《環(huán)球科學(xué)》記者 | 方行葦
2017年9月初，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授、2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）蒞臨上海，在中國(guó)進(jìn)行為期一個(gè)月的訪問和學(xué)術(shù)交流。他所下榻的、位于上海交通大學(xué)閔行校區(qū)的南蘇園環(huán)境怡人——透過房間的玻璃窗，可以看見低垂的柳樹、蜿蜒的小路，和緩緩流動(dòng)的河水。維爾切克可以在這樣一個(gè)安靜的房間里欣賞一下懸掛在墻壁上的名人字畫，看看他無比推崇的羅素的書，寫寫專欄，間或回憶一下過去100年間物理學(xué)發(fā)生的深刻變化。
僅僅一個(gè)多世紀(jì)前，科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為物理學(xué)大廈已近搭建完成。但隨后的一些重大發(fā)現(xiàn)使得物理學(xué)進(jìn)入了一片混亂。在后面的幾十年時(shí)間中，物理學(xué)家做出了非常杰出的工作，一個(gè)成熟、完整且?guī)缀踹m用于所有領(lǐng)域的模型（即標(biāo)準(zhǔn)模型）被建立起來。這個(gè)模型的正確性在接下來幾十年中不斷得到驗(yàn)證。這部物理學(xué)史詩中，維爾切克是其中一個(gè)重要章節(jié)的主角。1973年，22歲的維爾切克和導(dǎo)師戴維·格羅斯（David Gross）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)夸克（組成物質(zhì)的最基本單元）間的距離足夠小時(shí)，它們之間的作用力會(huì)變得非常弱，這與大家的常識(shí)完全相反。維爾切克給這種現(xiàn)象起了一個(gè)名字——“漸進(jìn)自由”。后來，他又把幾個(gè)概念，例如軸子、任意子、時(shí)間晶體等，引入物理學(xué)，幫助大家理解那些晦澀而精妙的理論。
現(xiàn)代物理學(xué)前沿的研究工作通常是和復(fù)雜的概念、極端的條件打交道。66歲的維爾切克相信自己仍然有足夠的智慧和技巧處理這些復(fù)雜的概念。他的信心之一來自哲學(xué)，因?yàn)樗偪梢詮陌乩瓐D、亞里士多德和羅素等哲學(xué)家的著作中獲得靈感，去思考那些最重要的科學(xué)問題。
另外一個(gè)更重要的信心來源則是工作方式。維爾切克傾向于從具體問題入手，本著可理解的原則不斷構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)。他認(rèn)為這是物理學(xué)之所以達(dá)到今天這樣興盛狀態(tài)的重要原因。同時(shí)，維爾切克也和那些偉大的科學(xué)家一樣相信美，他認(rèn)為美對(duì)科學(xué)的發(fā)展具有無法低估的價(jià)值。在南蘇園的房間里，他和《環(huán)球科學(xué)》記者談起了物理學(xué)的美和未來。
2004年，維爾切克和戴維·格羅斯、戴維·波利澤一起獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，圖為維爾切克出席諾貝爾獎(jiǎng)的新聞發(fā)布會(huì)。
《環(huán)球科學(xué)》：美是科學(xué)家們屢屢提及的一個(gè)詞匯。很多科學(xué)家在談到本學(xué)科時(shí)都會(huì)提到美，他們會(huì)說科學(xué)是美的，物理學(xué)家當(dāng)然也是如此。所以，我們非常想知道的是，物理學(xué)和美之間究竟是怎樣的關(guān)系？美在物理學(xué)家的工作中究竟扮演著什么角色？
維爾切克：我知道很多物理學(xué)家都曾經(jīng)談?wù)撁?。但我想說的是，美并不是科學(xué)中最重要的問題，科學(xué)中最重要的問題是對(duì)事物進(jìn)行準(zhǔn)確描述，而我們通常所說的美和這種描述似乎沒有直接的關(guān)系。只不過，我們?cè)谔剿魇澜绲倪^程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，美是很多學(xué)科共同表現(xiàn)出的特點(diǎn)。確實(shí)，科學(xué)中的很多發(fā)現(xiàn)都是美的。所以，美這個(gè)特點(diǎn)有助于我們進(jìn)一步地了解科學(xué)和這個(gè)世界。
當(dāng)然，盡管科學(xué)家和藝術(shù)家都經(jīng)常談?wù)搶?duì)稱與和諧，但我們談?wù)摰目茖W(xué)的美和藝術(shù)家們通常所說的美還是存在很大不同，畢竟我們關(guān)心的更多是抽象的結(jié)構(gòu)，這與藝術(shù)家是不同的。例如，在物理學(xué)中，我們可以把所有重要的方程寫在一件T恤衫上。這些方程即描述了最宏觀層面的宇宙運(yùn)行，也描述了最微觀層面上的原子運(yùn)動(dòng)。這件事情體現(xiàn)出了兩種非常深?yuàn)W的美。其中之一是高度的對(duì)稱性，只有這樣才能用非常少的幾個(gè)方程描述這個(gè)無比復(fù)雜的世界，而這本身就是一件非常美的事情；另一方面，如何用這組方程將這個(gè)復(fù)雜的世界展現(xiàn)出來，就像打開一個(gè)魔法盒子一樣，這也是非常美的事情。
