美是物理学的秘密武器

W公司当我们看到美的时候，我们就能认出它，对吧？米开朗基罗的大卫马丘比丘，海洋日出。我们能对宇宙本身说同样的话吗？麻省理工学院物理学教授弗兰克·威尔切克认为我们可以。而且应该如此。在他的新书中一个美丽的问题：寻找大自然的深层设计Wilczek为数学的优雅性和自然规律的连贯性提出了自己的观点。

威尔茨克因与大卫·格罗斯和H.大卫·波利策共同发现了支配物理学基本力量之一的方程式而获得2004年诺贝尔物理学奖，强相互作用将夸克和胶子结合在一起，并产生质子和中子。他们对“渐近自由”的发现表明，随着夸克之间的距离越来越近，它们之间的电荷越来越弱。

我喜欢它的怪诞和奇怪，也喜欢它是世界实际运作的方式。

威尔茨克的专长是量子理论，但他的工作在宇宙学中的影响是显而易见的——在黑洞、暗物质的研究中，以及一些东西如何从无到有的古老谜团中。现年64岁的他从年轻的数学学生开始就一直在寻找自然设计。“我喜欢玩模式并思考这种抽象，”他说。“我对数学逻辑非常感兴趣，这是哲学的一个分支，也对大脑如何工作的理论非常感兴趣。我学习了一些神经生物学和计算机科学，试图找出抽象模式如何映射到大脑的工作中。”

你说大自然的设计中有美。这似乎是一个美学问题。这是一个科学问题吗？

这是一个科学问题。我要解决的确切问题是，这个世界是否包含了美丽的思想。这是一个关于世界和美丽的问题。众所周知，美是主观的，有多种形式，但艺术和哲学中有一个历史记录，人们可以参考它来了解人们在客观上发现了什么是美。我们可以咨询科学，比较从自然基本规律中产生的概念是否与人们发现的美有共同之处。

世界是否美丽对科学家来说重要吗？

我不认为科学与其他生活隔绝。所以，是的，世界是否美丽对我来说很重要。对于物理学家、工程师和设计师来说，这也是一个实际问题。在物理学的前沿，我们处理的是非常小、非常大和非常奇怪的领域。日常经验并不是一个很好的指南，实验可能会很困难，也很昂贵。因此，直觉的来源并不是来自日常经验或大量事实的积累，而是来自对如何使自然法则更加内在一致和和谐的感觉。我的工作一直以努力使法律更加美丽为指导。

什么是美丽的法律？

有两件事是人们认为美丽的定律和方程式的共同特征。一种是我所说的活力或生产力，你得到的比投入的多。你通过收集线索并进行猜测，找到一些方程式或定律，然后你可以解释其他七件事，你就知道自己走上了正确的道路。你得到的比投入的多。对称性在自然界的基本定律中尤为突出。正如人们通常使用的那样，对称有点模糊，但在某种程度上意味着和谐和美丽。科学上的使用更为精确，并且取得了极大的成果。这是没有变化的变化。你可以改变物理对象或改变法律，但这些都不会改变它们。一个圆是对称的，因为你可以围绕它的中心旋转任意角度，但这个圆作为一个整体是不变的。大多数形状，如三角形，如果旋转它们，看起来会不同。

那么，如果你深入到宇宙最深处的结构——物理定律——你是说存在着深刻的对称性吗？

对。以法律是永恒的这一事实为例。这听起来不像对称，但这是因为定律不会随着宇宙年龄的增长而改变。所以我们有一个没有改变的改变。

假设宇宙中没有美丽的思想或优雅的数学结构。如果自然法则充满不对称或不完美，我们还能想象吗？

我一直在思考这个问题，有一个想法实验让我感到非常满意。随着计算机的进步和人工智能的进步，你可以按照以下思路进行看似合理的思维实验矩阵智能体现在计算机中，它所认为的世界实际上是经过编程的。

