诺奖得主：为什么永远看不到单个夸克？ | 墨子沙龙

■ 导言

不正经采访第五期更新了！本期嘉宾：Frank Wilczek（弗兰克·维尔切克），2004年诺贝尔物理学奖获得者，美国麻省理工学院教授。他与David Gross（大卫·格罗斯）共同提出的夸克之间的相互作用随着距离的增加而变强的渐进自由理论，成为粒子物理学理论基石，并于2004年获得诺贝尔物理学奖。

采访者：

袁岚峰 | 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任

柏江竹 | 中国科学技术大学科技传播系博士研究生，《万物原理》中文译者

袁岚峰：请您向观众介绍一下自己以及您的研究领域。

维尔切克：我是弗兰克·维尔切克，一名理论物理学家，我已经在这个领域工作了很长时间。我从很年轻时就开始从事这项工作，并且一直以来兴趣广泛。同时，我也很喜欢将科学界对于物理学基本原理的研究成果传达给公众。除了在理论物理研究方面的本职工作外，我还喜欢玩玩杂耍，弹弹钢琴。尽管我把工作中的大部分精力都放在理论物理领域，但我对许多其他学科也充满兴趣，尤其是生物学。

袁岚峰：您获得诺贝尔奖的原因是发现强相互作用中的“渐近自由”，请问什么是渐近自由？

维尔切克：强相互作用是那种负责将原子核聚集在一起的相互作用，基本上属于核物理。在整个20世纪的科学探索历程中，我们逐渐发现原子核的基本成分并不是质子和中子，而是一些更加基本的粒子，我们称之为夸克和胶子。基本上我和大卫·格罗斯所做的工作就是弄清楚胶子是什么，以及它们之间如何相互作用。“渐近自由”是决定这一理论本质的关键属性，其细节之多令人惊叹。它的特点是，与除强相互作用之外的其他的基本力都不同，当物体靠近时，力会减弱。它使得许多理解、计算和实验能够被理解，所以渐近自由既是个很好用的工具，让我们从理论中推导出结论，同时也可以在研究早期就能大致感受到这个理论指向何方。（袁岚峰：在某种意义上，它就像一根橡皮筋，当你拉伸的时候可以感受到力随着距离的增加而增加，但是当你松开手……）是的，就像橡皮筋一样。事实上，它的主要特征就是不像光子那样彼此之间不存在相互作用。如果你有一个电场，它会扩张出去，你得到一个随着距离衰减的力；但对于胶子来说，它们却倾向于相互粘在一起。所以它们之间就形成了一条管道，胶子就像橡皮筋或者管子，如果你尝试着把它们拉开的话，会发现力并不变小。单个夸克不能孤立存在，因为这就相当于必须存在一条无限长的管子，而每个单位长度都要消耗一定的能量，因此你永远不可能拥有足够的能量来分离出单个夸克。

袁岚峰：除了渐近自由，您还提出了很多有趣的概念，比如轴子、任意子、时间晶体。您在2019年也访问过墨子沙龙，那时您谈到了几种奇特“新脑”，例如数字计算机、量子计算机以及人工神经网络。您是如何做到关心如此多领域的不同问题的？维尔切克：我只是好奇罢了。而且我思考得很快，也思考得很多，因此我可以思考很多事情。袁岚峰：对于一个物理学专业的学生，他/她应该像您一样研究很多问题，还是把精力集中在某个方向？维尔切克：两者都很重要。我认为，从长远来看，非常重要的一点在于，你需要广泛地了解外面有什么，机会在哪里，并且为之做好准备。但是为了取得实实在在的进步，你也必须选择某个具体的领域深耕细作。所以我认为，你应该持续观察，保持开阔的视野，同时也要确保你所探索的道路是有意义的。袁岚峰：如果在物理直觉和数学能力之间只能选择一种天赋，您会选择哪一个？维尔切克：绝对是物理直觉。历史上有很多了不起的物理学家，比如……（维尔切克和袁岚峰同时说：法拉第），跃入脑海，他做出了巨大的贡献，不只是对实验物理学，而且也对理论物理学，他改变了场的概念，引入了场究竟是什么。麦克斯韦同时具备这两方面的能力，因此他既有天马行空的想象力，又能写出最优美的方程。但即便是爱因斯坦，我也会说他更像是一个直觉敏锐的物理学家，而不是一个数学奇才。袁岚峰：和您的学生时代相比，现在的年轻科学家面临哪些新的挑战？您能给他们一些建议吗？维尔切克：我并不想纠结于技术性细节或是某类具体问题，但是有一个非常非常大而且广的问题，一直以来都让我感到极其有趣，甚至当我还在念书的时候，只是当时我们还没有准备好去解答它。现在，我觉得我们已经做好充足的准备来提出这个问题，意识是如何从物质中涌现的。我们现在已经有了一些理解的碎片，但是还完全没能把它们拼接起来。虽然我一直在思考有关意识如何从物质中涌现的问题，但更具体一点说，我思考的其实是，我们对于物质世界的经验怎样才能与量子理论保持一致。我们能在量子力学体系中找到什么看起来像意识的东西吗？（袁岚峰：确实，有些人认为量子纠缠在意识中起到至关重要的作用。）量子纠缠在所有事物中都起着至关重要的作用。量子力学中很少有不纠缠的东西，这个词现在都成为流行文化的一部分了，但它是一开始从量子力学中诞生的。有些人认为的量子纠缠在意识中起到至关重要的作用，这应该是一些推测性想法，即在大脑内部量子理论中的一些微妙的相关性是很重要的[1]。不过我认为这其实很牵强，因为量子力学中的大部分实验都需要孤立、真空、低温等严苛的条件，但是人类的大脑是个潮湿、松散、不那么冷的地方，因此对精细的量子过程非常不友好。到目前为止，我们在神经生物学中，几乎没有任何证据表明存在微妙的量子力学效应。可能在大脑的一些角角落落里面存在量子纠缠，但我不认为这会是主旋律。所以我认为，从量子计算机中涌现的意识将会与人类的意识具有非常不同的能力。[1]袁岚峰注释：这里指的是类似Matthew Fisher的理论，在神经细胞的微管中存在量子纠缠。

