# 弗蘭克·維爾切克：夸克、暗物質、複雜性、生命與外星人的物理 > 諾貝爾物理學獎得主從夸克講到暗物質，討論物理規律如何容許複雜性與生命存在。 - 原標題：#187 – Frank Wilczek: Physics of Quarks, Dark Matter, Complexity, Life & Aliens - 期數：第 187 期 - 釋出日期：2021-05-29 - 嘉賓 / 主題：弗蘭克·維爾切克 - 網頁版：https://lex.qiaomu.ai/tw/ep/frank-wilczek/ - 官方頁面：https://lexfridman.com/frank-wilczek/ - 精讀字數：約 13487 字（閱讀約 30 分鐘） > 本文為 lex.qiaomu.ai 基於原始訪談的 AI 改寫中文精讀，非官方翻譯；引用請註明出處並連結網頁版。 質子和中子內部的夸克，彼此靠得越近，感受到的強力反而越弱。近到一定程度，它們幾乎像自由粒子一樣各走各的路，彷彿中間那根繩子鬆開了。這個結論和日常經驗完全顛倒：常識裡距離越近力越大，磁鐵是這樣，引力是這樣，夸克偏偏相反。 這是弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）1973 年和戴維·格羅斯（David Gross）、戴維·波利策（David Politzer）一起算出來的結果，名字叫漸近自由（asymptotic freedom），幾十年後拿了諾貝爾物理學獎。 要講清楚這件事，得把量子力學和相對論同時請進來。探測極短的距離，必須用動量極大的探針去撞；動量一大，能量跟著大；能量一大，真空裡就能短暫地冒出夸克和膠子，又迅速湮滅。維爾切克自己說，這套東西沒法三言兩語講完，需要聽眾有相當的耐心。不過結論可以講得很簡單：存在一種非常特殊的力，由一種性質非常特殊的粒子，也就是膠子來傳遞，它讓夸克在靠得極近時幾乎不相互作用。 同樣的道理反過來看，高能下這種相互作用也變得極弱。漸近自由把"距離近"和"能量高"兩件事接上了，因為相對論把短距離和大動量綁在一起，量子力學又把大動量和不確定性綁在一起。早期宇宙溫度高到原子核都散架，剩下的夸克和膠子飛快地跑，相互作用反而簡單到可以拿來做科學計算。 > "宇宙誕生的時候是自由的。"（維爾切克） 維爾切克提到，他們當年做這項工作時，實驗線索非常微弱，只能靠間接證據把它變成預言；二十年後同樣的資料擺在眼前，夸克和膠子的徑跡已經顯而易見。當年國際會議上專門有分會場討論 QCD 是否正確，熱鬧得很；今天同樣精度的計算和實驗被歸入"背景本底"，人們把它當成理所當然，只盯著偏離理論的地方找新發現。前沿變成地基，地基變成無聊。 他還解釋了強相互作用和核物理的關係。原子核裡的質子中子靠強力結合，而強力本身是夸克和膠子之間的作用。這跟電子和光子構成原子、分子是同一類結構：電子和光子在化學裡是真正活躍的角色，原子核太重、太遲鈍，多數場合可以當作帶正電和質量的點來看，真正熱鬧的是電子雲和光子。質子和中子就像用夸克雲做的"原子"，膠子扮演了光子的角色，只不過傳遞的是另一種力。他還把 QCD 和 QED 放在一起比：QED 裡是一種光子、一種電荷，QCD 裡是八個膠子、三種色荷，概念結構非常相似，都建立在粒子對電荷做出對稱響應這件事上。 > "QCD 就像 QED 打了興奮劑。"（維爾切克） ## 世界最不可思議的地方，是它居然可以被理解 被問到物理學裡最美的想法是什麼，維爾切克沒有挑某個方程。他說最美的是我們能對世界的"作業系統"層面，給出一個既緊湊又精確又完整的描述。這是份非同尋常的禮物。而一旦發現描述和觀測之間哪怕差了十億分之一，我們就會坐立不安。 他引了愛因斯坦那句流傳很廣的話。 > "宇宙最不可理解的地方，就在於它是可以理解的。"（維爾切克引述愛因斯坦） 在維爾切克看來，這是 17 世紀科學革命最深刻的成果。牛頓力學開了頭，讓人看到可以追求完整性、精確性和簡潔性，之後幾百年這條路越走越寬，驚喜一直在繼續。當然也有許多小一號的奇蹟：方程的形式被高度對稱性支配，結構出人意料地開闊，量子力學尤其如此。 主持人追問：這是事實還是希望？維爾切克說是事實。