28-诺奖得主维尔切克访谈实录

2017年9月初，麻省理工学院物理学教授、2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）来到上海，进行为期一个月的访问和学术交流，环球科学杂志社的记者专访了维尔切克，他是我们这个时代最出色的物理学家之一，他是量子色动力学的奠基人。这个理论简称QCD，是一个描述夸克和胶子之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个基本组成部分。我给大家稍微做一些简单的科普，这个理论实在太前沿了，我也没有能力搞懂。量子色动力学是试图解决一些理论中的矛盾，例如，观察到的某一种由夸克组成的粒子，但是这个粒子居然和广义泡利原理相矛盾；再比如，在粒子物理学中，一直有一个被称为“夸克禁闭”的谜题，什么意思呢？大家知道原子核中的质子和中子都是由夸克组成的，夸克是一种基本粒子，我们现在所有的物理观察都只能发现由夸克组成的粒子，而无法观测到单独的夸克存在，这个就让物理学家们很困惑。量子色动力学就是试图在标准粒子模型中，解决这些矛盾的理论。它可以看成是标准粒子模型的一个重要补丁。不管怎样，大家只要知道这是个很牛的理论就好啦。仅仅一个多世纪前，科学家曾经认为物理学大厦已近搭建完成。但随后的一些重大发现使得物理学进入了一片混乱。在后面的几十年时间中，物理学家做出了非常杰出的工作，一个成熟、完整且几乎适用于所有领域的模型（即标准模型）被建立起来。这个模型的正确性在接下来几十年中不断得到验证。这部物理学史诗中，维尔切克是其中一个重要章节的主角。1972年，21岁的维尔切克和导师戴维·格罗斯（DavidGross）发现，当两个夸克间的距离足够小时，它们之间的作用力会变得非常弱，这与大家的常识完全相反。维尔切克给这种现象起了一个名字——“渐进自由”。后来，他又把几个概念，例如轴子、任意子、时间晶体等，引入物理学，帮助大家理解那些晦涩而精妙的理论。现代物理学前沿的研究工作通常是和复杂的概念、极端的条件打交道。66岁的维尔切克相信自己仍然有足够的智慧和技巧处理这些复杂的概念。他的信心之一来自哲学，因为他总可以从柏拉图、亚里士多德和罗素等哲学家的著作中获得灵感，去思考那些最重要的科学问题。另外一个更重要的信心来源则是工作方式。维尔切克倾向于从具体问题入手，本着可理解的原则不断构建复杂的系统。他认为这是物理学之所以达到今天这样兴盛状态的重要原因。同时，维尔切克也和那些伟大的科学家一样相信美，他认为美对科学的发展具有无法低估的价值。在宾馆里，他和《环球科学》记者谈起了物理学的美和未来。下面让我用第一人称替维尔切克代言我知道很多物理学家都曾经谈论美。但我想说的是，美并不是科学中最重要的问题，科学中最重要的问题是对事物进行准确描述，而我们通常所说的美和这种描述似乎没有直接的关系。只不过，我们在探索世界的过程中经常发现，美是很多学科共同表现出的特点。所以，美这个特点有助于我们进一步地了解科学和这个世界。当然，尽管科学家和艺术家都经常谈论对称与和谐，但我们谈论的科学的美和艺术家们通常所说的美还是存在很大不同，毕竟我们关心的更多是抽象的结构，这与艺术家是不同的。例如，在物理学中，我们可以把所有重要的方程写在一件T恤衫上。这些方程即描述了最宏观层面的宇宙运行，也描述了最微观层面上的原子运动。这件事情体现出了两种非常深奥的美。其中之一是高度的对称性，只有这样才能用非常少的几个方程描述这个无比复杂的世界，而这本身就是一件非常美的事情；另一方面，如何用这组方程将这个复杂的世界展现出来，就像打开一个魔法盒子一样，这也是非常美的事情。我需要强调一下，我们说物理很美，因为它是建设性的。你从一个很小的点出发去构建一个复杂的结构，用几个简单的公式去还原一个庞杂的世界，并且推动一系列伟大的想法变成现实，这本身是非常伟大的事情，当然也就是很美的一件事情。我们可以举一个物理学之外的例子来说明这一点，这个例子就是分形。分形这个结构非常复杂，也非常美丽，但其实它可以用非常简单的几个方程来描述。换个角度看，我们竟然能用那么简单的描述来制造这么复杂而美丽的图形，这本身难道不是一件梦幻的事情吗？这里我插一句，如果没有看过分形图案的听众，可以到我的微信公号中回复本期节目的代号hq28 我给大家放了一段分形图案中最著名的曼德勃罗集合图，你就会理解什么是维尔切克所说的梦幻般的美了。当我第一次见到这个的时候，我真的是感觉太神奇了。下面回到维尔切克的谈话。年轻科学家在成长中不可避免地要经历这样一个过程。这个过程就像我们在物理学中常常提到的相变，他们在这个过程中要经历心理上的长期煎熬和思维方式上的彻底转变。但是，也只有经历了这样的过程之后，他们才能实现从吸收知识到创造知识的转变。很多学生在学习过程中有一个误解，认为学习就是吸收知识。他们没有意识到吸收知识其实是为了创造知识。我们应该鼓励年轻人去创造知识和解决难题。为了这个目标，他们需要不断地犯错误、不断在错误中学习，只有这样才能加深对一个学科的理解。这对科学家的成长是非常重要的。