“美”才是物理的真谛：诺奖得主Wilczek谈量子力学、宇宙与灵魂

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　　美的事物总是不难辨认的。米开朗基罗的大卫像、马丘比丘遗址、海上日出，诸如此类。这条规律对宇宙也适用吗？麻省理工学院物理系教授弗朗克·韦尔切克对此表示认同。在他的新书《美的问题：找寻自然的深层形态》中，韦尔切克详细阐述了数学的优雅和自然法则的连贯性。

　　 2004年，韦尔切克与大卫·格罗斯和大卫·波利泽因夸克粒子理论（强作用）方面所取得的成就荣获诺贝尔物理奖。他们对“渐近自由”的发现表明当夸克彼此接近时，它们之间的相互作用会变弱。

　　韦尔切克的专业领域是量子理论，然而他的研究在宇宙学中的影响力也是显而易见的，包括黑洞、暗物质及宇宙起源研究。64岁的韦尔切克从大学时代就开始在自然界寻找美的形态。“我喜欢和图案打交道，并进行抽象思考，”他说。“我对哲学的分支――数理逻辑和思维怎样运转的理论都很感兴趣。我学习了神经生物学和计算机科学，因为我想搞清楚抽象图案是如何映射到思维活动上的。”

　　韦尔切克不仅是杰出的理论物理学家，也是哲学学者，同时还是英国诗人威廉·布莱克及意大利文艺复兴建筑家菲利波·布鲁内莱斯基的崇拜者。在谈话中他时常爆发出阵阵笑声，并以跳跃的话题为乐，无论谈及的是弦理论、《黑客帝国》、动物的智慧还是奈尔·德葛拉司·泰森这样的科学家所秉持的错误的哲学观点。

来源 Nautilus

作者 Steve Paulson

编译未来论坛商白

　　 我爱这种诡异性和特殊性，事实上世界的本来面貌正是如此。

　　 你说在自然形状中存在着美。这似乎是美学范畴而不是科学问题？

　　这就是个科学问题。我的问题确切来说是： 这个世界是否体现了与美相关的理念。 这是同时涉及了世界与美的问题。“美”带有浓烈的主观色彩且以多种形式存在，然而我们可以回溯艺术史和哲学史，查看哪些事物被人们客观认为是美的。我们可以借助科学来比较自然法则下衍生出的概念是否有人们觉得美的共通点。

　　 这个世界美不美对科学家来说重要吗？

　　我认为科学并不是与世隔绝的。所以，是的，对我来说世界是否美丽很重要。对物理学家、工程师和设计师来说，这也是一个很实际的问题。在物理学最前沿，我们的研究对象是非常微小、特别巨大和相当怪异的。日常经验并不能成为很好的借鉴，实验既难以开展又成本高昂。直觉的根源既不来自日常生活，又不来自大量事实的积累，而是源于与赋予自然界更多内在一致与和谐相关的感觉。令这些自然法则更美就是我的工作理念。

　　 美的法则指什么？

　　法则与人们认为美的事物有两项共同点。一是丰富性或者说创造性，即得到的比投入的更多。通过将一些思路拼凑在一起进行猜测后得出的方程式或法则可以用来解释其他七件事，你就知道你做对了。你所得的多于你付出的。对称性在自然基本法则中尤为突出，因为太常见而不免为人所忽略，但对称性中就隐含着和谐与美，在科学上的应用也卓有成效，是 不变的变化 。例如一个圆是对称的，你可以将其围绕中心以任何角度旋转但作为整体的圆是不变的。很多其他形状，比如三角形，在旋转后看起来会不一样。

　　 那么如果落到宇宙最深的结构――物理定律上，你认为这其中也包含着深刻的对称性？

　　考虑到定律是永恒的这一点，是的。乍看起来似乎是不对称的，但定律并不会因为宇宙变老而改变。所以这是个不变的变化。

　　 假设宇宙没有表现出美的理念或优雅的数学结构。如果世界充斥着不对称性和瑕疵，我们还能想象出自然法则吗？

　　这个问题让我纠结了很久，觉得有一种思想实验还算令人满意。随着计算机技术的发展，人工智能也越来越先进，你可以做类似《黑客帝国》里那种以计算机呈现智能的思想实验，它认同的世界实际上是程序预设的。