你可以指著全球人均 GDP 的增長，可以指著 LIGO 探測到遙遠黑洞的碰撞，可以指著粒子物理把定律驗證到十億分之一的精度。紙筆算出來的抽象，和磁鐵、加速器、探測器看到的真實，分屬兩套看似毫不相干的概念世界，它們必須對上，對不上我們就會非常不安。能做到這一點，說明我們對自然的理解已經相當深。 但他也劃了邊界。暗物質是什麼，沒人知道。知道了方程，也不等於解得出來，化學就是這樣：原則上方程能預測分子行為，實踐中除了最簡單的情形都極其困難。還有一層，很多我們關心的東西是歷史性的，是早期宇宙演化出來的結果，基本物理定律只是打地基，理解人、青蛙和社會需要完全不同的概念。 維爾切克還指出方程本身在提示自己的侷限。動力學方程告訴你從某個起點出發會發生什麼，卻不告訴你起點該是什麼。混沌和對初始條件的敏感，意味著就算方程在手，我們也無法精確預演它的後果。他打了個比方：想做蘋果派，得先造一個宇宙。更聰明的做法是從蘋果開始，別從夸克開始。 ## 對稱性：從柏拉圖的正多面體，到病毒的外殼 維爾切克寫過一本書，叫《一個美麗的問題》（A Beautiful Question），書名就是那個問題：世界是否體現了美的理念？ 他的答案裡，對稱性佔了核心位置。古希臘的柏拉圖用五種完美對稱的正多面體來構造原子模型，那個年代就已經有了"數學對稱性應該支配世界"的直覺。現代物理在這個方向上遠遠超過了柏拉圖，因為我們現在用到的對稱性比柏拉圖能想象的要強大得多，它們正是我們構建世界理論的原料，而且管用。 對稱性是人類藝術裡到處可見的東西，阿爾罕布拉宮的花磚、牆紙圖案、裝飾紋樣，全都是。它同時也是現代基礎物理的主導主題。維爾切克認為這不是巧合：人類是在跟世界打交道的過程中演化出來的，我們天生就喜歡、就擅長髮現這類結構，所以會跟宇宙的規律產生共鳴。 他舉了一個更樸素的例子。很多病毒的外殼是正多面體。原因是病毒很笨，它只會做一件事，就反覆做同一件事：造一個五邊形，再造一個五邊形，再一個，都用同樣的方式粘起來，最後得到一個高度對稱的物體。西蘭花那種層層分形的結構也是這麼來的。秘密是愚蠢，把同一件簡單的事重複做，就長出了複雜而美麗的形狀。 連大腦也是這樣。西班牙神經解剖學家卡哈爾（Ramón y Cajal）畫的海馬體等結構，看上去極其規整、極其繁複，本質上就是大量重複單元堆出來的。同樣的程式被反覆執行，就有了對稱。 主持人提到陀思妥耶夫斯基那句話：美會拯救世界。維爾切克說，他不敢說美能拯救世界，但美確實是理解世界的一個重要洞見來源。研究最基本的相互作用時，那些過程發生在極短的距離上、發生在特殊粒子之間，粒子的性質只有高能下才顯露，日常生活幾乎給不出任何線索，實驗又極難做，沒法完全照著培根式的路子一步步從資料裡歸納出定律。實際做法是猜。而這些猜測在相當程度上是美學性的：先設想一個跟已知事實相符、又足夠漂亮的描述，拿去試，結果在很多深刻的場合裡它真的成立。人類覺得美的概念，恰好也是支配世界執行的概念，他覺得這不是偶然。 ## 138 億年壓縮成一年，恐龍在聖誕節出現 維爾切克新書《基礎：現實的十個關鍵》（Fundamentals: Ten Keys to Reality）裡說，空間和時間都非常大。有多大？他給了一個方便換算的方法：把 138 億年的宇宙史線性對映到一年。 大爆炸是 1 月 1 日零點。然後要等很久，恐龍才出現，出現在聖誕節前後，幾乎是第 12 個月的最後。讓哺乳動物和最終的人類從恐龍手裡接過地球的那次滅絕事件，發生在 12 月 30 日。全部人類歷史，只佔最後一天的一小部分。一個人的一生，是這個間隔裡極其微小的一段。 他還順口說過一句很有意思的話：如果把視野放得足夠寬，宇宙的歷史比瑞典的歷史簡單，因為你的標準更低。 空間上可以講一個類似的故事。可觀測宇宙的尺度，就是光在 138 億年裡能走的距離，138 億光年。這個距離非常大，相比之下，地球只是光秒的一個零頭。要真正把握這樣巨大的時間和空間，得用指數記法和抽象概念，靠心理上的直覺是抓不住的。 但維爾切克特意補了一句：這並不意味著我們渺小。他試著估算過，一個人一生大概能有多少個有意義的想法。問題有點模糊，但他覺得能定義得相當精確。 ## 一生能裝下幾十億個想法 他的估算有幾個互相印證的入口。