我需要強(qiáng)調(diào)一下，我們說物理很美，因?yàn)樗墙ㄔO(shè)性的。你從一個(gè)很小的點(diǎn)出發(fā)去構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，用幾個(gè)簡(jiǎn)單的公式去還原一個(gè)龐雜的世界，并且推動(dòng)一系列偉大的想法變成現(xiàn)實(shí)，這本身是非常偉大的事情，當(dāng)然也就是很美的一件事情。
我們可以舉一個(gè)物理學(xué)之外的例子來說明這一點(diǎn)，這個(gè)例子就是分形。分形這個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，也非常美麗，但其實(shí)它可以用非常簡(jiǎn)單的幾個(gè)方程來描述。換個(gè)角度看，我們竟然能用那么簡(jiǎn)單的描述來制造這么復(fù)雜而美麗的圖形，這本身難道不是一件夢(mèng)幻的事情嗎？
《環(huán)球科學(xué)》：物理學(xué)這么難的學(xué)科竟然被你描述得如此令人向往，這真是難得。但我們知道，你很早就做出了非常杰出的成果，贏得諾貝爾獎(jiǎng)的工作甚至可以追溯到你22歲在普林斯頓大學(xué)讀研究生的時(shí)光，而較早在一個(gè)領(lǐng)域獲得成功顯然可以激發(fā)出科學(xué)家對(duì)這門學(xué)科的興趣?？蓪?duì)于現(xiàn)在的不少年輕人說，物理學(xué)就不那么令人心曠神怡了，選擇物理專業(yè)的中國(guó)學(xué)生的人數(shù)在減少。那么，年輕人怎樣做才能發(fā)現(xiàn)這種美并進(jìn)而愛上這個(gè)學(xué)科呢？
維爾切克：年輕科學(xué)家在成長(zhǎng)中不可避免地要經(jīng)歷這樣一個(gè)過程。這個(gè)過程就像我們?cè)谖锢韺W(xué)中常常提到的相變，他們?cè)谶@個(gè)過程中要經(jīng)歷心理上的長(zhǎng)期煎熬和思維方式上的徹底轉(zhuǎn)變。但是，也只有經(jīng)歷了這樣的過程之后，他們才能實(shí)現(xiàn)從吸收知識(shí)到創(chuàng)造知識(shí)的轉(zhuǎn)變。
很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有一個(gè)誤解，認(rèn)為學(xué)習(xí)就是吸收知識(shí)。他們沒有意識(shí)到吸收知識(shí)其實(shí)是為了創(chuàng)造知識(shí)。我們應(yīng)該鼓勵(lì)年輕人們?nèi)?chuàng)造知識(shí)和解決難題。為了這個(gè)目標(biāo)，他們需要不斷地犯錯(cuò)誤、不斷在錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)，只有這樣才能加深對(duì)一個(gè)學(xué)科的理解。這對(duì)科學(xué)家的成長(zhǎng)是非常重要的。
年輕人必須意識(shí)到，如果他們真的希望推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展，他們就一定會(huì)犯下數(shù)不清的錯(cuò)誤。除此之外，他們還應(yīng)該盡早對(duì)一個(gè)學(xué)科形成整體認(rèn)識(shí)，這種認(rèn)識(shí)應(yīng)該有助于他們了解自身想從這個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)中收獲什么。要做到這一點(diǎn)，你就必須有廣泛的涉獵，你需要了解音樂、藝術(shù)。
做物理的人要多學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，不把自己局限在一個(gè)狹小的領(lǐng)域才能有更大的收獲。這個(gè)過程很難，沒有人可以輕松完成思維方式和對(duì)學(xué)習(xí)價(jià)值在認(rèn)知上的轉(zhuǎn)變，我也是。
《環(huán)球科學(xué)》：你也是？
維爾切克：當(dāng)然。當(dāng)年我從芝加哥大學(xué)畢業(yè)后，去普林斯頓大學(xué)攻讀研究生，我當(dāng)時(shí)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究興趣不大，而是希望可以用數(shù)學(xué)去解決實(shí)際問題。所以，在普林斯頓的最初一段時(shí)間，我非常困惑，我不知道未來會(huì)怎樣，我一個(gè)接一個(gè)地聽講座，其中包括化學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)，當(dāng)然也有物理學(xué)。我一直想知道哪些領(lǐng)域是自己感興趣的。我強(qiáng)烈地感覺到自己就像離開水的魚，努力掙扎但其實(shí)是在浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)槲业乃袑W(xué)習(xí)都是消極的。
