# 弗兰克·维尔切克：夸克、暗物质、复杂性、生命与外星人的物理 > 诺贝尔物理学奖得主从夸克讲到暗物质，讨论物理规律如何容许复杂性与生命存在。 - 原标题：#187 – Frank Wilczek: Physics of Quarks, Dark Matter, Complexity, Life & Aliens - 期数：第 187 期 - 发布日期：2021-05-29 - 嘉宾 / 主题：弗兰克·维尔切克 - 网页版：https://lexfridman-cn.pages.dev/ep/frank-wilczek/ - 官方页面：https://lexfridman.com/frank-wilczek/ - 精读字数：约 13487 字（阅读约 30 分钟） > 本文为 lex.qiaomu.ai 基于原始访谈的 AI 改写中文精读，非官方翻译；引用请注明出处并链接网页版。 质子和中子内部的夸克，彼此靠得越近，感受到的强力反而越弱。近到一定程度，它们几乎像自由粒子一样各走各的路，仿佛中间那根绳子松开了。这个结论和日常经验完全颠倒：常识里距离越近力越大，磁铁是这样，引力是这样，夸克偏偏相反。 这是弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）1973 年和戴维·格罗斯（David Gross）、戴维·波利策（David Politzer）一起算出来的结果，名字叫渐近自由（asymptotic freedom），几十年后拿了诺贝尔物理学奖。 要讲清楚这件事，得把量子力学和相对论同时请进来。探测极短的距离，必须用动量极大的探针去撞；动量一大，能量跟着大；能量一大，真空里就能短暂地冒出夸克和胶子，又迅速湮灭。维尔切克自己说，这套东西没法三言两语讲完，需要听众有相当的耐心。不过结论可以讲得很简单：存在一种非常特殊的力，由一种性质非常特殊的粒子，也就是胶子来传递，它让夸克在靠得极近时几乎不相互作用。 同样的道理反过来看，高能下这种相互作用也变得极弱。渐近自由把"距离近"和"能量高"两件事接上了，因为相对论把短距离和大动量绑在一起，量子力学又把大动量和不确定性绑在一起。早期宇宙温度高到原子核都散架，剩下的夸克和胶子飞快地跑，相互作用反而简单到可以拿来做科学计算。 > "宇宙诞生的时候是自由的。"（维尔切克） 维尔切克提到，他们当年做这项工作时，实验线索非常微弱，只能靠间接证据把它变成预言；二十年后同样的数据摆在眼前，夸克和胶子的径迹已经显而易见。当年国际会议上专门有分会场讨论 QCD 是否正确，热闹得很；今天同样精度的计算和实验被归入"背景本底"，人们把它当成理所当然，只盯着偏离理论的地方找新发现。前沿变成地基，地基变成无聊。 他还解释了强相互作用和核物理的关系。原子核里的质子中子靠强力结合，而强力本身是夸克和胶子之间的作用。这跟电子和光子构成原子、分子是同一类结构：电子和光子在化学里是真正活跃的角色，原子核太重、太迟钝，多数场合可以当作带正电和质量的点来看，真正热闹的是电子云和光子。质子和中子就像用夸克云做的"原子"，胶子扮演了光子的角色，只不过传递的是另一种力。他还把 QCD 和 QED 放在一起比：QED 里是一种光子、一种电荷，QCD 里是八个胶子、三种色荷，概念结构非常相似，都建立在粒子对电荷做出对称响应这件事上。 > "QCD 就像 QED 打了兴奋剂。"（维尔切克） ## 世界最不可思议的地方，是它居然可以被理解 被问到物理学里最美的想法是什么，维尔切克没有挑某个方程。他说最美的是我们能对世界的"操作系统"层面，给出一个既紧凑又精确又完整的描述。