物理學家也是哲學家丨維爾切克訪談

弗蘭克·威爾切克和阿道夫·普拉森西亞在訪談中當今的科學領域中充滿了科學家和人文學者之間的對話和互動。新知識的前沿是跨越傳統學科界限合作的產物。我相信，新知將在不同研究背景的科研人員一起解決具體問題時碰撞產生。
阿道夫·普拉森西亞是《宇宙是一個全息圖嗎？》的作者。
這個前提激發了我寫Is the Universe a Hologram? Scientists Answer the Most Provocative Questions（《宇宙是全息圖嗎?科學家對最具爭議問題的回答》）這本書，它收錄了一系列與頂尖科學家的對話，包括他們對物理世界、技術和心智中關鍵問題和概念的看法。這些思想者對這些問題提供了具體的見解，也對其知識傳統給出了更廣泛的評論。在談話過程中，他們揭示了一座思想交結的富礦。
幾年前這本書出版時，我還沒有機會和諾貝爾獎得主、物理學家弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）坐下來談談，我一直很欣賞他的工作。我們的談話發生在2020年，當時他作為著名的Rei Jaume I獎的評審團成員來到西班牙瓦倫西亞市，訪談收錄在最近出版的西班牙語版De neuronas a galaxas（從神經元到星系）一書中。我很高興在下面分享我們的討論（經過翻譯和編輯）。
Adolfo Plasencia（以下簡稱AP）: 維爾切克教授，讓我們直接進入主題吧，這個主題很難，但是我覺得它很引人入勝。在我與量子計算領域先驅、物理學家伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）對話時，他說量子物理在某種程度上考慮了自由意志。這是一個大膽的想法，我一直很想知道您對此的看法。您同意西拉克的觀點嗎？Frank Wilczek（以下簡稱FW）: 我認為這個問題可以用兩種不同的方式來理解。
第一種解釋是問量子力學是否解釋了自由意志的現象，或者在我們對世界的描述中，是否有其他東西必須考慮，這些東西不在量子力學的范圍內，或者不屬于我們所理解的物理學。答案是我們并不確定。但似乎有個很好的假設，實際上我認為科學家們正在采用，那就是精神生命的現象，包括自由意志，可以從精神在物質中的物理體現中衍生出來。因此，我們所說的“涌現”現象定性來說是不同的行為，很難在基本的物理定律中看到，但它們卻可以在組件眾多并有豐富結構的大型系統中出現。例如，當神經生物學家研究神經系統時、研究大腦時，他們采用的工作假設是思想、記憶——所有精神現象——都有物理基礎，都有物理相關性。
另一方面，你可以問自己，當我們做物理實驗時，我們是否不得不加入一些精神因素。我們需要因實驗者正在思考的事情而對實驗進行修正嗎？物理學家在進行非常精密、精確、精巧的實驗時，必須對各種事物帶來的影響進行修正。你必須對經過的卡車帶來的影響進行修正，你必須對電場和磁場的影響進行修正，你必須非常精確地控制溫度，等等。但以前，人們從不需要的東西就是對人的想法帶來的影響進行修正。所以我認為有很好的間接證據表明，這個世界，這個物質世界，不受獨立的精神世界的影響。

“我認為物理學家遇到的障礙不是原理的障礙，而是技術上的障礙。”