　　 所以我们只是住在一个计算机虚拟世界里？

　　想象我们处在超级马利的世界里，物理定律就不会很美，而是会随着时间和空间发生变化。其中的诡异之处在于那里的物理定律逻辑合理却和我们世界的运行大相径庭。我们世界中的法则不会随时间空间改变，而且具有某种重现性，一旦理解了小的部分，就可以推演出大的部分是如何运作的。而在程序预设的世界中，一切都听凭程序员的意思，无需具有意义也无关乎美。因此，我认为自然法则之美在逻辑上并不一定是必需的。当然，如果法则不美就会更难被发现，所以在我眼中，法则的可理解性比它们的美更神秘。本无需这般，却恰恰如此。

　　 我认为现有的任何一种宗教都无法如实反映出我对物理世界的发现。

　　 对于爱因斯坦和其他现代物理奠基人来说，美也如此重要吗？

　　绝对是的，尽管他们不一定明确想到了这一点。爱因斯坦和麦克斯韦――甚至回溯到牛顿――的本性都是从小问题入手，本着可理解性，从而构建起更复杂的体系，才有了今天物理学的兴盛。爱因斯坦是将自然之美的第二方面――对称性升华至新高度的决定性人物。相对论就是“不变的变化”这种模式。从一个移动的平台上观察世界，移动的或远距离的事物看起来也许很不同，但在静止帧上，它们都包含有相同的定律。这就是相对论的精髓。事物的外表变化，但定律同样适用。

　　 爱因斯坦不喜欢量子纠缠的概念，是因为这有悖于他的审美观吗？

量子纠缠有悖于他的确定性，他认为同样的定律应当永远得出同样的结论。他有句名言：疯狂就是反复做同样的事情并期待得到不同的结果。然而这恰恰是量子力学的原理。所以他才表示不赞同。但孩子的成长也往往无法如父母所愿。量子力学的框架看似无法体现对称性，尽管我认为在深层次上也许是可以体现的。如果构建遵守其原理的方程式，你会发现量子力学其实是个绝佳的平台。这些方程可以支持无数经典物理学中无法囊括的不变的变化，它们可以真实地描述这个世界。

　　 在量子水平上，我们无法预言某种特定粒子会怎样。这些困扰爱因斯坦的不规则是否也让你觉得困扰？

　　不，我喜欢这样。 我爱这种诡异性和特殊性，事实上世界的本来面貌正是如此。

　　 这不会和你的秩序感冲突吗？

你知道，这是很深奥的。在量子力学中，对现实的基本描述被称为波函数，而波函数的方程实际上是有确定性的，是完美的方程。如果你一度了解波函数，你就可以毫不含糊地预言其他时候它是什么样的。问题在于不可能用实验方法了解波函数是什么。深层次的框架是确定的，但就我们在宇宙中所处的位置而言，这不是我们可以决定的东西。在操作上这就意味着事物看起来是不可预测的。有大量的实验数据和经验直接证明了这部分量子力学。基本上，所有现代粒子加速器都在反复做同样的事：在完全同样的能量和配置下对撞电子和反电子。但是得出来的东西是不同的。做几十亿次每次得到的结果都不一样。因此这与选择无关。

　　 人类真的在发掘宇宙的深层次结构吗？亦或这只是我们的大脑通过工作让我们所看到的世界，我们自以为的现实？

　　物理学是有用的。如果没有对世界运行的详细描述，人类就不能设计出iPhone或者大型强子对撞机，也不能对冥王星进行探测。这一切并不是幻想。然而，组织思想可以有不同的方式。有些东西可能对从智能蜘蛛进化来的生物是显而易见的，对人类则不是。所以尽管这些定律被记述的方式在细节上相去甚远，结果却是不容争议的。世界是什么样就是什么样。

