《環(huán)球科學》記者 | 方行葦

2017年9月初，麻省理工學院物理學教授、2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）蒞臨上海，在中國進行為期一個月的訪問和學術交流。他所下榻的、位于上海交通大學閔行校區(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，和緩緩流動的河水。維爾切克可以在這樣一個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年間物理學發(fā)生的深刻變化。

僅僅一個多世紀前，科學家曾經(jīng)認為物理學大廈已近搭建完成。但隨后的一些重大發(fā)現(xiàn)使得物理學進入了一片混亂。在后面的幾十年時間中，物理學家做出了非常杰出的工作，一個成熟、完整且?guī)缀踹m用于所有領域的模型（即標準模型）被建立起來。這個模型的正確性在接下來幾十年中不斷得到驗證。這部物理學史詩中，維爾切克是其中一個重要章節(jié)的主角。1973年，22歲的維爾切克和導師戴維·格羅斯（David Gross）發(fā)現(xiàn)，當兩個夸克（組成物質(zhì)的最基本單元）間的距離足夠小時，它們之間的作用力會變得非常弱，這與大家的常識完全相反。維爾切克給這種現(xiàn)象起了一個名字——“漸進自由”。后來，他又把幾個概念，例如軸子、任意子、時間晶體等，引入物理學，幫助大家理解那些晦澀而精妙的理論。

現(xiàn)代物理學前沿的研究工作通常是和復雜的概念、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雜的概念。他的信心之一來自哲學，因為他總可以從柏拉圖、亞里士多德和羅素等哲學家的著作中獲得靈感，去思考那些最重要的科學問題。

另外一個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建復雜的系統(tǒng)。他認為這是物理學之所以達到今天這樣興盛狀態(tài)的重要原因。同時，維爾切克也和那些偉大的科學家一樣相信美，他認為美對科學的發(fā)展具有無法低估的價值。在南蘇園的房間里，他和《環(huán)球科學》記者談起了物理學的美和未來。

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獎，圖為維爾切克出席諾貝爾獎的新聞發(fā)布會。

《環(huán)球科學》：美是科學家們屢屢提及的一個詞匯。很多科學家在談到本學科時都會提到美，他們會說科學是美的，物理學家當然也是如此。所以，我們非常想知道的是，物理學和美之間究竟是怎樣的關系？美在物理學家的工作中究竟扮演著什么角色？

維爾切克：我知道很多物理學家都曾經(jīng)談論美。但我想說的是，美并不是科學中最重要的問題，科學中最重要的問題是對事物進行準確描述，而我們通常所說的美和這種描述似乎沒有直接的關系。只不過，我們在探索世界的過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，美是很多學科共同表現(xiàn)出的特點。確實，科學中的很多發(fā)現(xiàn)都是美的。所以，美這個特點有助于我們進一步地了解科學和這個世界。

當然，盡管科學家和藝術家都經(jīng)常談論對稱與和諧，但我們談論的科學的美和藝術家們通常所說的美還是存在很大不同，畢竟我們關心的更多是抽象的結構，這與藝術家是不同的。例如，在物理學中，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行，也描述了最微觀層面上的原子運動。這件事情體現(xiàn)出了兩種非常深奧的美。其中之一是高度的對稱性，只有這樣才能用非常少的幾個方程描述這個無比復雜的世界，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復雜的世界展現(xiàn)出來，就像打開一個魔法盒子一樣，這也是非常美的事情。

我需要強調(diào)一下，我們說物理很美，因為它是建設性的。你從一個很小的點出發(fā)去構建一個復雜的結構，用幾個簡單的公式去還原一個龐雜的世界，并且推動一系列偉大的想法變成現(xiàn)實，這本身是非常偉大的事情，當然也就是很美的一件事情。

我們可以舉一個物理學之外的例子來說明這一點，這個例子就是分形。分形這個結構非常復雜，也非常美麗，但其實它可以用非常簡單的幾個方程來描述。換個角度看，我們竟然能用那么簡單的描述來制造這么復雜而美麗的圖形，這本身難道不是一件夢幻的事情嗎？