这是份非同寻常的礼物。而一旦发现描述和观测之间哪怕差了十亿分之一，我们就会坐立不安。 他引了爱因斯坦那句流传很广的话。 > "宇宙最不可理解的地方，就在于它是可以理解的。"（维尔切克引述爱因斯坦） 在维尔切克看来，这是 17 世纪科学革命最深刻的成果。牛顿力学开了头，让人看到可以追求完整性、精确性和简洁性，之后几百年这条路越走越宽，惊喜一直在继续。当然也有许多小一号的奇迹：方程的形式被高度对称性支配，结构出人意料地开阔，量子力学尤其如此。 主持人追问：这是事实还是希望？维尔切克说是事实。你可以指着全球人均 GDP 的增长，可以指着 LIGO 探测到遥远黑洞的碰撞，可以指着粒子物理把定律验证到十亿分之一的精度。纸笔算出来的抽象，和磁铁、加速器、探测器看到的真实，分属两套看似毫不相干的概念世界，它们必须对上，对不上我们就会非常不安。能做到这一点，说明我们对自然的理解已经相当深。 但他也划了边界。暗物质是什么，没人知道。知道了方程，也不等于解得出来，化学就是这样：原则上方程能预测分子行为，实践中除了最简单的情形都极其困难。还有一层，很多我们关心的东西是历史性的，是早期宇宙演化出来的结果，基本物理定律只是打地基，理解人、青蛙和社会需要完全不同的概念。 维尔切克还指出方程本身在提示自己的局限。动力学方程告诉你从某个起点出发会发生什么，却不告诉你起点该是什么。混沌和对初始条件的敏感，意味着就算方程在手，我们也无法精确预演它的后果。他打了个比方：想做苹果派，得先造一个宇宙。更聪明的做法是从苹果开始，别从夸克开始。 ## 对称性：从柏拉图的正多面体，到病毒的外壳 维尔切克写过一本书，叫《一个美丽的问题》（A Beautiful Question），书名就是那个问题：世界是否体现了美的理念？ 他的答案里，对称性占了核心位置。古希腊的柏拉图用五种完美对称的正多面体来构造原子模型，那个年代就已经有了"数学对称性应该支配世界"的直觉。现代物理在这个方向上远远超过了柏拉图，因为我们现在用到的对称性比柏拉图能想象的要强大得多，它们正是我们构建世界理论的原料，而且管用。 对称性是人类艺术里到处可见的东西，阿尔罕布拉宫的花砖、墙纸图案、装饰纹样，全都是。它同时也是现代基础物理的主导主题。维尔切克认为这不是巧合：人类是在跟世界打交道的过程中演化出来的，我们天生就喜欢、就擅长发现这类结构，所以会跟宇宙的规律产生共鸣。 他举了一个更朴素的例子。很多病毒的外壳是正多面体。原因是病毒很笨，它只会做一件事，就反复做同一件事：造一个五边形，再造一个五边形，再一个，都用同样的方式粘起来，最后得到一个高度对称的物体。西兰花那种层层分形的结构也是这么来的。秘密是愚蠢，把同一件简单的事重复做，就长出了复杂而美丽的形状。 连大脑也是这样。西班牙神经解剖学家卡哈尔（Ramón y Cajal）画的海马体等结构，看上去极其规整、极其繁复，本质上就是大量重复单元堆出来的。同样的程序被反复执行，就有了对称。 主持人提到陀思妥耶夫斯基那句话：美会拯救世界。维尔切克说，他不敢说美能拯救世界，但美确实是理解世界的一个重要洞见来源。研究最基本的相互作用时，那些过程发生在极短的距离上、发生在特殊粒子之间，粒子的性质只有高能下才显露，日常生活几乎给不出任何线索，实验又极难做，没法完全照着培根式的路子一步步从数据里归纳出定律。实际做法是猜。而这些猜测在相当程度上是美学性的：先设想一个跟已知事实相符、又足够漂亮的描述，拿去试，结果在很多深刻的场合里它真的成立。人类觉得美的概念，恰好也是支配世界运行的概念，他觉得这不是偶然。 ## 138 亿年压缩成一年，恐龙在圣诞节出现 维尔切克新书《基础：现实的十个关键》（Fundamentals: Ten Keys to Reality）里说，空间和时间都非常大。有多大？他给了一个方便换算的方法：把 138 亿年的宇宙史线性映射到一年。 大爆炸是 1 月 1 日零点。然后要等很久，恐龙才出现，出现在圣诞节前后，几乎是第 12 个月的最后。让哺乳动物和最终的人类从恐龙手里接过地球的那次灭绝事件，发生在 12 月 30 日。全部人类历史，只占最后一天的一小部分。一个人的一生，是这个间隔里极其微小的一段。 他还顺口说过一句很有意思的话：如果把视野放得足够宽，宇宙的历史比瑞典的历史简单，因为你的标准更低。 空间上可以讲一个类似的故事。可观测宇宙的尺度，就是光在 138 亿年里能走的距离，138 亿光年。这个距离非常大，相比之下，地球只是光秒的一个零头。要真正把握这样巨大的时间和空间，得用指数记法和抽象概念，靠心理上的直觉是抓不住的。 但维尔切克特意补了一句：这并不意味着我们渺小。他试着估算过，一个人一生大概能有多少个有意义的想法。问题有点模糊，但他觉得能定义得相当精确。 ## 一生能装下几十亿个想法 他的估算有几个互相印证的入口。最有力的一个是视觉处理速度。电影其实是一串静止的帧，我们的大脑也是这样工作的：取一帧，积分一段时间，再取下一帧，靠事后加工造出连续流动的感觉。如果闪烁频率太慢，你就会看出那是一串快照。那么临界点在哪儿？大约每秒 40 次。把 40 作为图像处理的速度，乘上一生，数量级就落在几十亿。 另外几条线索能对得上。熟练的钢琴演奏者能弹多快，游戏高手能操作多快，人说话能说多快，量级都差不多。所以他的结论是：一个人的一生，容得下几十亿个有意义的想法。具体是二十亿还是十八亿，他不打算争，任何合理的估计都落在 1 亿到 1000 亿之间。 主持人开玩笑，说 99% 的想法大概都是食物、性和互联网。维尔切克回应：生活里可不止赢诺贝尔奖这一件事。 主持人在这个基础上又推了一步。如果想法之间会相互作用，就像粒子之间会相互作用，那么可能性的数量会指数级爆炸，远远超过几十亿这个量级。所以世界是不可穷尽的，象棋这么简单的系统人类都无法完全掌握，最好的棋手现在也稳定输给电脑。但正因为不可穷尽，能找到简洁、强大、可压缩全部组合复杂性的普遍规律，才显得格外美。他说，我们或许能找到一套关于世界"操作系统"的普遍原理，同时世界永远保持不可穷尽。真正意义上的"万物理论"，他认为不存在。 ## 夸克、电子、光子：它们真的存在吗 维尔切克说，按目前最成功的描述，基本粒子是点，没有内部结构，小到不能再小。操作上，它们服从一组方程，方程里的实体是能量、动量、角动量的奇异集中，集中在单个点上。 这种数学结构在现实中只能部分显现，因为要想从波函数里读出精确位置，你得注入极大的能量，精确位置是一个理想化的极限，需要无限大的能量。但在数学层面，我们确实是用点粒子搭建世界的。 那么它们存在吗？维尔切克的回答很干脆：存在。电子存在，光子存在，夸克存在。存在是什么意思？精确的说法是，我们用来搭建世界的方程里包含一些可复制的实体，它们在整个宇宙里数量庞大，有确定的性质，比如质量和自旋，我们把这些实体叫电子。而物理世界里，确实能找到这种实体的大量样本。电子和光子可以单独隔离出来研究，可以检查它们是否完全一致，化学之所以能成立就靠这个。光子如今还能一个一个地研究，测出它的自旋和其他基本性质，把方程检验得很细。 夸克和胶子要麻烦一点。方程里的夸克和胶子不会以可以单独隔离的粒子形态出现，它们永远待在被束缚的结构里，比如质子大致是三个夸克加大量胶子。但在高能下，它们能在一段时间里相对自由地传播，我们可以拍下它们的径迹，然后再被重新捕获进质子和其他介子里。