最有力的一個是視覺處理速度。電影其實是一串靜止的幀，我們的大腦也是這樣工作的：取一幀，積分一段時間，再取下一幀，靠事後加工造出連續流動的感覺。如果閃爍頻率太慢，你就會看出那是一串快照。那麼臨界點在哪兒？大約每秒 40 次。把 40 作為影象處理的速度，乘上一生，數量級就落在幾十億。 另外幾條線索能對得上。熟練的鋼琴演奏者能彈多快，遊戲高手能操作多快，人說話能說多快，量級都差不多。所以他的結論是：一個人的一生，容得下幾十億個有意義的想法。具體是二十億還是十八億，他不打算爭，任何合理的估計都落在 1 億到 1000 億之間。 主持人開玩笑，說 99% 的想法大概都是食物、性和網際網路。維爾切克回應：生活裡可不止贏諾貝爾獎這一件事。 主持人在這個基礎上又推了一步。如果想法之間會相互作用，就像粒子之間會相互作用，那麼可能性的數量會指數級爆炸，遠遠超過幾十億這個量級。所以世界是不可窮盡的，象棋這麼簡單的系統人類都無法完全掌握，最好的棋手現在也穩定輸給電腦。但正因為不可窮盡，能找到簡潔、強大、可壓縮全部組合複雜性的普遍規律，才顯得格外美。他說，我們或許能找到一套關於世界"作業系統"的普遍原理，同時世界永遠保持不可窮盡。真正意義上的"萬物理論"，他認為不存在。 ## 夸克、電子、光子：它們真的存在嗎 維爾切克說，按目前最成功的描述，基本粒子是點，沒有內部結構，小到不能再小。操作上，它們服從一組方程，方程裡的實體是能量、動量、角動量的奇異集中，集中在單個點上。 這種數學結構在現實中只能部分顯現，因為要想從波函式里讀出精確位置，你得注入極大的能量，精確位置是一個理想化的極限，需要無限大的能量。但在數學層面，我們確實是用點粒子搭建世界的。 那麼它們存在嗎？維爾切克的回答很乾脆：存在。電子存在，光子存在，夸克存在。存在是什麼意思？精確的說法是，我們用來搭建世界的方程裡包含一些可複製的實體，它們在整個宇宙裡數量龐大，有確定的性質，比如質量和自旋，我們把這些實體叫電子。而物理世界裡，確實能找到這種實體的大量樣本。電子和光子可以單獨隔離出來研究，可以檢查它們是否完全一致，化學之所以能成立就靠這個。光子如今還能一個一個地研究，測出它的自旋和其他基本性質，把方程檢驗得很細。 夸克和膠子要麻煩一點。方程裡的夸克和膠子不會以可以單獨隔離的粒子形態出現，它們永遠待在被束縛的結構裡，比如質子大致是三個夸克加大量膠子。但在高能下，它們能在一段時間裡相對自由地傳播，我們可以拍下它們的徑跡，然後再被重新捕獲進質子和其他介子裡。這正是維爾切克拿諾貝爾獎時所做的預言：高能下的這種表現會被觀察到，而且確實被觀察到了。膠子沒法像電子那樣單獨隔離研究，可你可以在理論裡把它們當作構建可觀測事物的原料，也可以在高能加速器上讓它們短暫獲得自由，拿到它們留下徑跡的證據。 ## 我們寫得出方程，卻解不出質子 QCD 的方程很漂亮，在高能加速器上經受了嚴格檢驗，有人想推翻它，推不倒。但有一個尷尬的事實：沒人能證明，這套建立在夸克和膠子之上的理論，真的會產生我們在現實裡觀測到的質子和中子。這叫做"禁閉問題"。人類沒法用自己理解的方式解析地證明它。可是把這些方程放到超級計算機上跑，出來的結果就是這個世界的樣子。 這件事引出維爾切克對"人類認知有沒有根本極限"的態度。薩拉·沃克（Sarah Walker）擔心我們身處系統之內，可能永遠無法理解自己所在的系統。維爾切克說，我們當然有限制，處理資訊的能力有限，但我們可以借儀器彌補感官的不足，也可以在不同問題上用不同種類的概念。他舉了自己熟悉的例子：人類解不出 QCD 方程，但計算機能解，未來還可以藉助"矽基朋友"及其後代，用另一種方式去理解。他看不到任何邏輯上的死路或悖論會讓這個過程停下來。 他說，我們有一種由方程本身帶出來的認識，同時還有一種機器給出來的認識，兩套認識並存，人類未必都能用概念消化，但理解的總量在增長。碰到能力的邊界，就去找變通辦法，有時靠概念，有時靠儀器，有時兩者一起用。現在就灰心，為時過早。 他還提到玻爾的互補性作為方法論。同一個人，要給他開藥、判斷他高速運動或受輻射會怎樣，你得用物理學的思路，因為他由物質構成；要預測他在某種情境下的行為，你得用心理學的概念。