后來，我才認(rèn)識(shí)到，這是一個(gè)人從吸收知識(shí)到輸出知識(shí)的必經(jīng)階段。幸運(yùn)的是，當(dāng)時(shí)正值物理學(xué)飛速發(fā)展的關(guān)口，我又遇到了很好的合作者，找到了非常好的研究方向，這大大縮短了困惑的時(shí)間，促進(jìn)了我的成長(zhǎng)。而且，我正是在那段時(shí)間遇到了我的太太，所以也不是虛度光陰。
我最喜歡的文學(xué)人物是奧德賽和怪人約翰。我一直很希望能體驗(yàn)他們那樣的生活，當(dāng)然物理學(xué)家們的冒險(xiǎn)只能表現(xiàn)在思想上。其實(shí)，奧德賽的經(jīng)歷非常像一個(gè)小孩子成長(zhǎng)為一個(gè)大人的過程。在這個(gè)過程中，他需要自己實(shí)現(xiàn)雙腳站立，需要自己走出家園，需要自己迎接挑戰(zhàn)，需要自己去遠(yuǎn)方冒險(xiǎn)。作為科學(xué)家來說，我們也都經(jīng)歷這樣的階段，要不斷冒險(xiǎn)，不斷成長(zhǎng)。
維爾切克也非常熱衷于科學(xué)傳播，他寫過書，也經(jīng)常為媒體撰寫專欄，還會(huì)舉辦一些科普講座。這張圖片，就是他在麻省理工學(xué)院為公眾舉辦講座，介紹宇宙學(xué)研究的場(chǎng)景。
《環(huán)球科學(xué)》：盡管看起來確實(shí)沒什么直接意義，但廣泛涉獵確實(shí)有助于科學(xué)家的成長(zhǎng)，因?yàn)檫@可以在很多方面給科學(xué)家?guī)韱⒌?。很有意思的一點(diǎn)是，很多科學(xué)家都喜歡哲學(xué)。我知道一本你最喜歡的書是羅素的《西方哲學(xué)史》。那么，哲學(xué)對(duì)于科學(xué)家成長(zhǎng)的意義究竟表現(xiàn)在哪里？
維爾切克：閱讀哲學(xué)最重要的意義是，它可以讓我們知道歷史上最聰明的人是怎樣思考這個(gè)世界的。我們的先人們居然可以用那么有深度、有新意的方式思考這個(gè)世界，這真是一件非常神奇的事情。
我們都知道，有的哲學(xué)家非常擅長(zhǎng)從極其寬廣的尺度上看問題，從非常抽象的角度思考問題；有的哲學(xué)家則總能找到新奇的角度去理解世界，他們可以始終像孩子一樣看待這個(gè)世界，他們充滿好奇也充滿質(zhì)疑，不輕易接受任何觀點(diǎn)，始終保持著思維的獨(dú)立和睿智；還有的哲學(xué)家具備天才的想象力，他們可以在兩個(gè)完全不同的事物中發(fā)現(xiàn)共性并建立聯(lián)系；最后，有的哲學(xué)家——例如柏拉圖、休謨和羅素的文字非常漂亮，讀他們的文章確實(shí)讓人心曠神怡。
我最近也在學(xué)習(xí)中國(guó)古老的哲學(xué)。我知道，“道”這個(gè)字在中國(guó)哲學(xué)中占據(jù)著重要的地位。要理解“道”和獲得“道”，你就不能只是從一個(gè)方向上去理解這個(gè)世界或認(rèn)識(shí)自己，你必須從不同方面、不同高度觀察和思考這個(gè)世界以及我們自己。
這其實(shí)是非常深刻的道理，它有助于科學(xué)家的成長(zhǎng)，因?yàn)樗梢宰屛覀儚牟煌嵌瓤磫栴}，幫助我們自動(dòng)過濾膚淺的見識(shí)，促進(jìn)我們從更深層次上思考世界，質(zhì)疑那些司空見慣的結(jié)論，同時(shí)在貌似不相干的事物之間建立聯(lián)系，嶄新而深刻的研究正基于此。畢竟，無論在宏觀還是微觀尺度上，我們這個(gè)世界的運(yùn)行方式都與我們通過日常生活獲得的認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)非常不同。
《環(huán)球科學(xué)》：成功的科學(xué)研究既需要宏觀的思考，也需要細(xì)致入微的觀察，兩者其實(shí)缺一不可。如果說學(xué)習(xí)哲學(xué)有助于前者的能力形成，那么后者又可以通過怎樣的訓(xùn)練來獲得和提升？
維爾切克：我心目中的英雄——物理學(xué)家費(fèi)曼曾經(jīng)說過，物理學(xué)需要非常強(qiáng)大的想象力，但這種想象是受到束縛的想象。這個(gè)束縛就是學(xué)科的規(guī)律。物理學(xué)發(fā)展到今天已經(jīng)積累了太多的知識(shí)，這些知識(shí)為我們的想象提供了約束，我們的想象不能違背這些規(guī)律。對(duì)學(xué)科細(xì)致的觀察就需要持續(xù)跟蹤這個(gè)學(xué)科的發(fā)展，了解這個(gè)學(xué)科面臨的最重要的前沿問題。
例如，在當(dāng)今的物理學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)非常重要的前沿問題就是質(zhì)量是怎樣形成的，畢竟宇宙中超過90%的質(zhì)量都是我們觀察不到也無法理解的；另外一個(gè)重要的前沿問題則涉及技術(shù)，量子理論指出，我們可以設(shè)計(jì)出性能更為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)，但實(shí)際上我們還不知道怎么能把這個(gè)想法變成現(xiàn)實(shí)。對(duì)于目前這代物理學(xué)家來說，這些都是巨大的挑戰(zhàn)。
