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物理学家也是哲学家丨专访维尔切克
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在访谈中，这位诺贝尔物理学奖得主讨论了自由意志、时间旅行以及创新与科学发现之间的关系。
当今的科学领域中充满了科学家和人文学者之间的对话和互动。新知识的前沿是跨越传统学科界限合作的产物。我相信，新知将在不同研究背景的科研人员一起解决具体问题时碰撞产生。
这个前提激发了我写Is the Universe a Hologram? Scientists Answer the Most Provocative Questions（《宇宙是全息图吗?科学家对最具争议问题的回答》）这本书，它收录了一系列与顶尖科学家的对话，包括他们对物理世界、技术和心智中关键问题和概念的看法。这些思想者对这些问题提供了具体的见解，也对其知识传统给出了更广泛的评论。在谈话过程中，他们揭示了一座思想交结的富矿。
几年前这本书出版时，我还没有机会和诺贝尔奖得主、物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）坐下来谈谈，我一直很欣赏他的工作。我们的谈话发生在2020年，当时他作为著名的Rei Jaume I奖的评审团成员来到西班牙瓦伦西亚市，访谈收录在最近出版的西班牙语版De neuronas a galaxas（从神经元到星系）一书中。我很高兴在下面分享我们的讨论（经过翻译和编辑）。
Adolfo Plasencia（以下简称AP）: 维尔切克教授，让我们直接进入主题吧，这个主题很难，但是我觉得它很引人入胜。在我与量子计算领域先驱、物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）对话时，他说量子物理在某种程度上考虑了自由意志。这是一个大胆的想法，我一直很想知道您对此的看法。您同意西拉克的观点吗？
Frank Wilczek（以下简称FW）: 我认为这个问题可以用两种不同的方式来理解。
第一种解释是问量子力学是否解释了自由意志的现象，或者在我们对世界的描述中，是否有其他东西必须考虑，这些东西不在量子力学的范围内，或者不属于我们所理解的物理学。答案是我们并不确定。但似乎有个很好的假设，实际上我认为科学家们正在采用，那就是精神生命的现象，包括自由意志，可以从精神在物质中的物理体现中衍生出来。因此，我们所说的“涌现”现象定性来说是不同的行为，很难在基本的物理定律中看到，但它们却可以在组件众多并有丰富结构的大型系统中出现。例如，当神经生物学家研究神经系统时、研究大脑时，他们采用的工作假设是思想、记忆——所有精神现象——都有物理基础，都有物理相关性。
另一方面，你可以问自己，当我们做物理实验时，我们是否不得不加入一些精神因素。我们需要因实验者正在思考的事情而对实验进行修正吗？物理学家在进行非常精密、精确、精巧的实验时，必须对各种事物带来的影响进行修正。你必须对经过的卡车带来的影响进行修正，你必须对电场和磁场的影响进行修正，你必须非常精确地控制温度，等等。但以前，人们从不需要的东西就是对人的想法带来的影响进行修正。所以我认为有很好的间接证据表明，这个世界，这个物质世界，不受独立的精神世界的影响。
对这个问题的第二种解释是，在量子力学的表述中，是否应该将观察者作为一个具有自由意志的独立对象，因为他将决定观察什么。量子力学有一个不寻常的机制，这个理论具有方程描述，而要解释方程必须要进行观察。我相信，最终为了在物理的基础上理解自由意志现象，从而完全理解量子力学，我们需要拥有与我们日常生活经验相对应的、完全基于量子力学的意识模型，并且完全理解它。目前，我认为我们没有做到。但是，我认为物理学家遇到的障碍不是原理的障碍，而是技术的障碍。
