弗蘭克·維爾切克的迷人生活

編譯 魏劉偉

一位小說家請一位物理學家解釋他的科學突破。

諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）的新書《基本原理：通往實在的十把鑰匙》（Fundamentals:TenKeystoReality），既是思考外部世界和內(nèi)部世界豐富性的方式，也是通過科學“重生”的方式對傳統(tǒng)宗教的替代。我受邀為《紐約時報》評論這本書，因為這本書顯然是寫給非科學家的。我在為我的小說《愛欲與哀矜》（Lostand Wated）做拓展研究時，養(yǎng)成了為外行閱讀物理學的習慣。對我來說，這些書分為兩類：一類需要讀者的智慧，促使其盡可能認真地理解作者在理論工作中遇到的問題；另一類用抽象、華麗的語言來展示宇宙的奧秘。我通常更喜歡第一種，但我可能會被第二種所誘惑。而維爾切克的《基本原理》似乎占據(jù)了中間地帶，用簡單但精確的語言介紹了自然界中最大和最小事物的概念。

在采訪物理學家時，我總是對他們?nèi)绾喂ぷ饕约笆裁礃拥男愿襁m合這門學科等問題感興趣。維爾切克的家在馬薩諸塞州康科德市，在一間有著斜坡屋頂?shù)幕疑块g里，他舉著放大鏡對著我說話。他穿著一件藍色格子法蘭絨襯衫，口袋里不止一支筆。在我們的談話時，他微笑著表達自己的觀點。當他專心解釋某事時，眼鏡后面的眼睛會閉上一會。我們的談話加強了我從他的書中得到的印象：他是非?？鞓返娜?，他的快樂很大程度上源于思維活動，其中物理學是主要但不是唯一的激情。

我喜歡《基本原理》開篇引用的帕斯卡對自己的渺小非?？謶值脑挘骸坝钪孀プ∥?，把我像小斑點一樣吞下去?！蹦氵€記得嗎，無論是小時候還是現(xiàn)在，抬頭仰望天空時，會被自己的渺小嚇著？

我并不害怕。小時候，我是作為羅馬天主教徒長大的，因此形成了我對宇宙的看法。我害怕下地獄，但不害怕宇宙太大的問題。我想這只是事實，與日常生活并不特別相關(guān)，當然也不覺得壓抑。我的態(tài)度隨著我的成長而改變，開始更多思考地球和地球上的人的渺小。但是，帕斯卡說被宇宙的大小所嚇倒，這倒是件奇怪的事。

我本不打算問這個，但既然你說你是作為天主教徒長大的，那你有沒有放棄信仰的時候？還是你仍然……

是的，肯定有。曾經(jīng)發(fā)生過危機。天主教有一個儀式叫堅信禮。當你到了有理性思考能力的年齡，我認為是12或13歲，會舉辦堅信禮以堅定信仰。我們用周末時間來進行，這個過程非常深刻，會溫習教義并變得振奮。我對此非常著迷。我一直在認真思考教理問答中所提出的問題，并試圖將其解釋為真理。同時，我也在學習科學，閱讀像伯特蘭·羅素（Bertrand Russell）這樣變革性人物的作品。但那次堅信禮使事情達到了頂點。在那一刻，我堅定了信仰。但在那之后，像大壩決堤一樣，就沒有……

沒有回頭路了？

是的，沒有回頭路了。至少對我來說，一旦開始審視這些教義，認為它們不是上帝的話語，而是那些不通世務(wù)的人的產(chǎn)物，你就會發(fā)現(xiàn)這些世界觀在很多方面都是微不足道的。

有趣的是，你在深入思考他們試圖教你的東西。堅信禮時，大多數(shù)孩子都在看窗外，或者想桌子對面12歲的女孩，你卻在努力解決這些問題。

沒錯。但回想起來，我對圣奧古斯丁這樣的人物非常同情。我認為他調(diào)和了希臘哲學和宗教教義，使兩者都受益。

當時做一個全才肯定比現(xiàn)在容易。

調(diào)和更容易。我們永遠不會像古希臘人那樣理解事物，因為我們的標準不同。我們的標準更加嚴格，也更難達到。我們不可能在所有方面都做到。

在《基本原理》一書中你提到，當你高中去貝爾實驗室參觀的時候，你聽到一位科學家說“聲子是振動的量子”，這句話對你產(chǎn)生了某種影響。你無法停止思考直到你明白了它的含義。這對我來說很有趣，在那種情況下聽到你不完全理解的語言，然后引導你更深入研究這個問題。