《環(huán)球科學(xué)》：你提到了技術(shù)問題，這很有意思。事實(shí)上我們正身處一個(gè)技術(shù)進(jìn)步日新月異的時(shí)代。我記得幾年前，你在一篇文章中也提到，最近這些年來，科學(xué)的發(fā)展似乎在減速，而技術(shù)的發(fā)展則一直在提速。這怎么理解呢？
維爾切克：過去這些年，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)基本規(guī)律的研究進(jìn)展確實(shí)在減慢。這就是大家所說的科學(xué)在減速。這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)很重要原因在于物理學(xué)家之前的工作太成功了。由標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論組成的框架實(shí)在太成功。前幾年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標(biāo)準(zhǔn)模型的核心部分，我們這個(gè)理論在那之后就進(jìn)一步完備了。這個(gè)理論不只可以解釋目前為止出現(xiàn)的幾乎所有現(xiàn)象，更重要的是它對(duì)化學(xué)、生物學(xué)等等很多學(xué)科的快速發(fā)展也足夠用了。如果你想在這個(gè)框架的基礎(chǔ)上發(fā)展它而不破壞它，那真是非常非常難的事情。
過去這些年，物理學(xué)領(lǐng)域其實(shí)也出現(xiàn)了很多新進(jìn)展，例如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體和時(shí)間晶體的提出，但這些發(fā)現(xiàn)也不是挑戰(zhàn)這個(gè)框架，而是幫助我們加深了對(duì)這個(gè)框架的理解。這些發(fā)現(xiàn)在豐富基礎(chǔ)理論的同時(shí)，也肯定會(huì)對(duì)未來的技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。但還是有一些問題我們不理解，例如天文學(xué)家在尋找的暗物質(zhì)，我們不理解這些物質(zhì)的質(zhì)量，我也希望物理學(xué)界可以在未來幾年在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一些突破，我感覺我們距離這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)很近了，也許很快就可以迎來突破。
當(dāng)然，還在持續(xù)運(yùn)行的LHC可能也可以為我們帶來一些令人振奮的新發(fā)現(xiàn)，從而推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。
《環(huán)球科學(xué)》：我們來聊一下備受期待的量子計(jì)算，我知道你也在這個(gè)領(lǐng)域投入精力，這也被公認(rèn)為是未來很長(zhǎng)一段時(shí)間中國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。難么，我們多久可以看到這個(gè)目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)？
維爾切克：現(xiàn)在的物理學(xué)界確實(shí)非常有熱情利用已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的新理論去制造新的計(jì)算機(jī)，但這不可能一蹴而就。打個(gè)比方，如果我們把量子計(jì)算機(jī)的研制視為一場(chǎng)總里程為50英里的旅途，那我們現(xiàn)在可能才剛剛走過最初的兩三英里，而且還是最簡(jiǎn)單的兩三英里。隨著旅途不斷深入，技術(shù)進(jìn)步會(huì)越來越困難，而我們現(xiàn)在甚至還不知道最主要的困難是在哪里。
具體到大家非常感興趣的量子計(jì)算的應(yīng)用，如果應(yīng)用是指解決新材料研發(fā)或者解量子力學(xué)方程等特定領(lǐng)域的問題，我想我們不用等待很久，最近幾年也許就可以看到理想實(shí)現(xiàn)。
但如果應(yīng)用是指像目前的個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)，我想科學(xué)家和工程師們還有太長(zhǎng)的路要走，至少要20年時(shí)間，我們才能看到通用量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。或者就根本等不到這一天也不是不可能。
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