我们在量子力学方面还不够先进，无法建立模型来说明起初被我们当作意识的东西。未来这是一个很大的挑战。但我们完全有理由相信，这一挑战总有一天会得到解决。我们需要的是一个完全由量子力学描述的模型，它包含复杂的对象，你可以指着它说，“它的行为就像一个有意识的头脑，我可以把它当成一个具有思想的实体。”当然，部分困难在于“意识”的定义还非常模糊。
AP: 你的回答让我想起有人对我打趣的一句话，在看到我书的目录并阅读我与 Cirac 的讨论后，他说：“所以物理学家现在也开始研究哲学了？
FW: 物理学家一直是哲学家。事实上，从历史上看，在古希腊哲学和自然科学的起源都涉及到同一群人。像毕达哥拉斯、泰勒斯和柏拉图这样的人，他们并不认为自己是哲学家或物理学家，他们两者都是。他们从一开始就以某种方式共同发展了这两个学科的主要问题。近年来，物理学已经变得更加复杂，而且已经从纯理论哲学中独立出来，成为一门学科，有着自己的技术和学术文献等等。
但是，我认为物理学家不应该放弃尝试全面了解世界的追求。他们在理解物理世界方面取得了许多进展，精密、准确并且非常深刻，我不认为这会剥夺他们解决哲学的经典问题的资格。相反，我认为这使得他们能够为传统“哲学”问题带来新见解。
我认为许多物理学家之所以不想这样做，要么是他们忙于物理学，要么是他们不敢，但我认为物理学家成为哲学家是完全合适的。事实上，我认为应该如此。我们从物理学中学到的关于物理世界的许多想法都是非常令人惊奇的，你没法根据日常经验揣测它们——所以我认为我们有可以教给哲学家的东西。特别是，由于量子力学确实是是我们所说的现实的巨大扩展，它要求调整你的思维方式。如果你想成为一个认真研究现实或意识的学生，你真的应该了解量子力学。在我看来，一个不懂量子力学的哲学家就像一个双手被绑在背后的游泳者。
AP: 让我们谈谈我称之为“怪异想法”的问题。一个我一直想了解的问题，从一个非常无知又深深好奇的非科学家层面出发——如果有什么知名的关于量子物理中与普通人日常逻辑相冲突的象征或想法，那一定是“薛定谔的猫”。在不知道猫是死是活的情况下，当你试图去弄清楚的时候，你会得出猫即死又活的结论，难道你不觉得这很难向人们解释清楚吗? 这是一件相当奇怪、违反直觉的事情，即使对研究这一课题的大学生来说也是如此。
FW: 当你用概率来描述它们时，会出现很多种情况，在你将观察到什么之前，你并不知道哪种情况将发生。这几乎就是概率的定义。你不知道当你看向它时，当你进行观测时，当你从一个样本中挑选时，或者其他情况，你将会发现什么。但是量子力学的情况有点不同。让它变得很矛盾的是，有一种非常真实的情况，就是猫活着的状态和死了的状态可能是同时存在的，而这在经典情况下是不可能发生的。实际上，这种共存对猫来说并不现实，但我们可以讨论原子中的类似情况，它在原子中是真实发生的。不过，本着你问题的主旨，让我回到猫的话题上来。
原则上，我们假设经过一段时间T后，根据量子力学的预测，我们得到一只活猫的概率或一只死猫的概率是50/50，所以它们是等可能发生的。这样的情况可以通过用很多的猫，反复做相同的实验来验证。但量子力学告诉你，如果你在时间T之后做某些操作，你可以逆转这种情况，使得猫肯定是活的，或者猫肯定是死的，这两种可能性都存在，并且你也可以通过对初始条件，对初始波函数做不同的事情来恢复它们。
因此，量子力学的不同之处在于，这两种可能性并不是相互排斥的，它们可以在某些情况下共存，而当你观察的时候，你会发现所谓的“波函数坍缩”。此时你确定了一种可能性，但在你观察之前，在你介入之前，两者都存在。如果你不干预，而是让系统保持封闭的，不去观察它，通过一些场来操纵它，永远不去看猫是死是活，你可以反向演化，让它完全活着或者让它完全死亡。对于真正的猫这是不切实际的,但如果你不谈论生猫或一个死猫，而是一个原子的自旋,它有自旋向上或向下两种状态,你确实可以做这样的事情。你可以制备这样的情况，使得原子有50/50的机会自旋向上或自旋向下。但是,通过操作波函数,没有进行观测,而只是操作原子,你可以证明这两种可能性都是真实存在的。