这正是维尔切克拿诺贝尔奖时所做的预言：高能下的这种表现会被观察到，而且确实被观察到了。胶子没法像电子那样单独隔离研究，可你可以在理论里把它们当作构建可观测事物的原料，也可以在高能加速器上让它们短暂获得自由，拿到它们留下径迹的证据。 ## 我们写得出方程，却解不出质子 QCD 的方程很漂亮，在高能加速器上经受了严格检验，有人想推翻它，推不倒。但有一个尴尬的事实：没人能证明，这套建立在夸克和胶子之上的理论，真的会产生我们在现实里观测到的质子和中子。这叫做"禁闭问题"。人类没法用自己理解的方式解析地证明它。可是把这些方程放到超级计算机上跑，出来的结果就是这个世界的样子。 这件事引出维尔切克对"人类认知有没有根本极限"的态度。萨拉·沃克（Sarah Walker）担心我们身处系统之内，可能永远无法理解自己所在的系统。维尔切克说，我们当然有限制，处理信息的能力有限，但我们可以借仪器弥补感官的不足，也可以在不同问题上用不同种类的概念。他举了自己熟悉的例子：人类解不出 QCD 方程，但计算机能解，未来还可以借助"硅基朋友"及其后代，用另一种方式去理解。他看不到任何逻辑上的死路或悖论会让这个过程停下来。 他说，我们有一种由方程本身带出来的认识，同时还有一种机器给出来的认识，两套认识并存，人类未必都能用概念消化，但理解的总量在增长。碰到能力的边界，就去找变通办法，有时靠概念，有时靠仪器，有时两者一起用。现在就灰心，为时过早。 他还提到玻尔的互补性作为方法论。同一个人，要给他开药、判断他高速运动或受辐射会怎样，你得用物理学的思路，因为他由物质构成；要预测他在某种情境下的行为，你得用心理学的概念。两种思路都对，用在不同的问题上，互相不冲突。 ## 互补性：同一个东西，两套都对的说法 维尔切克把互补性放在《基础》最后一章，认为它是全书最高一层的心得。前面那些内容，世界的尺度、可理解性、复杂性从简单里涌现，大体上都属于关于世界的事实；互补性更像一种面对世界的态度，由这些事实鼓励出来。 它的意思是：对同一个对象、同一个系统、同一个处境，用完全不同的描述去回答不同的问题，可能既恰当又不可避免，两套描述甚至互相无法翻译、互相无法理解，但各自都对，各自带来不同种类的洞见。 最严格的形态出现在量子力学里，而且是可以证明的定理。一个电子的主要描述是它的波函数。波函数可以预测它出现在各处的概率，也可以预测它各种动量值的概率。想拿到位置的概率，你得用一种方式处理波函数；想拿到动量的概率，你得用另一种方式处理。这两种处理方式在数学上互不相容。维尔切克打了个比方：一块石头，你可以雕成维纳斯，也可以雕成大衛，但没法两者兼得。 海森堡不确定性原理是这件事的物理对应物，位置和动量不可能同时确定。爱因斯坦对互补性一直不舒服，他和玻尔那场著名的论战，核心就是量子力学里的互补性到底是宇宙的永久特征，还是我们暂时描述方式的问题。到目前为止，量子力学一路赢，连爱因斯坦用来挑战它的 EPR 实验，最后也变成了对它的确认。互补性是不是最底层的真相，谁也说不准，但它的表现好得惊人。 维尔切克强调，互补性在别的地方更多是一种智慧，而不是定理。他举自由意志和决定论。他觉得这两个东西都成立：从"上帝视角"看，大脑里发生的一切可以是确定的；从大脑自己的视角看，也就是我们叫做"自我"的那部分，只能接触到极小一部分信息，它体验到的是自由选择。他相当确信事情最后会这样收场。自由意志是我们确实体验到的，也是心理学和法律里不可缺的概念，同时他相信心智从物质中涌现，而物质有另一套描述，大致是决定论的。量子力学的微妙之处在这里他认为不相干。 这种思路的好处是宽容。