兩種思路都對，用在不同的問題上，互相不衝突。 ## 互補性：同一個東西，兩套都對的說法 維爾切克把互補性放在《基礎》最後一章，認為它是全書最高一層的心得。前面那些內容，世界的尺度、可理解性、複雜性從簡單裡湧現，大體上都屬於關於世界的事實；互補性更像一種面對世界的態度，由這些事實鼓勵出來。 它的意思是：對同一個物件、同一個系統、同一個處境，用完全不同的描述去回答不同的問題，可能既恰當又不可避免，兩套描述甚至互相無法翻譯、互相無法理解，但各自都對，各自帶來不同種類的洞見。 最嚴格的形態出現在量子力學裡，而且是可以證明的定理。一個電子的主要描述是它的波函式。波函式可以預測它出現在各處的機率，也可以預測它各種動量值的機率。想拿到位置的機率，你得用一種方式處理波函式；想拿到動量的機率，你得用另一種方式處理。這兩種處理方式在數學上互不相容。維爾切克打了個比方：一塊石頭，你可以雕成維納斯，也可以雕成大衛，但沒法兩者兼得。 海森堡不確定性原理是這件事的物理對應物，位置和動量不可能同時確定。愛因斯坦對互補性一直不舒服，他和玻爾那場著名的論戰，核心就是量子力學裡的互補性到底是宇宙的永久特徵，還是我們暫時描述方式的問題。到目前為止，量子力學一路贏，連愛因斯坦用來挑戰它的 EPR 實驗，最後也變成了對它的確認。互補性是不是最底層的真相，誰也說不準，但它的表現好得驚人。 維爾切克強調，互補性在別的地方更多是一種智慧，而不是定理。他舉自由意志和決定論。他覺得這兩個東西都成立：從"上帝視角"看，大腦裡發生的一切可以是確定的；從大腦自己的視角看，也就是我們叫做"自我"的那部分，只能接觸到極小一部分資訊，它體驗到的是自由選擇。他相當確信事情最後會這樣收場。自由意志是我們確實體驗到的，也是心理學和法律裡不可缺的概念，同時他相信心智從物質中湧現，而物質有另一套描述，大致是決定論的。量子力學的微妙之處在這裡他認為不相干。 這種思路的好處是寬容。它承認理解一件事可以有很多條路，路多了是加分，不是減分。他講了個約翰遜博士的段子：約翰遜和鮑斯威爾討論一場佈道，佈道的高潮是講者說"我接受這個宇宙"，約翰遜回了一句，你最好接受。接受宇宙有它的快樂，因為那讓人心智開闊。他也提到，從哥白尼到達爾文再到今天，物理學一次次教人謙卑：地球不在中心，人不是造物的頂點，心智從物質裡長出來，用不著什麼特殊的生命力或者靈魂。可他把互補性看成一種解放性的概念，承認只有一種想問題的方式，反倒會限制人。 ## 一個"幾乎成立"的對稱性，引出了暗物質 先解釋幾個字母。C 是電荷共軛，把所有粒子換成反粒子。P 是宇稱，也可以叫空間反演，就是照鏡子，看映象裡的世界是否遵守同樣的規律。20 世紀中期，人們發現 C 和 P 都不完全成立，照鏡子能分辨出哪邊是鏡子、哪邊是真實世界。這些例外後來引出關於中微子和弱相互作用的大量洞見。 再加上 T，時間反演，把一段電影倒著放。物理學有很強的理由相信 CPT 合起來是精確對稱的，它的地位跟相對論、量子力學差不多。既然 CPT 精確成立，CP 就等價於 T。觀測顯示 T 也不是精確對稱，只是"幾乎"精確。 麻煩出在這個"幾乎"上。一個規律如果精確成立，哪怕它奇怪、多餘，你還可以說它是世界的基本特徵，接受它。可它只是近似成立又不完全成立，那就很難受，你必須解釋為什麼差那麼一點。1960 年代，克羅寧（Jim Cronin）和菲奇（Val Fitch）發現了這種時間反演對稱的微小破壞。此前幾百年物理學的發展裡，方程倒著放看起來總是同樣成立，這個性質對描述生命毫無幫助，甚至有點尷尬。人們花了很長時間，把它當成統計力學和熱力學基礎裡的難題來處理，想弄清宏觀上明顯不可逆的行為，怎麼從幾乎可逆的方程裡長出來。這至今仍是一個有意思的課題，而且現在成了一個活躍的前沿，去探索這條可逆與不可逆的邊界在哪裡，時間晶體就是邊界附近的現象。 在相對論、量子力學和規範對稱性共同構成的框架裡，違反時間反演對稱的相互作用只可能有兩種。一種發生了，帶來了非常豐富的理論，解釋了克羅寧和菲奇的實驗，還做出許多成功預言，它可能跟今天宇宙裡物質和反物質的不對稱有關。另一種按理說也可能發生，卻完全沒有發生。為什麼沒有？這就是強 CP 問題。 