所以我们只是生活在计算机模拟中？

让我们想象一下自己身处《超级马里奥的世界》。物理定律看起来不会特别漂亮。它们会随着时间和地点的变化而变化。他们会有一种奇怪的想法，这种想法在逻辑上是一致的，但与我们的世界的运作方式截然不同，因为在我们的世界中，法律不会在时间或地点上发生变化，并且具有某种再现性。一旦你理解了小的部分，你就可以通过演绎来理解大的部分是如何工作的，而在一个编程的世界里，这只是程序员的突发奇想。它不一定要有意义或漂亮。所以我认为法律之美在逻辑上没有任何必要。当然，如果它们不漂亮的话，可能会更难发现，所以对我来说，法律的可理解性比它们的美丽更神秘。它不一定是那样的，但确实如此。

我不认为任何被接受的宗教都与我对物质世界的发现不谋而合。

美对爱因斯坦和其他现代物理学的创始人来说重要吗？

当然，尽管他们并不总是明确地考虑它。爱因斯坦和（詹姆斯·克拉克）麦克斯韦（James Clerk）回到纽顿（Newton）时，都有将问题分解为小部分的本能，认为它们是可以理解的，然后你可以构建出更复杂的东西，使其具有这种活力。爱因斯坦是将自然美的第二个方面提升到新高度的决定性人物。相对论在很大程度上是一成不变的。你可以从一个移动的平台上看世界，不同的东西冲着你或远离你，看起来会大不相同，但同样的规律也适用于静止的框架。这就是相对论的本质。你改变了事物的外观，但法律仍然有效。

爱因斯坦不喜欢量子纠缠的概念，即两个粒子在宇宙的相对面上相互作用。这违反了他的美感吗？

法律总是会导致同样的后果，这违反了他的决定论意识。众所周知，他曾说过精神错乱就是反复做同一件事，期待不同的结果。然而，这正是量子力学的工作方式。所以他不喜欢。但父母并不总是赞成他们孩子的成长方式。量子力学是一个框架，它本身似乎并不体现对称性，尽管在更深层次上我认为它可能体现对称性。如果你建立符合其原理的方程，那么量子力学就是一个很好的平台。这些方程可以支持巨大的变化，而不会改变经典物理学中的任何东西，它们真正描述了世界。

我们无法预测一个特定粒子在量子水平上会做什么。这些困扰爱因斯坦的不规则现象也困扰着你吗？

不，我喜欢它。我喜欢它的怪诞和奇怪，以及它是世界实际运作的方式。

这没有违反你的秩序感吗？

你知道，这很深刻。在量子力学中，对现实的主要描述是所谓的波函数，波函数的方程实际上是确定性的。它们是完全确定的方程。如果你一次知道波函数，你可以毫无歧义地预测下一次的波函数。问题是，通过实验不可能知道波函数是什么。因此，深部结构是确定的，但从我们在宇宙中的位置来看，这不是我们可以确定的。从操作上来说，这意味着事情看起来不可预测。大量实验数据和经验直接证实了量子力学的这一方面。基本上，所有现代粒子加速器都是基于一次又一次地做同一件事：以完全相同的能量和完全相同的配置将电子和反电子撞击在一起。但会出现不同的情况。你做了数十亿次，每次都会有不同的事情发生。所以这不是意见问题。

人类真的揭示了宇宙的深层结构吗？或者，考虑到我们大脑的工作方式和我们看待世界的方式，这只是我们对现实的看法吗？

好吧，物理起作用了。在设计iPhone、大型强子对撞机或冥王星任务时，如果没有对世界进行非常详细的描述，就无法完成。所以这不是幻想。然而，可能有不同的方式来组织你的想法。对于从智能蜘蛛进化而来的生物来说，有些事情似乎是显而易见的，而我们对这些智能蜘蛛似乎没有那么直观。因此，这些定律的书写方式在重要细节上可能会有所不同，但我认为结果是不可商量的。世界就是这样。

你有一个迷人的思维实验。如果狗或鸟有高级抽象推理，他们会擅长物理吗？

我认为鸟很好，但狗不太好。狗的世界主要基于嗅觉。当然，化学感官可以支持丰富的生活交流和美食欣赏。你闻到玛德琳的味道，就会想起过去。但是，即使你很聪明，有丰富的社交生活，也很难从嗅觉到牛顿运动定律和力学。人类主要是视觉动物，所以我们有强大的方法来理解物体如何在空间中运动。我们很幸运能看到行星。这给了我们一个了解天文学和引力的好机会。

