
。
特?胡夫特在上世紀80年代提出了一個自然性原則。一個數學體系中有一個很小的量，叫α。這個量很小，例如說數值等于0.01，那它是自然還是不自然呢？既然它很小，那你不妨把它取成0，假如α取成0后，這個化學體系的對稱性降低了，那它就小得比較自然，否則就不自然。對稱性降低的意思就是，你把這個參數關閉（取成0），化學體系就忽然滿足了某種守恒律或則某種對稱性。引入這個參數后，相應的對稱性會發生微小的破缺，這就比較自然。假如說你引入了這一項以后，整個數學體系就崩潰了，即原先所具有的對稱性蕩然無存，那引入這樣的小量就不值，就不自然。
你們想想，這個判據合理嗎？中微子質量很小，標準模型中假定它是零質量，理論滿足輕子數守恒。你加入一個微小的中微子質量項，輕子數守恒就被破壞。從這個意義上來說，它顯然小得比較自然。
這是一個重要的理論判據，在粒子化學學、凝聚態化學學、材料科學好多方面，你都可以把它拿來做一個判據。我們好多理論模型構造就是基于這樣的判據。
不自然的自然界
其實了，好多時侯自然界沒有人們想像的這么簡單。例如說，標準模型預言了12種基本費米子的質量譜。你可以看見中微子和夸克之間有一塊大荒漠。我們完全不曉得中間跨越六個數目級的荒漠中，是不是沒有其他粒子存在。這自然嗎？有些理論家推測它變得不自然，荒漠中說不定也存在keV量級的新粒子，它可能是宇宙溫暗物質的候選者。
基本粒子質量分布，折線處為跨越六個數目級的“沙漠”（圖源：）
另外，在明天的宇宙中，物質與反物質之間存在百分之百的不對稱。根據大爆燃理論，最初形成的物質和反物質是等量的，之后隨著宇宙不斷演變，原初的反物質全都漸漸消失了，最后只剩下物質。
明天我們通過天文學、宇宙學的偵測發覺，重子數密度和光子數密度比值差不多是10-10。而宇宙形成之初，所有的基本粒子數密度應當差不多相當。那時侯物質，或則說夸克，就要比反夸克多，每1010個要多出一個。這樣的話，隨著宇宙不斷膨脹和冷卻，正反物質湮沒，多余下來的夸克可能存活出來，再構成原子核，最后產生明天的物質世界。
這件事情你認為自然嗎？你要做特別精細的微調，調到10-10這樣一個差別。毫無疑惑，你會發覺它有點不自然，而且我們明天沒有非常好的辦法來解釋或解決這個問題。所以這是粒子化學學和宇宙學面臨的一個重要問題。
多重宇宙和人擇原理
提到宇宙學，宇宙起源于大爆燃，之后是一個暴脹階段。暴脹很快結束以后，其他的演進就開始了，最終產生大尺度結構，包括星體和星體；之后在月球這樣的合適環境下，人類得以形成。
暴脹理論是日本麻省理工大學的阿蘭?古斯（AlanGuth）院士最先提出來的，它要求宇宙在頓時減小到十分特別大的尺度。我們后來發覺，暴脹理論（）和大爆燃宇宙學結合在一起，確實才能解釋明天的天文學和宇宙學中好多的問題。好多學者認為這可能是標準的宇宙學理論。
但問題是你相信它嗎？假如你不相信，能提出新的理論嗎？這就面臨好多問題。暴脹自然不自然？它所預言的多重宇宙存在嗎？自然嗎？憑哪些人類生存的宇宙就是惟一的宇宙？弦論學家們告訴我們說，不是，還有10500個宇宙，其他的宇宙與我們生活的宇宙可能是類似的，人類只不過剛好生存在其中一個宇宙中而已。
你相信多重宇宙嗎？假如你相信，這么人類存活的這個宇宙是好多宇宙中很平時的一個。否則的話，你就要解釋，人類憑哪些如此特殊？那就弄成了人擇原理：只要有人類存在物理學的定義，都會有特定的規律。你相信這樣的原理嗎？
這時侯你才會發覺，科學和哲學攪在一起了。標準模型的創始人史蒂文?溫伯格（）說，一個談論人擇原理的化學學家所冒的風險，和一個談論情色文學的神父相同：不論你怎么聲稱你是反對人擇原理的，總會有些人覺得你對它有點太感興趣了。
好多大化學學家都討論過人擇原理。你要解釋一些大尺度的、宇觀的東西，或是極其微觀的東西，又沒有辦法直接偵測，就要做一些想像。你希望你的看法自然，即使不可以被直接檢驗，但還是希望它有道理，說得過去。
不同的化學學家對人擇原理和多重宇宙有不同的見解。阿蘭?古斯以前總結過幾位化學學家的想法。德國化學學家馬丁?里斯（Rees）說，他非常確信多重宇宙是存在的，他樂意用自己寵物狗的性命打賭。日本耶魯學院的安德烈?林德（Linde）說，他也足夠確信這一點，樂意用自己的生命打賭。之后溫伯格抒發了自己的見解：我也足夠確信，我樂意用里斯的寵物狗和林德的性命加在一起打賭。
“我樂意用里斯的寵物狗和林德的性命加在一起打賭?！?span style="display:none">pUF物理好資源網(原物理ok網)
所以你瞧瞧這種理論化學學家們，整天不僅打賭、想入小意之外，其實也會做一些正經的事情。好多化學學家把多重宇宙這樣的觀念，或則好多其他的模型——超對稱、額外維等很當真，有些人就沒有這么當真。你自己提出理論或則做理論研究的時侯，要有自己的理念，之后有自己相信的東西、追求的東西，這樣才好。
本文整理自邢志忠研究員在中科院高能所2018年學院生冬令營上的報告《物理思想的簡單與深刻》第四部份。
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