對這個問題的第二種解釋是，在量子力學的表述中，是否應該將觀察者作為一個具有自由意志的獨立對象，因為他將決定觀察什么。量子力學有一個不尋常的機制，這個理論具有方程描述，而要解釋方程必須要進行觀察。我相信，最終為了在物理的基礎上理解自由意志現象，從而完全理解量子力學，我們需要擁有與我們日常生活經驗相對應的、完全基于量子力學的意識模型，并且完全理解它。目前，我認為我們沒有做到。但是，我認為物理學家遇到的障礙不是原理的障礙，而是技術的障礙。
我們在量子力學方面還不夠先進，無法建立模型來說明起初被我們當作意識的東西。未來這是一個很大的挑戰。但我們完全有理由相信，這一挑戰總有一天會得到解決。我們需要的是一個完全由量子力學描述的模型，它包含復雜的對象，你可以指著它說，“它的行為就像一個有意識的頭腦，我可以把它當成一個具有思想的實體。”當然，部分困難在于“意識”的定義還非常模糊。
AP: 你的回答讓我想起有人對我打趣的一句話，在看到我書的目錄并閱讀我與 Cirac 的討論后，他說：“所以物理學家現在也開始研究哲學了？
FW: 物理學家一直是哲學家。事實上，從歷史上看，在古希臘哲學和自然科學的起源都涉及到同一群人。像畢達哥拉斯、泰勒斯和柏拉圖這樣的人，他們并不認為自己是哲學家或物理學家，他們兩者都是。他們從一開始就以某種方式共同發展了這兩個學科的主要問題。近年來，物理學已經變得更加復雜，而且已經從純理論哲學中獨立出來，成為一門學科，有著自己的技術和學術文獻等等。
但是，我認為物理學家不應該放棄嘗試全面了解世界的追求。他們在理解物理世界方面取得了許多進展，精密、準確并且非常深刻，我不認為這會剝奪他們解決哲學的經典問題的資格。相反，我認為這使得他們能夠為傳統“哲學”問題帶來新見解。
我認為許多物理學家之所以不想這樣做，要么是他們忙于物理學，要么是他們不敢，但我認為物理學家成為哲學家是完全合適的。事實上，我認為應該如此。我們從物理學中學到的關于物理世界的許多想法都是非常令人驚奇的，你沒法根據日常經驗揣測它們——所以我認為我們有可以教給哲學家的東西。特別是，由于量子力學確實是是我們所說的現實的巨大擴展，它要求調整你的思維方式。如果你想成為一個認真研究現實或意識的學生，你真的應該了解量子力學。在我看來，一個不懂量子力學的哲學家就像一個雙手被綁在背后的游泳者。

“在我看來，一個不懂量子力學的哲學家就像一個雙手被綁在背后的游泳者。”

AP: 讓我們談談我稱之為“怪異想法”的問題。一個我一直想了解的問題，從一個非常無知又深深好奇的非科學家層面出發——如果有什么知名的關于量子物理中與普通人日常邏輯相沖突的象征或想法，那一定是“薛定諤的貓”。在不知道貓是死是活的情況下，當你試圖去弄清楚的時候，你會得出貓即死又活的結論，難道你不覺得這很難向人們解釋清楚嗎? 這是一件相當奇怪、違反直覺的事情，即使對研究這一課題的大學生來說也是如此。
FW: 當你用概率來描述它們時，會出現很多種情況，在你將觀察到什么之前，你并不知道哪種情況將發生。這幾乎就是概率的定義。你不知道當你看向它時，當你進行觀測時，當你從一個樣本中挑選時，或者其他情況，你將會發現什么。但是量子力學的情況有點不同。讓它變得很矛盾的是，有一種非常真實的情況，就是貓活著的狀態和死了的狀態可能是同時存在的，而這在經典情況下是不可能發生的。實際上，這種共存對貓來說并不現實，但我們可以討論原子中的類似情況，它在原子中是真實發生的。不過，本著你問題的主旨，讓我回到貓的話題上來。
原則上，我們假設經過一段時間T后，根據量子力學的預測，我們得到一只活貓的概率或一只死貓的概率是50/50，所以它們是等可能發生的。這樣的情況可以通過用很多的貓，反復做相同的實驗來驗證。但量子力學告訴你，如果你在時間T之后做某些操作，你可以逆轉這種情況，使得貓肯定是活的，或者貓肯定是死的，這兩種可能性都存在，并且你也可以通過對初始條件，對初始波函數做不同的事情來恢復它們。
因此，量子力學的不同之處在于，這兩種可能性并不是相互排斥的，它們可以在某些情況下共存，而當你觀察的時候，你會發現所謂的“波函數坍縮”。此時你確定了一種可能性，但在你觀察之前，在你介入之前，兩者都存在。如果你不干預，而是讓系統保持封閉的，不去觀察它，通過一些場來操縱它，永遠不去看貓是死是活，你可以反向演化，讓它完全活著或者讓它完全死亡。對于真正的貓這是不切實際的,但如果你不談論生貓或一個死貓，而是一個原子的自旋,它有自旋向上或向下兩種狀態,你確實可以做這樣的事情。你可以制備這樣的情況，使得原子有50/50的機會自旋向上或自旋向下。但是,通過操作波函數,沒有進行觀測,而只是操作原子,你可以證明這兩種可能性都是真實存在的。
AP：所以你認為量子疊加是人類邏輯的一部分……
FW：是的！有些人在物理和量子力學方面做得很成功。我用量子力學時，偶爾也會犯錯誤，但我總能改正。如何將量子力學應用到物理環境中是毫無疑問的，且答案有對有錯。量子力學有時會有一些非常違反直覺的情況。你必須把自己置于常識之外，用不同的方式思考一些事情，因為如果你運用常識，你可能會得到錯誤的答案。有時，你只需要遵循方程。但是你知道，有很多人應用量子力學非常成功，他們將其應用到計算機設計和其他各種奇怪的小工具，用它來做很多具體的事情。這當然不是人類無法理解的。