AP：所以你认为量子叠加是人类逻辑的一部分……
FW：是的！有些人在物理和量子力学方面做得很成功。我用量子力学时，偶尔也会犯错误，但我总能改正。如何将量子力学应用到物理环境中是毫无疑问的，且答案有对有错。量子力学有时会有一些非常违反直觉的情况。你必须把自己置于常识之外，用不同的方式思考一些事情，因为如果你运用常识，你可能会得到错误的答案。有时，你只需要遵循方程。但是你知道，有很多人应用量子力学非常成功，他们将其应用到计算机设计和其他各种奇怪的小工具，用它来做很多具体的事情。这当然不是人类无法理解的。
AP: 好吧，让我们进入下一个话题：时间旅行。您不久前在Quanta杂志上发表的一篇文章[1]深入探讨了时间之箭的概念，这个概念由阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在近100年前提出，但至今仍是现代物理学的一个未解之谜。这个想法假设时间是单向的或不对称的。让我直接问您：为什么时间旅行只适用于科幻小说，因此只适用于想象，而不适用于我们的日常现实。
FW: 这是一个非常复杂的问题。不仅在于内容，还在于形式。所以，让我试着把你的问题归结为要点。一个方面是，当物理学家谈论全局对称性时，他们指的是什么？（在我们生活的现实中）你不可能逆转时间的方向，因此当你说：“如果我们逆转时间的方向，就会发生这样那样的事情。”这听起来像是形而上学。
但实际上，它指的是非常具体的东西。这意味着如果你遇到这样一种情况，当粒子以一定的速度运动时，在某个初始时刻你知道它们在哪里以及它们移动的方向——这些是基于特定的方程的，你也可以在相同的空间中讨论粒子朝相反的方向运动的情况。所以如果你改变（方程中的）时间的方向，它们就会朝相反的方向运动。你可以看到这两种情况是否由完全相同的方程控制。
时间反演对称性说的是，如果你反转系统中所有物体的旋转方向和速度，你会发现它是由相同的方程描述的，就像你什么都没做一样。这就是时间反演对称性对物理学家的具体含义。还有很多更复杂的细节，与自旋有关，与奇异粒子有关，但本质上就是这样。在物理学中，我们发现这个原理非常非常准确。虽然不完美，但是非常非常准确。然而，在日常生活中，情况似乎并非如此。在我们的生活中，时间的前进和后退将具有完全不同的体验。当然，它肯定不同。
那么，这与我提到的实验是如何一致的呢？首先，作为实际问题，在任何复杂的系统中，我们无法改变每个粒子的运动方向，更不用说人体了。所以在现实中你不能真正做到这一点。你不能得到时间反演对称的直接结果。过去和未来是完全不同的，这其中的原因很难简单说清楚，尽管基本的方程向前和向后看都是一样的。我认为现在讨论整个过程不合适，但我还想说几句。它的本质是，在最开始，在宇宙的最早期阶段，宇宙温度更高，密度更大，并且在膨胀。这就是宇宙大爆炸。大爆炸发生在过去，而不是未来。因此，这告诉你，过去的情况跟现在极为不同，我们正在走向一个与宇宙起源极为不同的未来。通过一系列关于结构形成和宇宙冷却之类的争论，你可以勾画出说得通的关于宇宙的历史，它符合我们关于时间的经验，它只向一个方向流逝，尽管在基本方程中，如果它朝相反的方向运动，我们也会有相同的结果。
AP: 哦，好吧。科幻小说作家需要小心……
FW: 我的意思是，原则上有一种非常有趣的可能——我们可以通过扭转粒子的运动方向，让它们随时间演化逆向运动，这样它们就能重建更早时候的状态。也许我们对一些关键的分子这样做，可以实现逆转衰老。但在实践中，我们不知道需要逆转什么关键元素（如果有的话），因此，时间反演对称性这一基本定律在实践的角度对我们没有任何帮助。
