星空、未來與當下：一位理論物理學家的自白

劉怡

作為中山大學天文與空間科學研究院院長，53歲的李淼同時還是一位“文藝中年”和社交網絡達人。1990年在丹麥哥本哈根大學玻爾研究所獲得博士學位之后，他已經從事了超過四分之一個世紀的宇宙學、弦論和高能物理研究，成績斐然。而在2013年南下中大之后，李淼開始更多地嘗試“跨界”，寫詩、出版科普隨筆、撰寫科幻小說評論。就在幾天前，他剛剛開通了自己的微信公眾號?！度撋钪芸吩趶V州拜會了這位“跨界”達人。

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼

三聯生活周刊：能否請您向周刊的讀者簡單介紹一下整個物理學、特別是理論物理學領域當前的發(fā)展狀況以及最受關注的前沿方向？

李淼：“物理學”是一個博大精深的概念，涉及到多個領域和分學科。若就基礎物理學而言，我認為有兩個方向值得格外關注：其一與我們對整個世界的理解有關，例如暗能量和暗物質的存在，時空是如何產生的，宇宙經歷了怎樣的演化等問題;它們涉及到時間和空間觀念，也涉及到宇宙學。長期以來，基礎物理學家在這個方向上傾注了大量心力，并借助新工具賦予的觀測和實驗手段來驗證其結論。例如對量子糾纏與時空起源之間關系的驗證，就是在最近兩年取得了新進展，相當令人興奮。第二個方向則是量子物理學，主要涉及量子力學原理在技術領域的應用前景，包括量子計算機、量子通信等新產品，也是非常重要的問題。

在理論世界以外，應用物理學領域同樣有許多新成果在涌現。例如納米科學和材料科學方面的新進展，不僅會改變未來世界的工業(yè)面貌，對人們的日常生活乃至整個社會的經濟結構也將起到深遠的影響。另一個重要的應用領域則是能源，這也是全世界長期關注的問題，但近期還沒有可以稱為突破性的成果出現。

三聯生活周刊：就您提到的這些領域，有哪些是中國物理學界處在世界頂尖或一流水平的？

李淼：應當坦白承認，中國占據明顯優(yōu)勢的領域還比較少，但也不是沒有。例如在鐵基超導和量子通信方面，中國物理學界就有后來居上的趨勢。中國科學技術大學潘建偉院士領導的量子光學和量子信息研究小組，近年來已經取得了一系列開創(chuàng)性的研究成果。由中國科學家承擔的費米子凝聚態(tài)實驗的一部分，也在2015年7月首度發(fā)現了Weyl費米子，這是物理學研究的重大突破。另外在中微子物理、高能粒子物理實驗、引力物理實驗等領域，中國已經具備了很好的基礎，也制訂了積極的發(fā)展計劃，在未來一二十年是很有希望進入世界一流行列的。

三聯生活周刊：2015年12月17日，中國發(fā)射了第一顆暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”，引發(fā)了廣泛的國際關注。按照宇宙標準模型，暗物質和暗能量占據了其中的絕大部分質能。作為暗能量研究方面的專家，能否請您談談目前常見的暗物質和暗能量探測手段及其結果？

李淼：對暗能量這種充溢空間、難以察覺的能量形式，目前尚沒有直接的探測手段。流行的暗能量假說認為宇宙膨脹速度越來越快是由暗能量導致的，但常規(guī)的宇宙學觀測方法（例如對Ia超新星的觀測）只能確認宇宙正在加速膨脹這一事實本身，卻無從驗證暗能量的存在，因此只能作為間接證據。這一問題在短期內也沒有獲得解決的可能。在我個人看來，應當把希望寄托在暗能量能與我們周邊的物質世界發(fā)生某種相互關系這個方向上;盡管這并不是一種很主流的觀點，但如果能夠證實這種潛在的相互作用的存在，直接探測暗能量就有可能了。

至于暗物質探測，應該說最近幾十年全世界物理學界都在推進。中國在這方面也相當活躍，2010年清華大學在四川錦屏建成了專門的極深地下暗物質實驗室，“悟空”衛(wèi)星則提供了來自太空的間接探測手段。但究竟何時能探測到暗物質，至今仍無法預言，依然要等待進一步的結果。