維爾切克和不少同行有一個方案，他自嘲當年是"曠野中的聲音"，如今這個想法已經變得流行，甚至可能成了主流。這個相互作用的強度未必是常數，它可以是場，一種隨空間和時間變化的東西。讓這個場從早期宇宙演化下來，它會自然沉降到一個剛好讓規律幾乎精確對稱的值。看起來像常數，其實是一個演化出來的場。 更妙的是，它不會精確沉降到零，還會殘留一點振盪。這個場極其剛性，極小的振盪也意味著巨大的能量，能量的表現就是粒子。這些殘留振盪的粒子，就是軸子（axion）。按這套理論算，軸子氣體填滿宇宙的能量密度，恰好是天文觀測需要的暗物質，性質也剛好對得上。軸子原本是為另一個問題設計的，可方程一算就把它算了出來。維爾切克覺得這是好兆頭。 他也說了實情：軸子至今沒有被確認探測到，之前出現過幾次假警報，目前沒有令人信服的證據。探測極難，因為軸子相互作用極弱，需要專門設計新型天線。如果容易，早就做成了。他預計未來幾年到幾十年，靈敏度有可能做到能真正檢驗這套想法的程度，進而解開暗物質這個佔了宇宙很大一塊的謎。 ## 時間晶體：在時間裡結晶，卻不是永動機 維爾切克先講什麼是晶體。晶體是原子在空間中的有序排列，很多材料緩慢冷卻就會自發形成晶體。這個狀態的一個重要特徵是：晶體本身的對稱性比生成它的方程要低。基本物理方程在平移下保持不變，晶體不是，原子待在特定的位置上。 時間晶體是同一件事在時間裡的版本。某些物質狀態在被溫和對待、任其自然時，會自發把自己安排成有節奏的行為，這種節奏無限重複。這就是"在時間裡結晶"。除此之外還有時間液體，還有時空晶體，那種圖案每走一步時間，同時在空間裡也移動一段，才會重複。 問題隨之而來。在時間裡重複，看上去很像運動；無限重複，看上去很像永動機。維爾切克說，熱力學定律要重新審視一下。熱力學定律本身不屬於基本物理定律，它們是在某些條件下從基本定律推匯出來的，不是單獨假設出來的，推導的適用範圍有限，並不普適。時間晶體就是一類邊界情況。 但它不提供免費午餐。那些東西確實在動，可它們本來就想那樣動，處在能量最低的配置上。你想從裡面提取能量，會失敗，因為沒有多餘的能量可取。你可以注入能量去擾動它，卻沒法從中榨出能量讓它自己再轉回去。文獻裡說的永動機，通常指那種可以提取能量、還能自己恢復的宏觀運動，時間晶體不屬於那一類。 ## 大爆炸之前，方程自己先崩了 維爾切克提醒，關於大爆炸有個常見的誤解，以為它像一枚炸彈在空無一物的空間裡炸開，填滿周圍的場所。實際情況是，大爆炸發生在空間之中，是整個空間本身在膨脹。把它倒著放，物質會聚攏成極其熾熱、極其緻密、同時又非常均勻的等離子體，裡面是各種基本粒子：夸克、反夸克、膠子、光子、電子、反電子，全都有。溫度遠高於太陽表面。如果直接照著方程推下去，預測的溫度會趨向無窮大，方程就崩了，這叫奇點。我們並不知道那一刻真正發生了什麼，要想處理最初那一瞬間，需要另一套方程。 至於為什麼一開始會是這樣，我們不知道。有大量證據表明它確實如此，但那個地方沒法去，也做不了對照實驗，留下的記錄被處理得非常厲害，得靠極精細的技術和強大的儀器才能挖出倖存的資訊。 維爾切克對"能不能理解大爆炸之前"持樂觀態度，兩方面都樂觀：觀測上能測得更多，理論上能算得更多。他特別看重引力波。引力波和普通物質相互作用極弱，所以它從大爆炸那裡帶出來的訊號幾乎是沒被加工過的。訊號很弱，因為走了太遠的路，在巨大空間裡被攤薄了，但人們正在準備探測來自早期宇宙的引力波。 LIGO 在他看來是一項了不起的工程成就，是地球上最靈敏、最精密的裝置，人類能造出這種東西，從工程角度看簡直令人敬畏。不過早期宇宙的引力波波長可能比 LIGO 能感應的長得多。他提到一個正在被構想的美麗專案：把鐳射器放到太陽系裡不同的位置，用人造行星或人造衛星把它們隔開，看它們之間極微小的相對運動，作為大爆炸輻射的訊號。那是太陽系尺度的感測器。 > "那會是人類事業的一個頂峰產物。"（維爾切克） 還有一條間接路徑：早期宇宙的引力波也許在光子，也就是微波背景輻射上留下了印記。微波背景是我們目前窺視最早期宇宙的方式，可那些光子跟物質作用強得多，被加工得厲害，給不出那麼原始的影象。如果引力波穿過時留下了痕跡，我們也許能把它讀出來。眼下就有人在拼命往這個方向做。 