它承认理解一件事可以有很多条路，路多了是加分，不是减分。他讲了个约翰逊博士的段子：约翰逊和鲍斯威尔讨论一场布道，布道的高潮是讲者说"我接受这个宇宙"，约翰逊回了一句，你最好接受。接受宇宙有它的快乐，因为那让人心智开阔。他也提到，从哥白尼到达尔文再到今天，物理学一次次教人谦卑：地球不在中心，人不是造物的顶点，心智从物质里长出来，用不着什么特殊的生命力或者灵魂。可他把互补性看成一种解放性的概念，承认只有一种想问题的方式，反倒会限制人。 ## 一个"几乎成立"的对称性，引出了暗物质 先解释几个字母。C 是电荷共轭，把所有粒子换成反粒子。P 是宇称，也可以叫空间反演，就是照镜子，看镜像里的世界是否遵守同样的规律。20 世纪中期，人们发现 C 和 P 都不完全成立，照镜子能分辨出哪边是镜子、哪边是真实世界。这些例外后来引出关于中微子和弱相互作用的大量洞见。 再加上 T，时间反演，把一段电影倒着放。物理学有很强的理由相信 CPT 合起来是精确对称的，它的地位跟相对论、量子力学差不多。既然 CPT 精确成立，CP 就等价于 T。观测显示 T 也不是精确对称，只是"几乎"精确。 麻烦出在这个"几乎"上。一个规律如果精确成立，哪怕它奇怪、多余，你还可以说它是世界的基本特征，接受它。可它只是近似成立又不完全成立，那就很难受，你必须解释为什么差那么一点。1960 年代，克罗宁（Jim Cronin）和菲奇（Val Fitch）发现了这种时间反演对称的微小破坏。此前几百年物理学的发展里，方程倒着放看起来总是同样成立，这个性质对描述生命毫无帮助，甚至有点尴尬。人们花了很长时间，把它当成统计力学和热力学基础里的难题来处理，想弄清宏观上明显不可逆的行为，怎么从几乎可逆的方程里长出来。这至今仍是一个有意思的课题，而且现在成了一个活跃的前沿，去探索这条可逆与不可逆的边界在哪里，时间晶体就是边界附近的现象。 在相对论、量子力学和规范对称性共同构成的框架里，违反时间反演对称的相互作用只可能有两种。一种发生了，带来了非常丰富的理论，解释了克罗宁和菲奇的实验，还做出许多成功预言，它可能跟今天宇宙里物质和反物质的不对称有关。另一种按理说也可能发生，却完全没有发生。为什么没有？这就是强 CP 问题。 维尔切克和不少同行有一个方案，他自嘲当年是"旷野中的声音"，如今这个想法已经变得流行，甚至可能成了主流。这个相互作用的强度未必是常数，它可以是场，一种随空间和时间变化的东西。让这个场从早期宇宙演化下来，它会自然沉降到一个刚好让规律几乎精确对称的值。看起来像常数，其实是一个演化出来的场。 更妙的是，它不会精确沉降到零，还会残留一点振荡。这个场极其刚性，极小的振荡也意味着巨大的能量，能量的表现就是粒子。这些残留振荡的粒子，就是轴子（axion）。按这套理论算，轴子气体填满宇宙的能量密度，恰好是天文观测需要的暗物质，性质也刚好对得上。轴子原本是为另一个问题设计的，可方程一算就把它算了出来。维尔切克觉得这是好兆头。 他也说了实情：轴子至今没有被确认探测到，之前出现过几次假警报，目前没有令人信服的证据。探测极难，因为轴子相互作用极弱，需要专门设计新型天线。如果容易，早就做成了。他预计未来几年到几十年，灵敏度有可能做到能真正检验这套想法的程度，进而解开暗物质这个占了宇宙很大一块的谜。 ## 时间晶体：在时间里结晶，却不是永动机 维尔切克先讲什么是晶体。晶体是原子在空间中的有序排列，很多材料缓慢冷却就会自发形成晶体。这个状态的一个重要特征是：晶体本身的对称性比生成它的方程要低。基本物理方程在平移下保持不变，晶体不是，原子待在特定的位置上。 时间晶体是同一件事在时间里的版本。