《環(huán)球科學》：物理學這么難的學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，贏得諾貝爾獎的工作甚至可以追溯到你22歲在普林斯頓大學讀研究生的時光，而較早在一個領域獲得成功顯然可以激發(fā)出科學家對這門學科的興趣?？蓪τ诂F(xiàn)在的不少年輕人說，物理學就不那么令人心曠神怡了，選擇物理專業(yè)的中國學生的人數(shù)在減少。那么，年輕人怎樣做才能發(fā)現(xiàn)這種美并進而愛上這個學科呢？

維爾切克：年輕科學家在成長中不可避免地要經(jīng)歷這樣一個過程。這個過程就像我們在物理學中常常提到的相變，他們在這個過程中要經(jīng)歷心理上的長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，他們才能實現(xiàn)從吸收知識到創(chuàng)造知識的轉(zhuǎn)變。

很多學生在學習過程中有一個誤解，認為學習就是吸收知識。他們沒有意識到吸收知識其實是為了創(chuàng)造知識。我們應該鼓勵年輕人們?nèi)?chuàng)造知識和解決難題。為了這個目標，他們需要不斷地犯錯誤、不斷在錯誤中學習，只有這樣才能加深對一個學科的理解。這對科學家的成長是非常重要的。

年輕人必須意識到，如果他們真的希望推動科學的發(fā)展，他們就一定會犯下數(shù)不清的錯誤。除此之外，他們還應該盡早對一個學科形成整體認識，這種認識應該有助于他們了解自身想從這個學科的學習中收獲什么。要做到這一點，你就必須有廣泛的涉獵，你需要了解音樂、藝術。

做物理的人要多學習數(shù)學，不把自己局限在一個狹小的領域才能有更大的收獲。這個過程很難，沒有人可以輕松完成思維方式和對學習價值在認知上的轉(zhuǎn)變，我也是。

《環(huán)球科學》：你也是？

維爾切克：當然。當年我從芝加哥大學畢業(yè)后，去普林斯頓大學攻讀研究生，我當時對基礎數(shù)學研究興趣不大，而是希望可以用數(shù)學去解決實際問題。所以，在普林斯頓的最初一段時間，我非常困惑，我不知道未來會怎樣，我一個接一個地聽講座，其中包括化學、生物學、計算機科學，當然也有物理學。我一直想知道哪些領域是自己感興趣的。我強烈地感覺到自己就像離開水的魚，努力掙扎但其實是在浪費時間，因為我的所有學習都是消極的。

后來，我才認識到，這是一個人從吸收知識到輸出知識的必經(jīng)階段。幸運的是，當時正值物理學飛速發(fā)展的關口，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間，促進了我的成長。而且，我正是在那段時間遇到了我的太太，所以也不是虛度光陰。

我最喜歡的文學人物是奧德賽和怪人約翰。我一直很希望能體驗他們那樣的生活，當然物理學家們的冒險只能表現(xiàn)在思想上。其實，奧德賽的經(jīng)歷非常像一個小孩子成長為一個大人的過程。在這個過程中，他需要自己實現(xiàn)雙腳站立，需要自己走出家園，需要自己迎接挑戰(zhàn)，需要自己去遠方冒險。作為科學家來說，我們也都經(jīng)歷這樣的階段，要不斷冒險，不斷成長。

維爾切克也非常熱衷于科學傳播，他寫過書，也經(jīng)常為媒體撰寫專欄，還會舉辦一些科普講座。這張圖片，就是他在麻省理工學院為公眾舉辦講座，介紹宇宙學研究的場景。

《環(huán)球科學》：盡管看起來確實沒什么直接意義，但廣泛涉獵確實有助于科學家的成長，因為這可以在很多方面給科學家?guī)韱⒌?。很有意思的一點是，很多科學家都喜歡哲學。我知道一本你最喜歡的書是羅素的《西方哲學史》。那么，哲學對于科學家成長的意義究竟表現(xiàn)在哪里？

維爾切克：閱讀哲學最重要的意義是，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世界，這真是一件非常神奇的事情。

我們都知道，有的哲學家非常擅長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世界，他們充滿好奇也充滿質(zhì)疑，不輕易接受任何觀點，始終保持著思維的獨立和睿智；還有的哲學家具備天才的想象力，他們可以在兩個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，讀他們的文章確實讓人心曠神怡。

