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人物丨这位美女物理学家有关宇宙“机密”论文被少量引用

发布时间:2019-02-15 16:34:10      来源:

她兼具天赋、美貌和努力,一度是理论物理圈论文被引用最多的人,连霍金都愿意等她一个小时。她最想说的是,探索宇宙,不分男女。

电影《星际穿越》中最令人震撼的画面莫过于主角库珀进入黑洞“卡冈都亚”,接着他进入了一个超立方体五维空间,用摩斯密码给自己女儿传递信息。高维空间让所有观众惊叹不已,这只是科幻电影中的想象吗?


电影《星际穿越》中的主角库珀进入超立方体五维空间,用摩斯密码给自己女儿传递信息(图片来自网络)

答案是否定的,在物理学中,爱因斯坦的广义相对论给了人们去探索额外维度的可能。今天有一位女科学家,她坚信额外维度的存在,她提出的五维空间模型有可能在实验上被找到,一度让她成为理论物理学圈论文被引用次数最多的人,她就是堪称集“才华与美貌”于一身的物理学家——丽莎·兰道尔(Lisa Randall)。


45岁时的丽莎·兰道尔(图片来源:VOGUE)

在当今的科学前沿,尤其是理论物理学,会被视为男人们的智力巅峰对决。其实,在最深奥的理论研究领域,有不少优秀的女科学家正肩负着探索宇宙与未知的责任勇敢前行。对丽莎来说,女性早已不是话题,她更爱宇宙组成这样“简单”的问题。

科学是对待糟糕日常生活的最佳方式

“美女总会充满话题性,丽莎在12年前的VOGUE的采访中就说自己不愿意显得轻浮,“变老的好处是不用考虑这些了。”

不止一个人说过,丽莎简直就是升级版朱迪·福斯特。她们有着同样的蓝色眼睛,似乎能洞察一切,一样的金色披肩长发,苗条的身段看起来好似好莱坞女星,甚至两人的出生年份都相同。她们俩就像超对称理论的证据,只是生活在了不同维度,朱迪在演艺圈,而丽莎在物理学界。


不止一个人说过,丽莎(上)简直就是升级版朱迪·福斯特(下)(左图来源:pri.org,右图来源:VOGUE)

在2018年11月举行的腾讯WE大会上,我见到了丽莎。群访那天她穿着黑色夹克,里面是一件蓝黑色连衣裙,脚上是一双深蓝色平底鞋,第二天的大会报告则是一身黑色,似乎有意在北京的深秋中掩饰自己的与众不同。


丽莎.兰道尔在2018腾讯WE大会上发表演讲

美女总会充满话题性,丽莎在12年前的VOGUE的采访中就说自己不愿意显得轻浮,“变老的好处是不用考虑这些了。”这肯定是相对来说的,因为她在比利时接受荣誉学位时,就在休息间歇在当地买了件金色薄纱里衬的锦缎礼服,这趟购物用了很长的时间,以至于她自己都没注意到。

对丽莎来说,科学是对待糟糕的日常生活的最佳方式,但也没那么极端。她不会在冲浪时去思考波浪的方程式——一位女作家想了解女物理学家的工作与生活时联系到了丽莎,她们俩相见在长岛的沙滩上。女作家完全是投其所好,她从丽莎的书中了解到她的爱好是攀岩和滑雪,认为冲浪才能让这位女物理学从繁忙的工作中挣脱出来。那天晚上她们本来想去看银河,结果用了一小时来短信讨论当天是不是阴天,当作家再次抵达海滩时云层出现,丽莎只想试图透过云层向她指出一颗卫星。

很多人问过丽莎是如何走上物理学研究的道路的,有没有什么人影响到她,她总有一个无懈可击的回答,“没有,我一直擅长数学和物理。”

丽莎或许有天才基因,她出生于纽约皇后区,父亲是一名销售代表,母亲是小学老师,家里姐妹三个,她是老二。丽莎的姐姐患有类似“天才病”阿斯伯格综合征的病,拥有很强的记忆力,目前过着安稳的生活。丽莎和妹妹的记忆力也超常,学习成绩特别出色,都上了以科学及数学见长的史岱文森高中,妹妹如今是佐治亚理工学院计算机教授。丽莎在17岁时获得了西屋人才科学奖第一名。这个久负盛名的高中生奖项中,产生过13位诺贝尔奖得主。