“你必須把自己置于常識之外，用不同的方式思考一些事情，因為如果你運用常識，你可能會得到錯誤的答案。”

AP: 好吧，讓我們進入下一個話題：時間旅行。您不久前在Quanta雜志上發表的一篇文章[1]深入探討了時間之箭的概念，這個概念由阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）在近100年前提出，但至今仍是現代物理學的一個未解之謎。這個想法假設時間是單向的或不對稱的。讓我直接問您：為什么時間旅行只適用于科幻小說，因此只適用于想象，而不適用于我們的日常現實。
FW: 這是一個非常復雜的問題。不僅在于內容，還在于形式。所以，讓我試著把你的問題歸結為要點。一個方面是，當物理學家談論全局對稱性時，他們指的是什么？（在我們生活的現實中）你不可能逆轉時間的方向，因此當你說：“如果我們逆轉時間的方向，就會發生這樣那樣的事情。”這聽起來像是形而上學。
但實際上，它指的是非常具體的東西。這意味著如果你遇到這樣一種情況，當粒子以一定的速度運動時，在某個初始時刻你知道它們在哪里以及它們移動的方向——這些是基于特定的方程的，你也可以在相同的空間中討論粒子朝相反的方向運動的情況。所以如果你改變（方程中的）時間的方向，它們就會朝相反的方向運動。你可以看到這兩種情況是否由完全相同的方程控制。時間反演對稱性說的是，如果你反轉系統中所有物體的旋轉方向和速度，你會發現它是由相同的方程描述的，就像你什么都沒做一樣。這就是時間反演對稱性對物理學家的具體含義。還有很多更復雜的細節，與自旋有關，與奇異粒子有關，但本質上就是這樣。在物理學中，我們發現這個原理非常非常準確。雖然不完美，但是非常非常準確。然而，在日常生活中，情況似乎并非如此。在我們的生活中，時間的前進和后退將具有完全不同的體驗。當然，它肯定不同。
那么，這與我提到的實驗是如何一致的呢？首先，作為實際問題，在任何復雜的系統中，我們無法改變每個粒子的運動方向，更不用說人體了。所以在現實中你不能真正做到這一點。你不能得到時間反演對稱的直接結果。過去和未來是完全不同的，這其中的原因很難簡單說清楚，盡管基本的方程向前和向后看都是一樣的。我認為現在討論整個過程不合適，但我還想說幾句。它的本質是，在最開始，在宇宙的最早期階段，宇宙溫度更高，密度更大，并且在膨脹。這就是宇宙大爆炸。大爆炸發生在過去，而不是未來。因此，這告訴你，過去的情況跟現在極為不同，我們正在走向一個與宇宙起源極為不同的未來。通過一系列關于結構形成和宇宙冷卻之類的爭論，你可以勾畫出說得通的關于宇宙的歷史，它符合我們關于時間的經驗，它只向一個方向流逝，盡管在基本方程中，如果它朝相反的方向運動，我們也會有相同的結果。
AP: 哦，好吧。科幻小說作家需要小心……
FW: 我的意思是，原則上有一種非常有趣的可能——我們可以通過扭轉粒子的運動方向，讓它們隨時間演化逆向運動，這樣它們就能重建更早時候的狀態。也許我們對一些關鍵的分子這樣做，可以實現逆轉衰老。但在實踐中，我們不知道需要逆轉什么關鍵元素（如果有的話），因此，時間反演對稱性這一基本定律在實踐的角度對我們沒有任何幫助。