確實是這樣。當時我沒有意識到，但這給我留下了非常深刻的印象。它開始于這樣一個概念：粒子、聲子是事物的描述或結(jié)果，但事物不是粒子而是振動。如何讓粒子從更深的實在中涌現(xiàn)？你可以想到物質(zhì)。物質(zhì)本身就是具有涌現(xiàn)粒子的世界，在沒有物質(zhì)的情況下，粒子不能存在。在這個自我封閉的世界里，如果你生活在物質(zhì)中，這就是你所認為的實在的組成部分。

其他孩子有漫畫書，你有振動聲子的世界。

我也有漫畫書，但振動聲子的世界確實激發(fā)了我的想象力。因為我不知道量子是什么，對世界的那些解釋給了我極大的滿足。我甚至不知道什么是振動（除了以一種非常普通的感官方式），當然更不知道什么是聲子。但是，能夠把一個似是而非的解釋結(jié)合在一起，給了我極大的滿足感。這讓我覺得自己很聰明。

對我來說，《基本原理》的偉大見解之一是你解釋的方式，即粒子不僅僅是德謨克利特所想象的漂浮在空間的原子的縮小版本。我以前也遇到過這個想法，但你寫道：“粒子是場的化身?！蹦闶窃趺吹贸鲞@個定義的？我覺得它很美。

呃，這只是對方程如何工作的直接描述，而且我可以用英語把它表達出來。人們談?wù)摗安６笮浴焙汀傲Ｗ优c場”，但最深刻和最自然的方式是討論空間填充場，粒子是附帶現(xiàn)象。粒子是場中激發(fā)，有一種內(nèi)在的內(nèi)聚力使粒子結(jié)合在一起，并作為可識別的單元進行傳輸。但真正意義上來說，粒子只是場中能量集中的地方。在深層次上，場確實是活動發(fā)生的地方。粒子和場是我們用來形成關(guān)于世界運行的描述的事物。

《基本原理》中有一點我特別不明白。你提到“任意子”（這個你命名的準粒子）“具有簡單的記憶”。你說任意子很重要，因為其行為可以作為量子計算機的構(gòu)建基礎(chǔ)。我讀了你在《量子》（Quanta）上寫的一篇文章，其解釋似乎簡單明了，但我被空間是二維加時間的概念絆倒了。作為非科學家，我們通常被要求從三維加時間的角度來思考。

首先來說，在物理學中存在二維世界。例如：在你的電腦中就存在這樣的二維世界。當有芯片時，電子就生活在二維世界中。電子在平面上的運動是自由的，但在另一個維度上，電子受到約束。在量子力學的規(guī)則中存在能隙，這意味著它們無法逃逸到第三維度。它們確實生活在二維世界中，我們可以對它們世界的物理現(xiàn)象進行完整描述。

所以我們有兩個空間維度，但還有一個時間維度。事物可以移動，因此，為了描述粒子的位置以及它們在時間上的發(fā)展，我們引入了第三維度。然后，粒子不是在這個擴展描述中有一個位置，而是有一條“世界線”。隨著時間的推移，每個時間都有一個位置；追蹤這些位置，我們就能得到世界線。當你有幾個粒子時，你就有幾個世界線，它們會互相纏繞在一起。這就是關(guān)于時空方面的。這些線或者發(fā)絲存在于三維空間中，二加一，相互纏繞。

哦，用頭發(fā)編織作類比，我理解了。

好的，如果我們有三加一的維度，你可以用一種簡單的方法解開頭發(fā)，而不需要把它們撕開。你可以把這些線互相傳遞，但這樣你什么都解不開。讓我們用第四維度來描述溫度，當我們加熱其中一股時，它就會出現(xiàn)在額外維度的另一個地方。所以現(xiàn)在它可以穿過之前被阻塞的股線。有了這個額外的維度，你可以解開任何東西。

所以，在三維加一維或四維空間中，不存在結(jié)，都可以被解開。但是，在二加一維中就不行了。所以，如果你用兩個空間維度和一個時間維度描述量子力學系統(tǒng)，那么世界線可能會糾纏在一起，形成結(jié)。