袁岚峰：您在Twitter（推特，现已正式更名为“X”）上开设了个人账号，并且拥有两万七千多个粉丝，您喜欢和网友交流吗？

维尔切克：我之前在Twitter上享受过几年愉快的时光，尽管我最近在Twitter上不是很活跃，但我确实挺喜欢用。只不过在推特的字数限制之下进行交流总是让人感觉很别扭，因为我很难通过短短几句话去传达复杂的信息，所以我现在主要将推特用于宣传其他地方的写作，例如书籍和文章[2]。

[2]袁岚峰注释：这里的文章不见得是学术论文，还可能是科普文章，维尔切克近年来写了大量的短篇科普文章，蔻享学术还专门给他开了个专栏。

袁岚峰：现在网络上有很多反科学的言论，比如反对疫苗、否认全球变暖、否认阿波罗计划登月，我们对此能做些什么？

维尔切克：或许直接忽略他们是个不错的办法。当然，其中一些反科学言论会造成严重的后果，尤其是否认气候变化以及否认疫苗。但是，能怎么办呢？我觉得，你大可以为真相发声。（袁岚峰：我做过很多尝试，但我说服不了他们。）没错，这个问题相当棘手。理解物理已经够难了，理解人要更复杂得多，不是吗？

柏江竹：您在《万物原理》一书中揭示了十项深刻的洞见，其中对您影响最深刻的一项是什么？

维尔切克：对我而言，最后一章阐述的互补性是最重要的，它在某种意义上把所有内容串联到一起，让我们从抽象的科学中学到东西，让我们理解物质世界。我认为互补性使我们能够思考那些人们一般认为属于哲学甚至是神学领域的问题，例如世界的意义何在。当你理解互补性并且能够把它跟这样的观点联系起来，即你可以在处理一个问题时有几种不同的、有效的思路，事实上，这样做是必要的，这就是互补性的本质。我认为它确实能给我们带来智慧。

柏江竹：《万物原理》后记的题目是“万般最远途，唯有归家路”，这是一部老电影《归途路迢迢》的标题，用在这里也很合适。请问您这里的“家”究竟有何含义？是指物质是思想的归宿，还是其他的暗喻？

维尔切克：我想表达的是，从对这个世界最基本的理解出发去思考问题，我们会思考比我们日常生活中用的要大得多、小得多或者奇怪得多的事物，我们在这个过程中学到的东西，又可以应用到我们的生活中。因此当我们回到家，会发现家变大了，我们也理解了更多。但是到最后，这里依然是我们的家，只是我们再回到这里，发现它在某种意义上变大了。

柏江竹：方便透露一下您的下一部科普作品会是什么吗？

维尔切克：我现在正在撰写一本书，书名叫做《未来》。我认为，科学告诉了我们什么事情可能发生、什么事情可以发生以及什么事情应该发生，因此以新颖而富有想象力的方式去思考问题非常重要。因为只有通过思考什么事情应该发生，我们才能获取我们的发现、我们想要发生的事情，同时避免那些我们不希望发生的。我们很容易被当下的争论所束缚，但我们要想象长远的可能性，要使用最深刻的科学理解和最前沿的技术，但我认为目前这方面的努力还远远不够，这就是我写这本书的原因。

本文2023年12月15日发表于微信公众号 墨子沙龙 （诺奖得主：为什么永远看不到单个夸克？），风云之声获授权转载。

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■ 作者简介

袁岚峰中国科学院科学传播研究中心副主任中国科学技术大学科技传播系副主任中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员科技与战略风云学会会长

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