年轻人必须意识到，如果他们真的希望推动科学的发展，他们就一定会犯下数不清的错误。除此之外，他们还应该尽早对一个学科形成整体认识，这种认识应该有助于他们了解自身想从这个学科的学习中收获什么。要做到这一点，你就必须有广泛的涉猎，你需要了解音乐、艺术。做物理的人要多学习数学，不把自己局限在一个狭小的领域才能有更大的收获。这个过程很难，没有人可以轻松完成思维方式上的转变，我也是。当年我从芝加哥大学毕业后，去普林斯顿大学攻读研究生，我当时对基础数学研究兴趣不大，而是希望可以用数学去解决实际问题。所以，在普林斯顿的最初一段时间，我非常困惑，我不知道未来会怎样，我一个接一个地听讲座，其中包括化学、生物学、计算机科学，当然也有物理学。我一直想知道哪些领域是自己感兴趣的。我强烈地感觉到自己就像离开水的鱼，努力挣扎但其实是在浪费时间，因为我的所有学习都是消极的。后来，我才认识到，这是每一个人从吸收知识到输出知识的必经阶段。幸运的是，当时正值物理学飞速发展的关口，我又遇到了很好的合作者，找到了非常好的研究方向，这大大缩短了困惑的时间，促进了我的成长。而且，我正是在那段时间遇到了我的太太，所以也不是虚度光阴。阅读哲学最重要的意义是，它可以让我们知道历史上最聪明的人是怎样思考这个世界的。我们的先人们居然可以用那么有深度、有新意的方式思考这个世界，这真是一件非常神奇的事情。我们都知道，有的哲学家非常擅长从极其宽广的尺度上看问题，从非常抽象的角度思考问题；有的哲学家则总能找到新奇的角度去理解世界，他们可以始终像孩子一样看待这个世界，他们充满好奇也充满质疑，不轻易接受任何观点，始终保持着思维的独立和睿智；还有的哲学家具备天才的想象力，他们可以在两个完全不同的事物中发现共性并建立联系；最后，有的哲学家——例如柏拉图、休谟和罗素的文字非常漂亮，读他们的文章确实让人心旷神怡。这其实是非常深刻的道理，它有助于科学家的成长，因为它可以让我们从不同角度看问题，帮助我们自动过滤肤浅的见识，促进我们从更深层次上思考世界，质疑那些司空见惯的结论，同时在貌似不相干的事物之间建立联系，崭新而深刻的研究正基于此。毕竟，无论在宏观还是微观尺度上，我们这个世界的运行方式都与我们通过日常生活获得的认知和经验非常不同。我心目中的英雄——物理学家费曼曾经说过，物理学需要非常强大的想象力，但这种想象是受到束缚的想象。这个束缚就是学科的规律。物理学发展到今天已经积累了太多的知识，这些知识为我们的想象提供了约束，我们的想象不能违背这些规律。对学科细致的观察就需要持续跟踪这个学科的发展，了解这个学科面临的最重要的前沿问题。例如，在当今的物理学领域，一个非常重要的前沿问题就是质量是怎样形成的，毕竟宇宙中超过90%的质量都是我们观察不到也无法理解的；另外一个重要的前沿问题则涉及技术，量子理论指出，我们可以设计出性能更为强大的计算机——量子计算机，但实际上我们还不知道怎么能把这个想法变成现实。对于目前这代物理学家来说，这些都是巨大的挑战。过去这些年，发现物理学基本规律的研究进展确实在减慢。这就是大家所说的科学在减速。这个现象出现的一个很重要原因在于物理学家之前的工作太成功了。由标准模型和广义相对论组成的框架实在太成功。前几年发现的希格斯玻色子是标准模型的核心部分，我们这个理论在那之后就进一步完备了。这个理论不只可以解释目前为止出现的几乎所有现象，更重要的是它对化学、生物学等等很多学科的快速发展也足够用了。如果你想在这个框架的基础上发展它而不破坏它，那真是非常非常难的事情。过去这些年，物理学领域其实也出现了很多新进展，例如量子霍尔效应、拓扑绝缘体和时间晶体的提出，但这些发现也不是挑战这个框架，而是帮助我们加深了对这个框架的理解。这些发现在丰富基础理论的同时，也肯定会对未来的技术进步产生深远的影响。但还是有一些问题我们不理解，例如天文学家在寻找的暗物质，我们不理解这些物质的质量，我也希望物理学界可以在未来几年在这个领域实现一些突破，我感觉我们距离这个目标已经很近了，也许很快就可以迎来突破。当然，还在持续运行的LHC可能也可以为我们带来一些令人振奋的新发现，从而推动物理学的发展。关于量子计算机，我的看法是现在的物理学界确实非常有热情利用已经被发现的新理论去制造新的计算机，但这不可能一蹴而就。打个比方，如果我们把量子计算机的研制视为一场总里程为50英里的旅途，那我们现在可能才刚刚走过最初的两三英里，而且还是最简单的两三英里。随着旅途不断深入，技术进步会越来越困难，而我们现在甚至还不知道最主要的困难是在哪里。具体到大家非常感兴趣的量子计算的应用，如果应用是指解决新材料研发或者解量子力学方程等特定领域的问题，我想我们不用等待很久，最近几年也许就可以看到理想实现。但如果应用是指像目前的个人计算机这样的通用计算机，我想科学家和工程师们还有太长的路要走，至少要 20年时间，我们才能看到通用量子计算机的出现。或者就根本等不到这一天也不是不可能。

There are no comments yet.

Please log in to write the first comment.