那么鸟类有什么特别之处呢？

鸟类会拥有所有这些，甚至更多。我们的经验主要是地球上的摩擦力和重力，这在历史上给理解惯性是什么带来了很大的问题。但鸟类只是拍动翅膀一会儿，然后停下来滑行，所以它们知道惯性。他们也会有一种直观的相对性——如果你以恒定速度运动，定律不会改变。他们每天都有这样的经历。因此，如果鸟类变得聪明，我认为它们在物理学上的进步会比人类更快。蜘蛛也会有不同的观点。它们通过触觉和网的振动进行交流。他们将很好地进入场论和电学领域。

物理定律适用于大脑，所以你不应该寻找灵魂或非物质的东西。

理论物理学家面临的一个危险是，你可能会被方程式的美丽所吸引，以及所有东西是如何组合在一起的，以至于你与物理世界脱节了。你仍然需要实证测试来证明这种潜在结构。这对你来说是职业危害吗？

绝对是。伟大的物理学家理查德·费曼喜欢说你有想象力，但这是穿着紧身衣的想象力。对我来说，当你的想法表明你可以检查的实验结果时，它假设了不同的兴趣水平。

如果没有统一物理定律的“万物理论”怎么办？你认为自然是一种美的作品，这给你的论点留下了什么？

这个论点仍然是正确的。我们已经知道有美丽的定律可以解释物质的大部分工作方式。只是我们还没有弄清楚。很难夸大这些定律的对称性、成果性和创造性。这是一份很棒的礼物。但我们并不满意，因为有一些恼人的小瑕疵，比如在故事《生日标记》中，有一些小小的瑕疵困扰着她的追求者。因此，我们正试图找到新的现象，使我们具有更多的对称性，并使方程更加优美。但最终的结论是实验性的。

作为一名科学家，你似乎有点不寻常。你显然喜欢探索这些伟大的想法。你想过成为哲学家而不是物理学家吗？

当然可以。当我还是一个青少年时，我的英雄一方面是爱因斯坦，另一方面是伯特兰·罗素。我喜欢阅读哲学和思考这些问题。

在过去几年里，一些知名的物理学家，包括史蒂芬·霍金、劳伦斯·克劳斯和尼尔·德格拉斯·泰森，对哲学家发表了贬低的评论，基本上说他们对现实科学世界没有什么价值。你如何看待同事对哲学的这些攻击？

我认为这表明了人们缺乏想象力，也缺乏对哲学本质的认识。除了物理定律和物理现象之外，还有很多关于世界的东西。数百年来，人们一直在努力解决这些问题并完善这些概念。把它写下来是不明智的，也有点愚蠢。正如爱因斯坦所做的那样，我从哲学文献中获得了巨大的灵感，从与大卫·休谟、恩斯特·马赫或伯特兰·罗素的斗争中获得了灵感。

哲学家们不只是想知道一切是如何结合在一起的。他们问宇宙是否有意义。这个问题能引起你的共鸣吗？

是的，当然。我非常关心这一切意味着什么。这就是我做很多事情的动力。

那么这意味着什么？

我认为这不是一个正确的问题，因为我不确定答案会是什么样子。我很高兴能提出这个问题的另一个不同版本，这个问题可以用一种富有成果的方式来解决：世界是否体现了美丽的思想？你可以通过观察人们在了解物理定律之前对美的想法的历史，然后将其与我们实际发现的相比较，从一个启发性的角度来看这个问题。你可以对艺术和科学有一个丰富的视角。

如果有人需要一个更深层次的价值体系来支持，你是说美是一个寻找美的好地方吗？

对。有些人从不同宗教的教条中获得快乐和理解，这是组织生活的一种方式。我认为这是不可能的，因为我认为任何一种被接受的宗教都不能公正地反映我对物质世界的发现。虽然许多细节都是错误的，但这并不是说他们错了，但他们只是没有公正地看待科学发现的关于宇宙有多大、有多古老、有多少微小的事物构成了我们生活中所经历的大事的深刻惊喜。这意味着我们有责任去理解和理解它的含义。对我来说，美丽是一个重大发现，它深入了解了一切的意义。这是一个巨大的快乐来源。