弗蘭克·維爾切克說他總是通過觀看泰勒·格倫在電視上的教學視頻來學習新事物，最近一次是在YouTube上學習如何變戲法

那么，就是這種解開的能力給了任意子記憶？

更準確地說，可能發(fā)生的是：這些世界線的糾纏印在描述這個系統(tǒng)的量子力學波函數(shù)中?；久枋霾皇强臻g的粒子（這是經(jīng)典描述）而是這些事物的波函數(shù)。這是理論上的發(fā)現(xiàn)——在某些情況下，世界線的糾纏直接印在波函數(shù)上，所以，你可以得到關(guān)于世界線是如何糾纏在一起的編碼信息。所以，粒子在這個意義上存在記憶，它們?nèi)绾渭m纏的記憶。這就是粒子具有簡單記憶的精確概念結(jié)構(gòu)，它們把過去讀進波函數(shù)。

接下來的想法就是，加密的這種記憶可以用在量子計算機上？

在某些情況下，這是一個容量非常大的記憶。但到目前為止，唯一被構(gòu)造的記憶是非常有限的記憶。對于迄今為止所觀察到的那種任意子，唯一被編碼的是它們纏繞在一起的次數(shù)。所以我們展示的是一個原始版本。使它們變得有用那是未來的工作。

好吧，說我理解了任意子，那是在撒謊，但我比以前更明白了一點。

在你明白之前，不要堅持認為你什么都懂，這真的很重要。這對拓展你的思維非常重要。我經(jīng)常這樣做。我在學習探索我完全不懂的東西。

哪些是你不懂的？

嗯，我想把我比《科學美國人》稍多一點的機器學習的知識提升到專業(yè)水平。

這似乎是一個適時的追求。

是的，沒錯。我讀過一些東西，但現(xiàn)在我正在以互動的方式練習編程和網(wǎng)上查詢。同樣，我一直在學習雜耍，我真的很喜歡職業(yè)雜耍演員泰勒·格倫（Taylor Glenn）。她非常有魅力和激情，她有大量不同種類和水平的雜耍視頻。不過，這是一種消遣。

消遣是有好處的。

泰勒·格倫說的一句話深深印在我的腦海里，人們認為雜耍就是扔和抓，但雜耍其實就是掉東西并撿起來。

這是非常深刻的。

是的，是的。

我總是和我數(shù)學不太好的那個孩子討論犯錯誤這種事情。有時人反而能從錯誤中學到更多。

哦，那可能是我最著名的一句話。你可以在網(wǎng)上找到這樣一句話：“如果你不犯錯誤，說明你沒有致力于研究難的問題，而這是很大的錯誤?！?/p>

這是了不起的一句話。下次我們糾結(jié)于分數(shù)的時候我會告訴他。我曾讀到華裔物理學家吳健雄的文章，她曾參與曼哈頓工程。據(jù)我所知，她不信教。但當我們談?wù)撃愕奶熘鹘绦叛鰰r我會想起這個。她告訴她的傳記作者，在她著名的宇稱不守恒實驗之后的兩個星期里，她一直睡不著覺，她想知道為什么上帝選擇她來揭示這個秘密。

哇哦。

是的，是的，我對科學的這個啟示時刻很感興趣，也對其與藝術(shù)的類似時刻是多么不同感興趣。當你第一次想到“漸近自由”現(xiàn)象（你和他人共同發(fā)現(xiàn)的量子行為，因此獲得諾貝爾獎）或任意子或其他東西時，我想知道你是否有這種感覺，為什么是我？

真沒有。這聽起來很不謙遜，但我在學術(shù)上取得了一個又一個的成功。當我第一次去普林斯頓讀研究生時，我遇到了一些危機。但是除此之外，我一切都很順利。當然也有過枯燥的時期，但我從來沒有對自己能做出成就感到驚訝。

也許是因為你一直都能做到。

我的大部分工作都是高度理論化的，所以我會寫方程，用圖片和動作進行概念性思考；而處理這些事情的實驗是在完全不同的宇宙中。這可能是最接近你所說的情況。當我在做漸近自由的基礎(chǔ)工作時，這不是關(guān)于世界的既定事實。沒有人見過膠子，也沒有人證實過任何重要的預言。但它很有道理，嚴肅的人會很認真對待它并進行大量討論，所以這是非常令人興奮和鼓舞的。我參觀了布魯克海文實驗室，一個有加速器的國家實驗室。