這樣一件事牽扯的知識從極小到極大：得理解它們怎麼運動，理解所用光的性質，理解光的干涉，得用鐳射造出光，得懂量子理論，得把時序掐準。全部動力來自好奇，規模卻是宏大的。維爾切克說，如果人類真做成了，他會為自己是人而驕傲。 ## 從均勻的湯裡，長出會提問的動物 早期宇宙相當均勻，但並非完全均勻，原始等離子體裡有萬分之幾的密度漲落。隨著時間推移，引力不穩定性讓密度差越滾越大：密度高的地方引力更強，吸來更多物質，變得更密，如此迴圈。物質有天然成團的傾向。 接下來是複雜的過程。我們知道定律，可在細節上要揮一揮手。基本理解是，物質成團之後能夠輻射，放出能量，於是冷卻下來，進一步聚攏，形成恆星、行星。這套場景在粗線條上沒有謎團，方程告訴你它該發生。但參與的基本單元太多，把單個單元的定律應用到這些系統上，計算上極其艱難。更深一層，方程帶有混沌和對初始條件的敏感，初始狀態裡極小的差別可以導致後來行為的巨大差異。到某個點上，基礎物理就擺手說，接下來是化學家和生物學家的問題。 那麼複雜結構怎麼可能出現？維爾切克說，溫度合適、材料合適，這些條件湊齊了，複雜結構才有機會生長。你需要能形成相當穩定的化學鍵，才撐得起復雜結構；同時這些鍵還得能被打破一點，比如靠太陽注入能量。碳在這件事上特別幸運，它能搭出骨架、長出分支，構成我們叫做生物化學的東西。既要有變化的可能，又要有夠用的穩定性，兩頭都得有。 想知道原則上可能發生什麼，物理能告訴你；想知道實際發生了什麼，就得去查化石記錄，去問生物學家。這些提問方式彼此互補，用不同的概念、不同的語言，回答不同的問題，互相之間並不矛盾。 主持人提到一個有意思的視角：早期那些量子漲落，可以說是我們最早的祖先。維爾切克說，這差不多是印度哲學"梵我一如"那個意思的現代版本。你問那些漲落是什麼，它們正是複雜性從中演化出來的種子，包括人。除了那些漲落，別的什麼都不需要。 ## 外星人：生命的條件可能到處都有，智慧未必 維爾切克說，我們並不確定，但他強烈懷疑宇宙裡有別的智慧文明。依據是地球上這唯一的樣本。我們大致知道哪些條件對生命有利：合適的溫度，能長期維持這個溫度的恆星，液態水環境。地球大約 45 億年前成形，條件一具備，沒過多久，我們所謂生命的痕跡就出現了。地球上能找到幾乎和地球同齡的原始生命形式。地球從熾熱的球體冷卻成帶水的固體之後，生命出現得非常快。所以那些一般性條件，可能足以讓生命相對迅速地發生。 但從這一個例子推結論很危險，他也承認。智慧生命的出現是另一回事。它花了很長時間，而且長期看相當偶然。生命史上大部分時間都是單細胞的東西，多細胞生命大約 6 億年前才出現。智慧更像是奢侈品：長著大肚子的生物遠比長著大腦袋的多，多數生物壓根沒有像樣的腦。恐龍統治了很久，有些相當聰明，可充其量是鳥腦水平，鳥類就是從恐龍來的。事情完全可能一直那樣下去。人類的出現非常偶然，在演化尺度上也是極近的事。 所以他傾向於認為，某種形式的生命條件在宇宙裡、甚至在我們銀河系裡，可能被滿足很多次。至於智慧生命或技術文明，他沒那麼確信，那看上去更偶然、更特殊。銀河系裡只有我們一個，在他看來是可能的。他也坦白，不同日子他的看法不一樣。他還提醒一句：在保持謙卑的意義上，我們這種智慧未必有多特別，可能還有別的種類的智慧，更寬泛地說，還有別的種類的生命。 主持人提到薩拉·沃克，兩人剛聊過怎麼從物理角度定義生命。維爾切克覺得"什麼是生命"這個問法有風險，因為答案的精確度不可能超過問題本身。這個問題預設了我們已經知道生命是什麼，而且它是個能清楚分辨的自然現象，可實際存在病毒這樣的邊界情況，甚至有人說電子有意識。概念本身模糊，就很難得到精確的科學答案。 不過他提出一個相鄰的、更有產出的問題：物質可能有哪些狀態？中學裡學固液氣三態，那只是表面。物質能以宏觀上不同、有意義的方式組織起來，這些形態叫相，相的精確含義幾十年來已經被琢磨得相當清楚。我們不斷髮現新的物質狀態。有些跟生命直接相關，液晶就是細胞膜的重要成分，對細胞膜的工作方式很關鍵。最近十來年還出現了帶動力學的物質狀態，圖案在時間裡重複，也就是時間晶體，這個方向正在蓬勃生長。至於是否存在對應生命的物質狀態，維爾切克說也許有，但答案沒法比問題更確定。 主持人在這裡表示不完全同意，認為問題指向一個方向，答案有可能比問題更精確。