AP：最后，我想問你一些對我很重要，但與物理沒有明確聯系的事情。我撰寫和發表了很多關于創新（innovation）的文章，幾十年來創新一直是一個流行詞，似乎現在仍然是。如今，從企業家到政治家，每個人都必須創新。作為一名科學家，同時也作為一名公民，您如何看待這個術語，它的概念，以及它在今天的意義？您認為在我們現在生活的世界里，發現（discovery）、發明（invention）和創新的概念有什么不同？
FW：我認為我們現在生活在一個非常特殊的時代，因為我們有了電子、微電子、計算機技術和電信等通訊手段和思維輔助手段。有了這些東西，人們可以更有效地交換想法。人們可以聚在一起思考。另一方面，還有更多的事情需要考慮，因為我們有非常強大的技術，并且對物質的理解非常非常好。于是我們可以在想象和計劃的基礎上設計東西，并確保它們能起作用，或者至少對它們能起作用有信心。這就是創新，它讓我們使世界的知識產生了爆炸性的增長，進而在各個方面做出改進。對我來說，作為一名物理學家，我非常自豪的是，如此多的創新來自于對物理世界和現實的深刻理解，這些理解最初是由那些對物理世界如何運作而感到好奇的人提供的，特別是我們正在談論的量子世界。
如果沒有對20世紀中物理學對物質的深刻理解，所有的微電子、晶體管、半導體等都不可能存在。并且進步還沒有結束，我們還沒有用盡這種對世界的深刻理解所開辟的潛力。事實上，理論本身告訴我們，還有更多的改進空間。我的偶像之一理查德·費曼在1959年發表了一篇名為《底部的空間還大得很》（There’s plenty of room in the bottom）[2]的著名演講，他預測了微觀世界的豐富性:即使在很小的物體中也有很多很多原子。如果你能熟練地操控它們，你就能做一些小機器，你就能做一些有用的事情，不管是在醫學領域，還是在計算機領域。原則上，他預見到各個方向能夠開辟出各種可能性;當然，他無法預測具體細節，但他指出了這個方向。現在我們看到它們體現在微電子、納米技術和現代通訊技術中。所有這些都來自于對這個微觀世界深刻、細致的理解。最近的一項諾貝爾化學獎頒給了建造分子馬達并理解如何做到這一點的人。所以，在很多方面，這門基礎科學為創新開辟了新的可能性。
你問我創新和科學發現之間的關系。我覺得它們有相互影響的地方。但從根本上說，好奇心驅動的基礎科學是更長遠的。它不關注你如何達到目標，你只是想要快速地或有效地達到它們。它把我們帶入未知的領域，在那里我們不知道我們在做什么，我們為什么要做。但這類事情為未來的創新提供了新的可能性。所以我想說，科學研究是不斷創新的，它是一個由長期的好奇心驅動的領域。而短期的創新可以收獲發現的果實。阿道夫·普拉森西亞 是科學技術領域的作家和專欄作家，是《宇宙是全息圖嗎？科學家對最具挑戰性問題的回答》一書的作者。

參考資料

[1] https://www.quantamagazine.org/how-axions-may-explain-times-arrow-20160107/ 

[2]  https://web.pa.msu.edu/people/yang/RFeynman_plentySpace.pdf本文譯自，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/