AP：最后，我想问你一些对我很重要，但与物理没有明确联系的事情。我撰写和发表了很多关于创新（innovation）的文章，几十年来创新一直是一个流行词，似乎现在仍然是。如今，从企业家到政治家，每个人都必须创新。作为一名科学家，同时也作为一名公民，您如何看待这个术语，它的概念，以及它在今天的意义？您认为在我们现在生活的世界里，发现（discovery）、发明（invention）和创新的概念有什么不同？
FW：我认为我们现在生活在一个非常特殊的时代，因为我们有了电子、微电子、计算机技术和电信等通讯手段和思维辅助手段。有了这些东西，人们可以更有效地交换想法。人们可以聚在一起思考。另一方面，还有更多的事情需要考虑，因为我们有非常强大的技术，并且对物质的理解非常非常好。于是我们可以在想象和计划的基础上设计东西，并确保它们能起作用，或者至少对它们能起作用有信心。这就是创新，它让我们使世界的知识产生了爆炸性的增长，进而在各个方面做出改进。对我来说，作为一名物理学家，我非常自豪的是，如此多的创新来自于对物理世界和现实的深刻理解，这些理解最初是由那些对物理世界如何运作而感到好奇的人提供的，特别是我们正在谈论的量子世界。
如果没有对20世纪中物理学对物质的深刻理解，所有的微电子、晶体管、半导体等都不可能存在。并且进步还没有结束，我们还没有用尽这种对世界的深刻理解所开辟的潜力。事实上，理论本身告诉我们，还有更多的改进空间。我的偶像之一理查德·费曼在1959年发表了一篇名为《底部的空间还大得很》（There’s plenty of room in the bottom）[2]的著名演讲，他预测了微观世界的丰富性:即使在很小的物体中也有很多很多原子。如果你能熟练地操控它们，你就能做一些小机器，你就能做一些有用的事情，不管是在医学领域，还是在计算机领域。原则上，他预见到各个方向能够开辟出各种可能性;当然，他无法预测具体细节，但他指出了这个方向。现在我们看到它们体现在微电子、纳米技术和现代通讯技术中。所有这些都来自于对这个微观世界深刻、细致的理解。最近的一项诺贝尔化学奖颁给了建造分子马达并理解如何做到这一点的人。所以，在很多方面，这门基础科学为创新开辟了新的可能性。
你问我创新和科学发现之间的关系。我觉得它们有相互影响的地方。但从根本上说，好奇心驱动的基础科学是更长远的。它不关注你如何达到目标，你只是想要快速地或有效地达到它们。它把我们带入未知的领域，在那里我们不知道我们在做什么，我们为什么要做。但这类事情为未来的创新提供了新的可能性。所以我想说，科学研究是不断创新的，它是一个由长期的好奇心驱动的领域。而短期的创新可以收获发现的果实。
阿道夫·普拉森西亚 是科学技术领域的作家和专栏作家，是《宇宙是全息图吗？科学家对最具挑战性问题的回答》一书的作者。
参考资料
[1] https://www.quantamagazine.org/how-axions-may-explain-times-arrow-20160107/
[2] https://web.pa.msu.edu/people/yang/RFeynman_plentySpace.pdf本文译自，Adolfo Plasencia ,‘Physicists Have Always Been Philosophers’: In Conversation With Frank Wilczek原文地址：https://thereader.mitpress.mit.edu/physicists-have-always-been-philosophers-in-conversation-with-frank-wilczek/
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