三聯生活周刊：超弦理論是您的另一項研究重點，您也就此出版過一部科普著作《超弦史話》。就我們粗淺的了解，弦論的特征之一在于它首先引進了量子論，隨后才導出大尺度上的時空結構，而不是像經典路徑那樣先確定理論大框架，再在細節(jié)上用量子論做修正。這在相當程度上對廣義相對論構成了顛覆。請問您如何看待超弦理論以及作為多種超弦論統一體的“M理論”的前景？

李淼：超弦的前景，應該說很難預料。過去我們一度認為，超弦理論可以從數學架構和邏輯架構中獨立地發(fā)展成型，但現在看來恐怕還是要依賴實驗。另一方面，真正能夠統合萬有引力和量子論兩大體系的終極理論，究竟是超弦還是其他理論框架，目前也無法斬釘截鐵地斷言。但近年來理論物理學界的一些新發(fā)展，例如對量子糾纏與時空起源之間關系的探究，在不久的將來可能導致深刻的變革，使我們對理論統合的趨勢形成新看法。

三聯生活周刊：說到統合，有一種觀點認為：理論物理學發(fā)展至今，正在越來越明顯地朝“大統一”（Grand Unification）的方向趨近，最終將在超弦理論或其他“終極定律”的統馭下形成一個清晰整全的體系。您對此持何看法？從科學史的角度看，這種大統一會是物理學的盡頭嗎？

李淼：關于大統一這個方向，按照我過去幾十年的觀察，應該是正確的。我相信物理學中的各種理論框架和現象在本質上是統一的，并且科學史的發(fā)展也在驗證這一點。比如我剛剛幾次提到的對量子糾纏的研究，就為統一量子力學和廣義相對論提供了一種潛在的可能。至于物理學是否有盡頭，我本人不愿輕易下結論——這實在是一個太過宏大的話題了。

三聯生活周刊：隨著近年來商業(yè)化航天項目的興起和一系列科幻電影的熱映，“星際旅行”越來越成為大眾關注的話題。在星際飛船的動力構想中，除去我們熟悉的核裂變、核聚變以及太陽能外，還包含反物質，即利用湮滅現象產生的粒子束作為飛船的動力，可以有效縮短飛行時間。在您看來，這個方案最大的難點何在？

李淼：最大的難點在于我們很難積聚起足夠數量的反物質。因為反物質在自然界中極少存在，否則將釀成巨大的災難;它只存在于高能宇宙射線當中。目前人工制造反物質的方法是用加速粒子轟擊固定靶產生反粒子，然后減速合成，生成速率極低;把全球已經制造出的全部反物質加起來，它們經由湮滅過程產生的能量可能還不足以將一枚燈泡點燃一個月。因此，指望在幾十年內制造出以反物質為動力的飛船是不現實的。相比之下，核聚變反應堆或許是一種更富現實意義的方案，但實現可控熱核聚變同樣也還有很長的路要走。

在我個人看來，排除那些瑣碎的、充滿不確定性的技術細節(jié)，從根本上說，航天事業(yè)的前景取決于人類如何利用能量，這種利用又能達到何種程度。盡管自農業(yè)革命以降，人類知識和技術的指數式增長已經把每兩次科技革命之間的間隔期逐步縮短到了一二十年，但因為未必每一次科技革命的重點都在能源領域，所以變化依然是緩慢的、漸進的。例如離我們最近的一次變革，其重心就在IT行業(yè)，它在能源領域并沒有掀起太大波瀾。

按照我的估計，恐怕要到50年或100年之后，人類才能將地球上現有的自然能源（不包括可控核聚變）完全地、有效地利用起來，從而達到俄羅斯天體物理學家尼古拉·卡爾達肖夫所說的“Ⅰ類文明”的層次：控制行星級規(guī)模的資源。但在Ⅰ類文明之上還有Ⅱ類文明和Ⅲ類文明，其所控制的資源量分別需要達到一顆恒星以及整個太陽系的規(guī)模。人類需要首先前進到Ⅰ類文明階段，再花200年左右的時間邁過Ⅱ類文明的門檻，隨后才能具備實現星際旅行的條件。這有賴于長期的、持續(xù)的努力。