就像可以先去發現某種物質具備的宏觀特徵和模式，回頭再決定把"生命"這個詞安在它頭上。維爾切克說這跟他想的沒有衝突。科學史上常有這種事：日常詞彙被重新加工成科學術語，"力"和"能量"都經歷過，"對稱"也是。日常用法跟科學用法可以差很遠，科學用法會獲得自己的生命，我們會逐漸弄清哪個版本有用。 所以他願意接受這樣的說法：如果我們能識別出某種物質狀態或一組相連的物質狀態，能自我複製、能發展、能處理資訊，我們也許就會願意把它們歸為生命。 ## 意識、自我覺知，以及機器人的後門 話題轉到最難的意識。維爾切克說，意識這個詞同樣不精確，帶著大量聯想，做科學分析時不該從它開始。科學常常是從簡單的情形起步，往上走。 他更願意談自我覺知。這個詞去掉了那層神秘光環，而且跟反饋的概念是連著的：一個系統觀察自己的狀態並對它做出反應，這就是一種自我覺知。更復雜的版本出現在資訊處理系統裡，計算機檢視自己的內部狀態並據此行動。神經網路裡也能做到，那叫遞迴神經網路，很難理解，屬於前沿。他認為把這些搞清楚，逐步建立起能概念化不同層次自我覺知的豐富理論，會照亮關於意識的問題。相比之下，託著下巴談感受質（qualia）那一套，永遠做不到這一點。 還有一個他更看重的角度：把意識當作演化產物來問，它為什麼有用。大腦的代價很高，代謝需求大，需要活躍的生活方式，需要恆溫，還會擠佔消化等功能的資源，在演化中很稀有。既然這麼貴，就必須有回報。他相信回報很大一部分在社會互動上。 主持人提到機器人學的路子：可以工程上做出表現出意識特徵的東西，未必需要先理解它怎麼工作，等於從心理學那道門繞進去。維爾切克說他們想法一致。他補充說，他道德上確信，從遞迴神經網路、機器人設計、先進計算機設計裡會浮現出來的結論是：以結構化的方式檢視內部狀態，只檢視經過高度加工的資訊，只檢視被封裝起來的一小部分，做出選擇卻不知道選擇是怎麼做出的，這些東西對高效的資訊處理非常關鍵。系統裡同時會有一個"無意識"。這正是它演化出來的原因，因為它有用。 主持人還提到，從演化角度看，意識在人際溝通裡像是一件有用的工具，先有意識的展示，展示和本身之間有一片灰色地帶。維爾切克說，無論意識最終是什麼，從它的用途入手、從簡單案例往上走、從高效計算包括高效處理社會互動的工程經驗往上走，都會真正照亮這些問題。相比之下，抽象地冥思意識，永遠做不到。 ## 萬物理論：漂亮，但多半沒用 維爾切克談了對"萬物理論"的看法。狹義上，它指把現有物理定律統一起來，把廣義相對論和量子場論裝進同一個框架。他說有這樣的東西挺好，美學上會讓人愉快。但它有用嗎？大概沒用。他承認這話說得很危險，可他確實這麼認為，至少在可預見的未來沒用。 也許能幫我們理解黑洞。可黑洞也不實用。更嚴重的是，現有理論框架回答不了的那些關於黑洞的問題，在未來很長時間裡也不大可能被天文觀測檢驗。那些問題涉及極小質量的黑洞，量子效應開始起作用，霍金輻射才會登場。對天文學尺度上的黑洞，霍金輻射的速率小到絕對無法觀測，被其他各種效應徹底淹沒，這個預言從來沒被檢驗過。 所以現有理論對技術問題完全夠用，對絕大多數天體物理和宇宙學問題也夠用，例外只在極早期宇宙。你想問大爆炸之前發生了什麼，或者大爆炸那一刻發生了什麼，那確實需要更好的理論。 主持人提到埃裡克·溫斯坦（Eric Weinstein）的觀點：要想離開地球、成為多行星物種，得先解決物理學問題，找到所謂的"原始碼"，用萬物理論去改寫現實的底層，拿到捷徑。維爾切克說，他不能說這一定不會發生，但他可以說，1970 年代到 1980 年代初，人類在理解物質上取得了巨大的進步，QCD、對弱相互作用和量子力學的更好理解都在其中，而這些對技術的影響微乎其微，對火箭設計、對推進、對任何技術都沒有明顯幫助。現在討論的東西更玄，他沒法斷言它們不影響技術，但他非常懷疑。要接觸那些東西，需要極端的條件、需要昂貴的加速器去造新粒子，產量還很少，這是空想。 談到太空探索，他說這更像是生物學和資訊處理的問題。人體並不適應太空。火星是附近最接近人類環境的地方，可要在火星上維持人類生存極其困難，代價高昂，極不穩定。如果對"把人類文明帶出地球"做更寬的理解，滿足於派出能對話的機器、能操控的執行器、能反饋的感測器，他認為這條路線現實得多，也是太空探索的長遠未來。