对于科学和宗教来说，最深刻的问题之一是起源问题。宇宙是如何开始的，或者它甚至有一个开始吗？什么是从无到有的？劳伦斯·克劳斯声称这并不是那么神秘。他说，在量子场论中，真空态是不稳定的，所以状态的出现和消失并不罕见。

事实上，我的朋友劳伦斯引用了我的作品。我不理解所有的含义，但方程不允许有什么稳定的解。虚无与自然基本定律的解决方案截然不同，因此，如果虚无是不允许的，那么这就是为什么存在而非无的解释。但我认为这并没有真正触及哲学家们提出的问题。

他们在问物理定律是从哪里来的。

确切地。方程式是从哪里来的？我们知道虚无不是一个正确的想法。根据我们所知道的法律，这是不可能的。

所以没有空的空间？

没错。认为空间是一个没有内在生命的空的、被动的容器的概念是完全错误的。在量子力学中，空间具有自发活动。这些被称为“虚拟粒子”。我获得诺贝尔奖的部分原因是研究虚拟粒子如何影响我们看到的真实粒子。

什么是虚拟粒子？

就好像我们生活在一个行星的表面上，这个行星的下面有很多活动，这些活动在表面上看不到，但会影响世界的方式。根据基本物理定律，电场和磁场都有自发活动。虚拟粒子产生的时间很短，然后就消失了，而我们的眼睛或仪器从来没有感觉到它。但它们在方程中，它们影响我们确实看到的、可以计算和检查的粒子的属性。因此，毫无疑问，我有时称之为“网格”的空间是活动的来源。这就是为什么它不是空的原因之一。它有生命。

因此，如果我们在寻找宇宙中最基本的东西，它不是粒子或物质。你说的是这个地方吗？

是的，空间本身有自己的生命。理解我们所感知的空白空间实际上是理解整个宇宙如何运作的关键。我喜欢和我的学生开玩笑，在牛顿力学中，关键是要解决一个物体如何围绕另一个物体运动的问题，就像地球围绕太阳运动一样。在量子力学中，关键问题是“没有人的问题”，这是一个空旷的空间。我们实际看到的粒子是一种在空旷空间结构之上的副现象。

我们一直在谈论将非物质世界与物质调和起来的困难，而最大的谜团可能是“大脑问题”——我们大脑的非物质世界是如何从我们大脑中的三磅粘性物质中产生的。这是物理学的问题，还是我们应该把它留给神经科学家？

物理定律适用于大脑，所以除了组成大脑的粒子外，你不应该寻找灵魂或其他非物质。一个很好的工作假设是，大脑就像一台计算机，而难题是要理解遵守物理定律的物理对象如何进行计算并产生思维。然后还有一个更具技术性的问题，即我们使用物理学描述物理宇宙中物体的方式是否可以用来解释大脑的工作方式——无论对称性、材料科学和导电的想法对神经生物学是否重要。我认为答案很可能是肯定的。大脑的部分非常规则和对称。小脑非常有结构。神经网络是另一个我觉得非常有趣的发展。人工神经网络是大脑中神经系统的理想化，但它们使用的是物理人可以识别的计算法则。事实上，物理学家发明了很多这些技术，因为它们看起来像控制电路的方程。所以我认为物理学可以为神经生物学提供很多东西。

你认为科学会解决我们如何从物质中获取精神世界的根本问题吗？

是的，我知道。我该怎么说？我想我们可能已经完成了90%的路程。

你是个乐观主义者！

不，我想我只是在正确地解释事情。不久前，一和零的模式可以编码你的计算方式，这似乎很神秘；例如，你怎么下棋。但现在我们可以设计一个系统，它可以处理1和0，这非常类似于思考。你越来越多地与Siri等系统进行有意义的交互，这些系统只是在处理1和0的模式。这些1和0体现在物理对象中，也就是晶体管中，所以这很接近于说思想体现在物理物体中。这些是我们设计的具体物体。

史蒂夫·保尔森（Steve Paulson）是威斯康星州公共电台（Wisconsin Public Radio）全国联合节目《尽我们所知》（To the Best of Our Knowledge）的执行制片人。他是原子与伊甸园：宗教与科学对话。你可以订阅TTBOOK的播客在这里.

*正如最初发布的那样，这张图片被错误地记入贷方。