　　 你的思想实验很棒。如果狗和鸟也有高级抽象理性，它们也会精通物理学吗？

　　鸟大概可以，狗就不行了。狗的世界首先是建立在嗅觉上的。当然，化学感官可以有助于沟通和品鉴美食。闻到玛德琳蛋糕就会回忆起过去（看得懂这个梗的同学，文学修养一定很棒――译者注）。但即使你非常聪明，有丰富的社交生活，也很难从嗅觉延伸至牛顿运动和力学定律。人类基本来说是视觉动物，所以我们对事物在空间中的移动有强大的理解力。能看清星空是件幸事。这给我们探索天文并理解引力开了个好头。

　　 那么鸟类有什么特殊的呢？

　　鸟类也有和我们一样的视力，还不止于此。我们的经验受制于摩擦力和地球上的引力，从历史上看，对理解惯性造成了很大的障碍。但鸟类只需挥动双翼，暂停、滑翔，就知道了惯性的存在。它们有天生的相对感――以恒速移动的话，定律是不变的。它们每天都能体会到这一点。如果鸟类变得智能化，我想它们在物理上取得的进步会比人类更快。蜘蛛也有另一种视域。它们靠触觉和蛛网的振动来交流。它们应该能很容易掌握场理论和电学。

　　 物理定律对大脑同样适用，所以不应在组成大脑的粒子之外去寻找灵魂或者非物质的东西。

　　 理论物理学家的危险之一是过于沉溺在方程之美和万物如何构成中，与现实世界脱节。你也有这种职业病吗？

千真万确。伟大的物理学家理查德·费曼说过，人类有想象力，可这种想象力是穿着紧身衣的。对我来说，当想法表明可检验的实验结果时，会带来不同层次的兴趣。

　　 如果并没有能联接起物理定律的“万物理论”呢？你将自然看作美的杰作这一论点会被置于何地？

这一论点仍然是正确的。我们已经知道有美的法则可以解释大多数物质作用的方式，我们只是还没有知道全部而已。这些法则有多对称、多丰富和多有创造性是很难尽数的。这是一项伟大的馈赠。但我们仍不满意，因为还有一些恼人的小缺陷。因此我们在试图找到新的现象来得到更多的对称性和让方程更美。

　　 你和一般的科学家不太一样，你很热衷于探索这些大的理念。想没想过转行当个哲学家？

绝对有。我十几岁时崇拜的偶像一是爱因斯坦一是罗素。我热爱阅读哲学书籍和考虑这类问题。

　　过去的几年间，有些知名物理学家，包括斯蒂芬·霍金、劳伦斯·克劳斯和奈尔·德葛拉司·泰森，都曾对哲学家发难，声称他们对科学界不具价值。你如何看待这些同行们的言论？

　　我认为这是缺乏想象力和对哲学了解的表现。 这个世界远不止只有物理定律和物理现象这么简单。 这类争辩已经延续了几个世纪，相关概念也不断被完善。 抹杀哲学是不智的近乎愚蠢之举。 和爱因斯坦一样，我从哲学典籍中汲取了无穷的灵感，在休谟、马赫和罗素的熏陶下磨炼了心智。

　　 哲学家不止想找出万物的规律，他们还质疑宇宙存在的意义。你对此有共鸣吗？

是的，当然。我关心所有这一切的意义。这是驱使我工作的动力。

　　 那么宇宙有什么意义？

　　这个问题本身就是错误的，因为我不确定该如何作答。我乐于把这个问题从不同的视角以一种更有成效的方式提出： 这个世界是否体现了美的理念？ 你可以参照物理定律出现前人们对美的理解，把它和我们发现的物理定律进行比对。这样你就获得了兼顾艺术和科学的视角。

　　 假如有人需要一个更深刻的价值体系为依托，你觉得他应该从“美”中发掘吗？

　　是的。有些人从不同宗教的教义中获取快乐和知识，这是一种安排生活的方式。我就做不到，因为 我认为现有的任何一种宗教都无法如实反映出我对物理世界的发现。 并不是说这些宗教是错的――虽然很多细节确实错了――而是因为它们无法尽述科学揭示出的深刻的惊奇，例如宇宙有多大，有多老，有多少微小的事物构成了我们经历的大事件。这意味着 要靠我们来找出并创造意义。 对我来说，美就是组成这一切意义的重大发现之一，是我重要的快乐之源。