宇宙加速器還是交替梯度同步加速器（AGS）？

是AGS。那是在20世紀70年代早期，當時可是一件大儀器，不能用現(xiàn)代加速器的標準來衡量它。那是和飛機庫差不多的大小，到處都是機器和電線。我當時在走廊里看著它，突然意識到他們要在這里檢查我們的計算，而這些計算是我寫的。這里就是這些計算進行測試的地方。所以這可能是我最接近那種感覺的時候：這怎么發(fā)生會在我身上的？我怎么會成為信使？

這就像你是一個小說家，然后有人說，“我在實驗室里創(chuàng)造了你書里的人物，現(xiàn)在我們要把他們放在一個房間里，看看他們是否會做你書里所說的事情”。真可怕。

差不多吧，是的。

你曾寫道，現(xiàn)代量子力學的方程與音樂的方程有著不可思議的相似之處。你演奏樂器嗎？

哦，是的，我一直演奏。我兒時想要一架鋼琴，但我們的住處太小，我們也買不起。我會拉手風琴，我很擅長這個。后來，當我上高中的時候，我會打鼓，我們有一個小樂隊。但后來我上了大學，我作為成年人學了鋼琴，并達到了一定的水平。但那時已經(jīng)太遲了，沒法真的學好。但我?guī)缀趺刻於紩?，我還自學了不少古典音樂。我幻想著有一天能開始學爵士樂，但這在日程上已經(jīng)排得很靠后了，是你永遠也做不到的部分。

互補的思想對你的工作很重要。你把它定義為“當從不同的角度思考時，事物似乎有著非常不同甚至矛盾性質(zhì)的概念”。我的印象是，這不僅僅是你思考物理的一種方式。例如，它似乎讓你對氣候變化比一般的氣候科學家更樂觀？

我很樂觀，因為人類經(jīng)歷了很多不好的時期。比如黑死病、羅馬的淪陷等等。我想人類會挺過去，也許不是百分之百的概率，但也許有百分之七十的概率，我們將逃脫氣候變化、核戰(zhàn)爭和其他最糟糕的末日情景。遙遠的未來將是美好的，但可能會有非常艱難的中間時期。在我們知道我們應(yīng)該做什么的意義上，氣候變化是悲劇性的。人們可以爭論細節(jié)，但我們可以以相當合理的成本制定保障政策，這樣就不會有非常糟糕的結(jié)果。

你說的是碳捕獲技術(shù)形式的保障政策，還是別的什么？

我說的是對可持續(xù)能源的更多投資。我們必須研究核聚變，我們必須使用安全的核能。我不想這么說，但我們必須研究地球工程學。我們必須研究緩解、補救和應(yīng)對策略。但真正讓我擔心的是，做這些事情的政治意愿似乎并不存在。這有一個深層次的原因，那就是存在非常有權(quán)的人，他們的權(quán)力和財富來自他們控制的礦產(chǎn)和地質(zhì)資源的價值。他們會盡最大努力阻止替代能源。

我要問的最后一件事是你的閱讀樂趣。你最近讀過什么特別喜歡的書嗎？

哦，是的，我讀了一本很好的書：《愛欲與哀矜》（Lost andWanted）。

真的嗎？

我真的很感激你在185頁上寫的東西。有兩段我特別喜歡，一段寫在……

對不起，我得打斷一下。你有照相式記憶嗎？你怎么記得185頁上有什么東西？

哦，因為我做了標記。真正打動我的東西不多，所以我想記住。一個是在177頁，你談到了物理學家是如何從陌生的家庭、無知的父母中走出來的。這真的引起了我的共鳴，因為這很好地描述了我的家庭。然后，在185頁你在做數(shù)學和做運動的樂趣之間做了一個很好的類比。你必須做一些本身不一定有趣的事情，但你知道會有回報。你必須在數(shù)學上投資。讓人們知道這項投資有回報是非常重要的。

嗯，我真的很欣賞《基本原理》。我希望有人在我高三的時候把這本書給我，當我對我的數(shù)學老師說“我想退出”的時候，我希望她會說，“只要讀這本關(guān)于物理的書，你就會明白為什么你不應(yīng)該退出”。

這就是我寫這些書的原因，尤其是這本最新的。我想向人們保證，彩虹的盡頭有一罐金子。如果你投入越多，你就可以做得更多。

資料來源Nautilus