把人的身體搬來搬去，是件傻事。 他補充說，也可能有別的形態：把人的壽命延長，或者把心智的某些部分、某些資訊延伸出去，也可能是把實現類似人腦架構的細胞或腦組織放進適應太空條件的人造外殼裡，也就是人機混合體，再加上能遠端通訊的前哨。這些他認為都會發生。而這類事情真正靠得上的，是廣義上的物理學，不是再去找一條新定律、一個新夸克或一個軸子，而是物理學分析複雜情境、分析新物態、設計巧妙儀器的經驗。這些經驗對這種事業貢獻巨大，可尋找所謂萬物理論跟它關係不大。 ## 探索與利用：一個五十歲物理學家的自由 話題最後落到死亡。維爾切克說，用"害怕"這個詞不對。他希望這件事別發生，他想要更多時間，但他不太去想它。 他更願意從操作層面去想，就是電腦科學和機器學習裡那對經典權衡：探索與利用。身處陌生環境時，你想多探索，看清地形、收集資料；到某個節點，你想利用已經積累的知識，做決定，說這就是我要做的事。你預期能利用的時間越長，就越該在探索上多花力氣，往新方向走。他因此調整過自己的探索與利用比例。 他提到一段往事。幾年前他 50 歲，在高等研究院，辦公室正好在弗里曼·戴森（Freeman Dyson）樓下，兩人關係不錯。戴森聽說他 50 歲生日，道了聲恭喜，說你該感到解放了，因為沒人會對一個 50 歲的理論物理學家抱多大期望。戴森顯然從到達某個年紀這件事裡得到了解脫。維爾切克說這裡面確實有點東西。他不必再緊跟粒子物理或弦理論裡最新、最技術化的進展，因為他本來也不會去利用那些東西。他探索的方向轉向機器學習這類領域，同時在物理內部集中精力去利用已經建立起來的東西。眼下他很投入的一件事，是幫實驗人員和工程師設計能探測軸子的天線，這屬於深度利用階段，不再是尋找新定律，而是用已有的定律把故事講完。 他說自己現在過得很快樂，不想因為老想著它會結束而給這份快樂蒙上陰影。這是一份他沒掙來的禮物。被問到生命的意義，他的回答是跟所愛的人互動，跟家人在一起。他現在有很廣的朋友圈，也在試著創造一些能比他本人和他的工作活得更久的機構。這是個正反饋迴圈：你做了件事，別人欣賞，你就想做更多，又得到回報。他說這同樣是份他沒掙來、也搞不懂的禮物，他有一套多巴胺系統，他很樂意用。 主持人說，創造的過程、探索的過程似乎能給他能量。維爾切克說非常如此。而所有這一切，都始於大爆炸後不久的那些微小漲落。 ## 給年輕人的三條建議 訪談快結束時，維爾切克給了三條他自認為普遍適用的建議，也讓人去讀他那本《基礎：現實的十個關鍵》。 - **撒一張大網。**真正去四處看，看什麼有前景，什麼能抓住你的想象力。這兩件事要平衡：有些東西能抓住你的想象力，可問題還不成熟；有些東西本身可能你原本不感興趣，但只要你能看出那裡有新想法在發酵、有活力，它就自帶吸引力。他當年讀本科時本想研究哲學，想搞清心智如何從物質裡湧現，但判斷那個時機不對，不適合他擅長的那種數學思考和概念化。今天做這件事比過去容易，網上什麼都能看到，不過也要小心，垃圾很多，稍作挖掘就能分辨。別隻聽導師或老師讓你做什麼，自己去看，看什麼看起來有前景，而不是十年前看起來有前景的東西。 - **讀歷史，讀大師。**他說自己早年在物理上受益極大，讀愛因斯坦的原著、費曼的講義、達爾文、伽利略。你能從中學到跟困難想法搏鬥是什麼樣子，偉大頭腦是怎麼做的，也能學到風格，怎麼把想法寫清楚、表達清楚。他也喜歡讀傳記，那能把創造這些想法的人還原到人間：做這些事的確實是人，而且會犯錯。他說羅素、H.G. 威爾斯都曾給過他啟發。選定一個方向之後，去了解這個方向的歷史，那能給你上下文，也給你一種共同體感和宏大感。 - **儘快把基本功拿下。**想做理論工作，得學微積分、多元微積分、複變函式、群論。想做實驗工作，如今必須高度熟悉計算機，還要懂電子學、光學和儀器。早點把這些練成，就像學一門語言，要能流利、自信地表達，最好讓它變成你的母語，讓你不用去想"導數是什麼"，它就在你骨子裡。這三件事可以並行做，也應該並行做。 主持人最後說，無論那些初始條件和漲落做了什麼，它們創造出了維爾切克，他很高興。維爾切克回應說，他在跟物理現實深度互動中享受到的那種心智開闊，可以傳達給很多人，讓很多人也享受到，這是他人生的一項使命。