丽莎只用了三年时间就完成了哈佛大学的本科学业(图片来源:ucdavis.edu)

丽莎记得在自己5岁时有段时间完全不说话了,父亲认为她这样很奇怪,母亲只是以为她想引起别人注意,但丽莎回忆道,“我只是想说些正确的事。”事实上,很多展示出天才能力的人,小时候都喜欢安静而专注的去做一件事。

相较于“语文”主观的答案,丽莎从小喜欢数学的实在。在数学海洋里畅游了一段时间后,丽莎发现自己还是喜欢联系实际,最终决定学习物理。丽莎只用了三年时间就完成了哈佛大学的本科学业,用四年时间获取了博士学位,36岁时成为了普林斯顿大学的终身教授——在她真正在被公众了解前,就已经在圈子内有名气了。

可要让丽莎推荐一本书,她会选择《成为官僚》(The Power Broker),因为这本书让她知道上学的路上为什么总是堵车(这本书讲了纽约城的建设和规划,是政权斗争的结果)。

探索宇宙,不分男女

“你的问题包含了多个假设,首先我不相信谁能够在所有方面都做得最好,而女性身份则是另一回事。我相信人们能推进科学,无论是男是女,都能做出发现。想要洞察宇宙真相,挑战很大。”

丽莎很自然地成为了一个鲜明的标志。2005年,时任哈佛大学校长的前美国财政部长劳伦斯·萨默斯在一次会议上,讨论为什么在顶尖科学和工程领域女性人数不足,他引用研究数据表示,在认知能力上,男性比女性波动更大,两性之间微小的差别会导致实质上获得的资源差异巨大。这一言论很快演变成了女性在科学领域不如男性——涉及性别歧视,在国际上引起轩然大波。尽管萨默斯一再道歉,他还是被迫辞职,仅当了一年的哈佛校长。在风起云涌的物理学世界里,丽莎常被问到作为女性物理学家的感受,毕竟这个圈子里女士人数较少,出色的理论物理学家更是屈指可数,在诺贝尔物理学界的百年历史中,也仅仅有三位女科学家获得殊荣。人们总有刻板印象,觉得女生不适合做科研,尤其不适合做物理学研究。


丽莎并不算是个女权主义者,但她总是被作为女科学家的典型 (图片来源;medium.com)

当时很多人希望丽莎能为性别平等做一些事,作为本科和博士都毕业于哈佛大学,已是哈佛大学教授的她被拉进一个“科学女性”小组,小组的目的是想帮助改变女性在科研领域的状态,比如招聘更多的女教授,为女研究生创造更多的就业机会等等。

丽莎其实知道自己改变不了什么,“这是一件非常困难的事,因为这些问题每天都发生在我们身边。”以至于10之年后,当媒体再问她,萨默斯那场“令人愤怒的演讲”之后,哈佛的科学领域有什么变化?丽莎只是轻描淡写地说,“或许有,不幸的是我没有注意到明显的变化。”

她甚至对记者再问她对于那番言论的感受时表现了罕见的气愤,“我不敢相信10年后自己还会被问及拉里·萨默斯的评论,我敢肯定没人去问他”。时常面对媒体,她对关于“女性”的问题总是小心翼翼,因为她知道这背后隐含的假设是在男性主导的领域,女性可能不如男性。

很显然我也犯了所有提问者都会犯的错误。我问丽莎,“作为世界上最杰出的物理学家以及一位女物理学家,有什么精神力量在支持您?”她笑着说,“你的问题包含了多个假设,首先我不相信谁能够在所有方面都做得最好,而女性身份则是另一回事。我相信人们能推进科学,无论是男是女,都能做出发现。想要洞察宇宙真相,挑战很大。”

如今丽莎已经不愿意再多谈自己女性的身份了,她只希望大家更关注她的研究。“很少有人谈论我写的书”,在上过一档美国国家公共电台的访谈节目后,她这样说道。经过剪辑后的节目幽默地呈现了人们对“女性”的关注,而丽莎感觉没那么有趣,“对性别的关注妨碍了本可更有趣的事。”她指的正是是科学本身。