我最近也在學習中國古老的哲學。我知道，“道”這個字在中國哲學中占據(jù)著重要的地位。要理解“道”和獲得“道”，你就不能只是從一個方向上去理解這個世界或認識自己，你必須從不同方面、不同高度觀察和思考這個世界以及我們自己。

這其實是非常深刻的道理，它有助于科學家的成長，因為它可以讓我們從不同角度看問題，幫助我們自動過濾膚淺的見識，促進我們從更深層次上思考世界，質(zhì)疑那些司空見慣的結論，同時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，我們這個世界的運行方式都與我們通過日常生活獲得的認知和經(jīng)驗非常不同。

《環(huán)球科學》：成功的科學研究既需要宏觀的思考，也需要細致入微的觀察，兩者其實缺一不可。如果說學習哲學有助于前者的能力形成，那么后者又可以通過怎樣的訓練來獲得和提升？

維爾切克：我心目中的英雄——物理學家費曼曾經(jīng)說過，物理學需要非常強大的想象力，但這種想象是受到束縛的想象。這個束縛就是學科的規(guī)律。物理學發(fā)展到今天已經(jīng)積累了太多的知識，這些知識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。對學科細致的觀察就需要持續(xù)跟蹤這個學科的發(fā)展，了解這個學科面臨的最重要的前沿問題。

例如，在當今的物理學領域，一個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；另外一個重要的前沿問題則涉及技術，量子理論指出，我們可以設計出性能更為強大的計算機——量子計算機，但實際上我們還不知道怎么能把這個想法變成現(xiàn)實。對于目前這代物理學家來說，這些都是巨大的挑戰(zhàn)。

《環(huán)球科學》：你提到了技術問題，這很有意思。事實上我們正身處一個技術進步日新月異的時代。我記得幾年前，你在一篇文章中也提到，最近這些年來，科學的發(fā)展似乎在減速，而技術的發(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)物理學基本規(guī)律的研究進展確實在減慢。這就是大家所說的科學在減速。這個現(xiàn)象出現(xiàn)的一個很重要原因在于物理學家之前的工作太成功了。由標準模型和廣義相對論組成的框架實在太成功。前幾年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標準模型的核心部分，我們這個理論在那之后就進一步完備了。這個理論不只可以解釋目前為止出現(xiàn)的幾乎所有現(xiàn)象，更重要的是它對化學、生物學等等很多學科的快速發(fā)展也足夠用了。如果你想在這個框架的基礎上發(fā)展它而不破壞它，那真是非常非常難的事情。

過去這些年，物理學領域其實也出現(xiàn)了很多新進展，例如量子霍爾效應、拓撲絕緣體和時間晶體的提出，但這些發(fā)現(xiàn)也不是挑戰(zhàn)這個框架，而是幫助我們加深了對這個框架的理解。這些發(fā)現(xiàn)在豐富基礎理論的同時，也肯定會對未來的技術進步產(chǎn)生深遠的影響。但還是有一些問題我們不理解，例如天文學家在尋找的暗物質(zhì)，我們不理解這些物質(zhì)的質(zhì)量，我也希望物理學界可以在未來幾年在這個領域?qū)崿F(xiàn)一些突破，我感覺我們距離這個目標已經(jīng)很近了，也許很快就可以迎來突破。

當然，還在持續(xù)運行的LHC可能也可以為我們帶來一些令人振奮的新發(fā)現(xiàn)，從而推動物理學的發(fā)展。

《環(huán)球科學》：我們來聊一下備受期待的量子計算，我知道你也在這個領域投入精力，這也被公認為是未來很長一段時間中國際競爭的焦點。難么，我們多久可以看到這個目標變成現(xiàn)實？

維爾切克：現(xiàn)在的物理學界確實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算機，但這不可能一蹴而就。打個比方，如果我們把量子計算機的研制視為一場總里程為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，而且還是最簡單的兩三英里。隨著旅途不斷深入，技術進步會越來越困難，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算的應用，如果應用是指解決新材料研發(fā)或者解量子力學方程等特定領域的問題，我想我們不用等待很久，最近幾年也許就可以看到理想實現(xiàn)。

但如果應用是指像目前的個人計算機這樣的通用計算機，我想科學家和工程師們還有太長的路要走，至少要20年時間，我們才能看到通用量子計算機的出現(xiàn)?；蛘呔透镜炔坏竭@一天也不是不可能。

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