　　科学和宗教共有的最深刻的问题之一就是起源问题。宇宙是怎样起源的，或者说它究竟有没有起始？虚无是怎样孕育出了物质？劳伦斯·克劳斯宣称这并不神秘。他说真空态在量子场论中是不稳定的，因此态在有无中摇摆也并不奇怪。

事实上，我的朋友劳伦斯引用的是我的话。我并不明白所有的蕴涵但方程不允许有不稳定的解。“无”是与自然基本法则非常不一样的东西，所以如果不可以留白，就可以解释为什么会有些什么而不是空无一物。但我认为这与哲学家们提出的问题还有差距。

　　 他们问的是物理定律从何而来。

正是。方程是怎么来的？“无”并不是一个正确的概念，在已知的定律中是不可能的。

　　 所以真空区域这样的东西是不存在的了？

没错。把空间看作真空、被动、没有内在生命的容器是完全错误的。在量子力学中，空间有着自发性活动。这些被称为“虚拟粒子”。我得诺贝尔奖的部分原因就在于发现虚拟粒子是如何影响可见的真实粒子的。

　　 虚拟粒子是什么？

就好比我们在地球的表面生活，地表之下有许多活动在进行，虽然我们看不到，却影响了世界的面貌。在基础物理定律中，场――例如电场和磁场――都有自发活动。虚拟粒子转瞬即逝，无法被肉眼和仪器观测到。但它们在方程中，并且对肉眼和仪器可观看、计算及检查的粒子的属性造成影响。无疑，空间就是活动的来源。这是为什么空间并非真空的原因之一。它是有生命的。

　　 所以如果我们找寻宇宙中最根本的东西，那既不是粒子也不是物质。你说的就是这个空间吧？

　　是的， 空间有其自身的生命。 理解所谓的真空区域实为理解宇宙运行的关键。我喜欢和我的学生开玩笑，说在牛顿力学中，关键在于解决一个物体如何围绕另一物体运动的问题，比如地球围绕太阳公转。在量子力学中，关键则在于“无体问题”。我们所见到的粒子其实是真空区域结构顶端的副现象。

　　我们谈论的是调和非物质与物质的困难。这其中最大的谜团之一也许要数“心-脑问题”，即我们大脑中的三磅胶状物是如何孕育出精神的非物质世界的。这算是物理问题还是神经科学问题？

　　 物理定律对大脑同样适用，所以不应在组成大脑的粒子之外去寻找灵魂或者非物质的东西。 一个好的假说是把大脑看成一台计算机，难题在于理解遵守物理定律的实体零件如何能够进行运算，组成心灵。然后就是技术性问题：我们运用物理来描述宇宙中物体的方式是否也可以被用来阐明大脑的运转――对称、物质科学和电传导的概念对神经生物学是否重要。我认为很可能答案是肯定的。人脑是非常规律和对称的。小脑是非常结构化的。神经网络是另一个美妙的发展。人工神经网络是理想化的大脑神经系统，但它们使用的算法是物理学家能辨识出的。事实上，物理学家发明了很多这样的技术，因为它们看起来就像是电路方程。所以我想物理学家有很多可以帮到神经生物学的。

　　 对于物质如何孕育出精神世界这一问题，你认为科学能破解？

是的。该怎么说呢？我想我们也许已经成功了九成了。

　　 你真是个乐观主义者！

非也，我想我只是正确地解读了事物。不久以前，0和1能够解码计算还似乎是件很神奇的事，例如下国际象棋。然而现在我们已经可以设计出近似于会思考的系统了。渐渐地，人类和诸如Siri这样的系统间会有越来越多有意义的互动。这些0和1通过晶体管这样的物理对象得以体现，因此我们几乎可以说心灵是通过物理对象来体现的。这些都是我们设计的实实在在的东西。

本文获授权转载自微信公众号“未来论坛”。

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