某些物质状态在被温和对待、任其自然时，会自发把自己安排成有节奏的行为，这种节奏无限重复。这就是"在时间里结晶"。除此之外还有时间液体，还有时空晶体，那种图案每走一步时间，同时在空间里也移动一段，才会重复。 问题随之而来。在时间里重复，看上去很像运动；无限重复，看上去很像永动机。维尔切克说，热力学定律要重新审视一下。热力学定律本身不属于基本物理定律，它们是在某些条件下从基本定律推导出来的，不是单独假设出来的，推导的适用范围有限，并不普适。时间晶体就是一类边界情况。 但它不提供免费午餐。那些东西确实在动，可它们本来就想那样动，处在能量最低的配置上。你想从里面提取能量，会失败，因为没有多余的能量可取。你可以注入能量去扰动它，却没法从中榨出能量让它自己再转回去。文献里说的永动机，通常指那种可以提取能量、还能自己恢复的宏观运动，时间晶体不属于那一类。 ## 大爆炸之前，方程自己先崩了 维尔切克提醒，关于大爆炸有个常见的误解，以为它像一枚炸弹在空无一物的空间里炸开，填满周围的场所。实际情况是，大爆炸发生在空间之中，是整个空间本身在膨胀。把它倒着放，物质会聚拢成极其炽热、极其致密、同时又非常均匀的等离子体，里面是各种基本粒子：夸克、反夸克、胶子、光子、电子、反电子，全都有。温度远高于太阳表面。如果直接照着方程推下去，预测的温度会趋向无穷大，方程就崩了，这叫奇点。我们并不知道那一刻真正发生了什么，要想处理最初那一瞬间，需要另一套方程。 至于为什么一开始会是这样，我们不知道。有大量证据表明它确实如此，但那个地方没法去，也做不了对照实验，留下的记录被处理得非常厉害，得靠极精细的技术和强大的仪器才能挖出幸存的信息。 维尔切克对"能不能理解大爆炸之前"持乐观态度，两方面都乐观：观测上能测得更多，理论上能算得更多。他特别看重引力波。引力波和普通物质相互作用极弱，所以它从大爆炸那里带出来的信号几乎是没被加工过的。信号很弱，因为走了太远的路，在巨大空间里被摊薄了，但人们正在准备探测来自早期宇宙的引力波。 LIGO 在他看来是一项了不起的工程成就，是地球上最灵敏、最精密的装置，人类能造出这种东西，从工程角度看简直令人敬畏。不过早期宇宙的引力波波长可能比 LIGO 能感应的长得多。他提到一个正在被构想的美丽项目：把激光器放到太阳系里不同的位置，用人造行星或人造卫星把它们隔开，看它们之间极微小的相对运动，作为大爆炸辐射的信号。那是太阳系尺度的传感器。 > "那会是人类事业的一个顶峰产物。"（维尔切克） 还有一条间接路径：早期宇宙的引力波也许在光子，也就是微波背景辐射上留下了印记。微波背景是我们目前窥视最早期宇宙的方式，可那些光子跟物质作用强得多，被加工得厉害，给不出那么原始的图像。如果引力波穿过时留下了痕迹，我们也许能把它读出来。眼下就有人在拼命往这个方向做。 这样一件事牵扯的知识从极小到极大：得理解它们怎么运动，理解所用光的性质，理解光的干涉，得用激光造出光，得懂量子理论，得把时序掐准。全部动力来自好奇，规模却是宏大的。维尔切克说，如果人类真做成了，他会为自己是人而骄傲。 ## 从均匀的汤里，长出会提问的动物 早期宇宙相当均匀，但并非完全均匀，原始等离子体里有万分之几的密度涨落。随着时间推移，引力不稳定性让密度差越滚越大：密度高的地方引力更强，吸来更多物质，变得更密，如此循环。物质有天然成团的倾向。 接下来是复杂的过程。我们知道定律，可在细节上要挥一挥手。基本理解是，物质成团之后能够辐射，放出能量，于是冷却下来，进一步聚拢，形成恒星、行星。这套场景在粗线条上没有谜团，方程告诉你它该发生。但参与的基本单元太多，把单个单元的定律应用到这些系统上，计算上极其艰难。