有个故事也许最能说明她对性别的态度。一位母亲曾给丽莎发过一封邮件,她与自己的女儿一起读了《时代周刊》上丽莎的报道,丽莎小时候曾说,长大后最想做的是“困难的数学问题“,而这位母亲的孩子说得则是”成为拉拉队长“。

让物理学家为之疯狂的理论

一次在剑桥大学召开会议后的晚宴上,霍金特意为丽莎预留了自己身边的座位,结果丽莎晚了一个小时才到。她解释说,“我那天和朋友溜出去喝酒了。”

1998年夏天,丽莎在参加一次关于超对称的会议上,听到了许多学者在讨论弦理论中的额外维度,促使她产生了一个疑问:为什么粒子物理学的问题会在一个额外维度的世界中得以解决?不过当时她并没有打算去直接研究这个问题,而是认为额外维度会帮助她建立一个更好的模型来解释宇宙的构成。1999年到2004年的5年间,丽莎是论文被引次数最多的理论物理学家,因为她与合作者拉姆·桑卓姆(Raman Sundrum)提出了新的额外维度模型。这是理论物理学近20年来最有影响力的成果。


“膜”是数学和物理上的概念 (图片来源:ThoughtCo)

额外维度不新鲜。最早是在爱因斯坦提出广义相对论后,1919年波兰数学家Theodor Kaluza为了将电磁相互作用和引力相互作用统一起来时就提出了完全看不见的第四维度,20世纪80年代物理学家为了把四种相互作用统一而提出的弦理论需要10个维度,而进一步的“终极理论”M理论需要11个维度。但是这些理论都难以通过实验验证,过去认为额外维度小到接近所谓的物理学极限,永远无法被观测。

事实上,当时超对称理论是为了解决粒子物理标准模型中的等级问题(hierarchy problem),可以简单地理解为什么引力相互作用比其他相互作用弱那么多。丽莎用过一个很形象的比喻:你很轻松地用磁铁吸起一枚回形针,就足以对抗整个地球对它的引力。普通人当然不会关心这个力的大小,而在理论物理学中,如此之小的引力给科学家带来极大的困扰,至于今天都没能完美地解决统一问题。

在麻省理工学院学生中心的冰激凌店中,丽莎与她的合作者——当时还是波士顿大学博士后的桑卓完成了新的理论。丽莎选择他做同伴,是觉得他有超凡脱俗的能力——为了解决自己觉得有价值的工作做了三次博士后,还没找到正式职位。好在他已经在额外维度和膜(Brane)中做过了一些研究——我们熟知的三维世界只是高维空间中的“膜”,就像海岛漂浮在大海中。

他们的理论认为我们的世界存在五维空间,现在的基本粒子存在于一个四维的膜上,而引力子则在另一个膜中。正如科学家曾提出过多重宇宙理论,不同的膜可以混合在一起。这个新的统一模型还顺带手解决了等级问题,当引力从它自己的膜中转移到我们生活的空间时会急剧变小,解释了为什么引力如此之弱。


丽莎与Sundrum在讨论 (图片来源:Pinterest)

丽莎建立的模型指出额外维度的膜可以弯曲,也可能很大,甚至是无限大。更为重要的是它给了物理学家一个实验证明的机会,有一种可能来自其他维度的神秘粒子(卡鲁扎-克莱因粒子)有可能被实验观测到。当时所有的物理学家都知道人类最强大的加速器——大型强子对撞机(LHC)将要运行,这里可能会找到其他维度的蛛丝马迹。


2012年,在LHC上发现了上帝粒子——希格斯玻色子(图片来源:CERN Graphic)

现在LHC已经运行了几年,我们还没有看到额外维度,科学家依然充满期待。

中科院国家天文台研究员陈学雷这样评价丽莎的论文被大量引用,“其实当时丽莎开了一个脑洞,她的理论引发了更多的问题去研究”。在物理学的后白银时代,能让科学家为之疯狂的理论并不多。一次在剑桥大学召开会议后的晚宴上,霍金特意为丽莎预留了自己身边的座位,结果丽莎晚了一个小时才到。她解释说,“我那天和朋友溜出去喝酒了。”

爱科普,也爱艺术

“作为一名粒子物理学家,我的工作非常抽象——把这些东西带回家,看看它们到底对我们的实际生活有什么影响。我真的热爱科学,也爱讲故事,我想把它们结合在一起弄清它们的意义。”