三聯生活周刊：自上世紀70年代“阿波羅計劃”結束、美蘇太空競賽告一段落以來，各國在載人航天器的研發(fā)和使用方面似乎更傾向于完善既有的技術，突破性的成果卻不多，全球載人航天事業(yè)的規(guī)模和力度甚至還不如六七十年代。您是如何看待這種狀況的？您認為未來20年內會出現大的變化嗎？

李淼：刪繁就簡來看的話，載人航天器研發(fā)、乃至整個航天事業(yè)的進步，需要依賴能源和材料科學的發(fā)展。而在可見的20年里，材料領域的進步或許會更快一些，能源方面是否會取得很大突破則完全無法下結論。如果不能取得方便和便宜的能源，單憑一兩個國家政府的熱情是很難將“燒錢”的載人航天項目長期推進下去的。

依然可以用最近的一次科技變革——IT革命的例子作為參照系。IT行業(yè)的發(fā)展與著名的“摩爾定律”相吻合：每隔大約24個月，微處理器的性能將提高一倍，原有產品的價格將下降50%。而載人航天經歷了半個多世紀的發(fā)展，依然沒能實現有效的成本控制：一名宇航員完成一趟往返國際空間站的任務，單價依然超過1億美元。這當中最主要的支出，始終是在動力部分。只有出現了廉價、高效的全新航天能源，才有可能顯著降低成本。

三聯生活周刊：您剛才提到的一系列估計和預期，似乎都是以相當長的時間段作為尺度的，短則數十年、長則百余年。這或許合于一位科學家的認知，而與一般人的印象不同。那么您是怎樣看待人類歷史的呢？

李淼：如果我們把這個“歷史”的主體限定為個人，那么它的意義和價值都是極其有限的。即使放大到全人類，由于人類及其居住的地球最終將難以避免消亡的命運，也可以說歷史是有窮盡的、不存在終極意義的。但我依然認為人類這種生命及其存在的過程并不是徹底虛無的：因為藉由人類的探索和認知，它所寄存的這個宇宙實現了反觀自身和理解自身;不僅如此，人類還能發(fā)現和理解自身存在的現象以及規(guī)律。這才是人類歷史的真正價值所在——哪怕它只有幾百萬年的總長度，哪怕它所創(chuàng)造的那些“硬質”文明（城市、建筑）在須臾之間就將湮沒。

三聯生活周刊：哈佛大學政治哲學家哈維·曼斯菲爾德（Harvey Mansfield）寫過一篇著名的文章《人文知識能對科學說什么》。作為一名自然科學研究者，您覺得科學又能對人文知識說什么？

李淼：應該說，自然科學能為人文科學提供的幫助和素養(yǎng)不僅很多，而且意義深遠。上世紀最重要的三大自然科學發(fā)現——量子論、相對論和人類DNA遺傳結構，都在很大程度上顛覆了我們既有的歷史觀和宇宙觀。相對論修正了我們關于時空絕對性的成見，開啟了探索時空關聯性和時間流速的新視野;量子論推翻了過去的機械決定論;DNA同樣具有開創(chuàng)性意義。更重要的是，在宏觀層面，人文科學中被奉為圭臬的某些論斷和邏輯結構，本質上是對過往的牛頓力學體系以及古典宇宙論的模仿，而后者在自然科學研究中已經被顛覆或刷新了，在人文學科領域卻沒有獲得相應的反饋和映射。這是人文知識可以從自然科學中獲得更多養(yǎng)分的方向。

三聯生活周刊：您對像《三體》這樣的科幻文藝作品興趣很濃厚，今年還出版了一本《〈三體〉中的物理學》。作為科幻文學的閱讀和評論者，您認為中國科幻文學還存在哪些不足或者說可以提升的地方？

李淼：首先，除了像劉慈欣這樣的個別作家以外，大部分國產科幻文學在故事性方面存在欠缺。這一點甚至比科幻要素更加重要——只有先講好一個故事，才有可能吸引到讀者。其次，想象力（我指的是合乎基本科學邏輯的想象力）的匱乏也是一個大問題。因為大部分科幻文學作者對基礎物理、計算科學乃至最前沿的認知科學了解相當有限，其想象力的馳騁，到最后往往變成了毫無科學依據的想入非非;而《三體》能夠獲得成功，很大一部分原因是劉慈欣對物理學的了解非常全面，故而能合理地延伸其思維和筆觸，不至于變成玄幻。