丽莎在病床上完成了她的第一本科普著作《弯曲的旅行:隐秘的宇宙之维》。攀岩时,她被自己所研究的“强大”的引力摔断了脚,养伤反而给了她写书的时间。这本书中介绍了她的额外维度理论,同时丽莎用了很长的篇幅来讲述基本概念,从20世纪两大物理学发现到弦理论,她想让普通读者了解当今理论物理学家的工作。在丽莎个人社交主页的自我介绍中写着,物理学家和作者(author)。或许这就是她与很多物理学家最不一样的地方,她喜欢把成果介绍给大众。这也不是她唯一的动机,在完成第一本科普著作时她说,“你看书架上的那些科学图书,一排又一排都是男人所著,可能会让女生反感。”

额外维度吸引了一位西班牙作曲家Hector Parra,他希望用音乐来表现这个神奇的东西,找到了丽莎,邀请她共同创作一个歌剧。丽莎做了自己从未做过的事,写了一个个充满物理色彩的爱情故事,而Parra用音乐表达了角色的情感,进入第五维度的体验,最终于2009年在巴黎蓬皮社艺术中心首映。


丽莎创作的歌剧上映 (图片来源:Symmetry Magazine)

“在歌剧,或者说艺术中,你并不是在教授什么,但可以用一种更有趣的方式来理解重要的概念”,丽莎尝试将科学与艺术融合,希望在艺术中寻找传播科学的方式。在音乐之后,丽莎与洛杉矶艺术协会联合策划了一次关于物理学尺度的艺术展览。丽莎也常出现在各类电视访谈中,甚至在《生活大爆炸》里客串了一把,多次跨界总会让她有新的想法。


在《生活大爆炸》中客串的兰道尔(图片来自网络)

当然,丽莎还是更擅长写书。她在为意大利物理学家Carlo Rovelli写的书评中写道,“让普通读者理解理论物理学绝非易事。最好的科普著作既欢迎外行,又能吸引懂行的人让他们获得更多信息。作者面临的挑战更加复杂,需要区分猜测、未来可能验证的想法和不切实际的幻想。”

丽莎认为,对于物理学研究前沿,公众不仅难以厘清知识,不会分辨理论和事实,还对当今的大科学工程建设有很多误解。在LHC运行之后三年,丽莎为了帮助普通读者理解现代物理学的理论和实验,出版了《弯曲的旅行》的前传《叩响天堂之门:宇宙探索的历程》。


以丽莎为原型制作的乐高玩具,呼吁更多人关注女科学家 (图片来源:smh.com.au)

1987年,丽莎在一场鲍勃·迪伦和感恩而死乐队的演唱会上,第一次提到了名曲《叩响天堂之门》。她说选择它作为书名是因为物理学家在探索宇宙的道路上仍在敲门,她带领我们去了解科学的不确定性。

丽莎近些年来的研究重点是暗物质,这也促成了她的宇宙三部曲中的最后一部,《暗物质与恐龙:宇宙万物的互联》。当我第一次知道这本书的时候惊呆了,暗物质能与恐龙联系在一起?这世界上没有人知道暗物质究竟是什么,也没有人不知道恐龙,这大概是我唯一能想到的联系。丽莎却有这样的魔力,让宇宙中看似毫不相关的东西产生了千丝万缕的联系——暗物质影响了彗星的轨道,最终它在6600万年前撞到地球造成了物种大灭绝。


中文版的兰道尔宇宙三部曲(图片来自网络)

故事的缘起只是一次暗物质模型的讨论,最终演变成了一个更宏大的话题,除了天文学上的证据,丽莎还前往西班牙和丹麦寻找地质学和古生物学证据,想让读者了解宏观大尺度的变化也会对我们生活有影响,她希望更全面地了解世界。“作为一名粒子物理学家,我的工作非常抽象——把这些东西带回家,看看它们到底对我们的实际生活有什么影响。我真的热爱科学,也爱讲故事,我想把它们结合在一起弄清它们的意义。”

在腾讯WE大会的演讲中,丽莎承认自己也不知道暗物质盘模型是否正确。但我们能肯定的是,没有什么能够阻挡她去了解科学的真谛。




供图/视觉中国(除署名外)


出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端


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