更深一层，方程带有混沌和对初始条件的敏感，初始状态里极小的差别可以导致后来行为的巨大差异。到某个点上，基础物理就摆手说，接下来是化学家和生物学家的问题。 那么复杂结构怎么可能出现？维尔切克说，温度合适、材料合适，这些条件凑齐了，复杂结构才有机会生长。你需要能形成相当稳定的化学键，才撑得起复杂结构；同时这些键还得能被打破一点，比如靠太阳注入能量。碳在这件事上特别幸运，它能搭出骨架、长出分支，构成我们叫做生物化学的东西。既要有变化的可能，又要有够用的稳定性，两头都得有。 想知道原则上可能发生什么，物理能告诉你；想知道实际发生了什么，就得去查化石记录，去问生物学家。这些提问方式彼此互补，用不同的概念、不同的语言，回答不同的问题，互相之间并不矛盾。 主持人提到一个有意思的视角：早期那些量子涨落，可以说是我们最早的祖先。维尔切克说，这差不多是印度哲学"梵我一如"那个意思的现代版本。你问那些涨落是什么，它们正是复杂性从中演化出来的种子，包括人。除了那些涨落，别的什么都不需要。 ## 外星人：生命的条件可能到处都有，智能未必 维尔切克说，我们并不确定，但他强烈怀疑宇宙里有别的智能文明。依据是地球上这唯一的样本。我们大致知道哪些条件对生命有利：合适的温度，能长期维持这个温度的恒星，液态水环境。地球大约 45 亿年前成形，条件一具备，没过多久，我们所谓生命的痕迹就出现了。地球上能找到几乎和地球同龄的原始生命形式。地球从炽热的球体冷却成带水的固体之后，生命出现得非常快。所以那些一般性条件，可能足以让生命相对迅速地发生。 但从这一个例子推结论很危险，他也承认。智能生命的出现是另一回事。它花了很长时间，而且长期看相当偶然。生命史上大部分时间都是单细胞的东西，多细胞生命大约 6 亿年前才出现。智能更像是奢侈品：长着大肚子的生物远比长着大脑袋的多，多数生物压根没有像样的脑。恐龙统治了很久，有些相当聪明，可充其量是鸟脑水平，鸟类就是从恐龙来的。事情完全可能一直那样下去。人类的出现非常偶然，在演化尺度上也是极近的事。 所以他倾向于认为，某种形式的生命条件在宇宙里、甚至在我们银河系里，可能被满足很多次。至于智能生命或技术文明，他没那么确信，那看上去更偶然、更特殊。银河系里只有我们一个，在他看来是可能的。他也坦白，不同日子他的看法不一样。他还提醒一句：在保持谦卑的意义上，我们这种智能未必有多特别，可能还有别的种类的智能，更宽泛地说，还有别的种类的生命。 主持人提到萨拉·沃克，两人刚聊过怎么从物理角度定义生命。维尔切克觉得"什么是生命"这个问法有风险，因为答案的精确度不可能超过问题本身。这个问题预设了我们已经知道生命是什么，而且它是个能清楚分辨的自然现象，可实际存在病毒这样的边界情况，甚至有人说电子有意识。概念本身模糊，就很难得到精确的科学答案。 不过他提出一个相邻的、更有产出的问题：物质可能有哪些状态？中学里学固液气三态，那只是表面。物质能以宏观上不同、有意义的方式组织起来，这些形态叫相，相的精确含义几十年来已经被琢磨得相当清楚。我们不断发现新的物质状态。有些跟生命直接相关，液晶就是细胞膜的重要成分，对细胞膜的工作方式很关键。最近十来年还出现了带动力学的物质状态，图案在时间里重复，也就是时间晶体，这个方向正在蓬勃生长。至于是否存在对应生命的物质状态，维尔切克说也许有，但答案没法比问题更确定。 主持人在这里表示不完全同意，认为问题指向一个方向，答案有可能比问题更精确。就像可以先去发现某种物质具备的宏观特征和模式，回头再决定把"生命"这个词安在它头上。维尔切克说这跟他想的没有冲突。科学史上常有这种事：日常词汇被重新加工成科学术语，"力"和"能量"都经历过，"对称"也是。日常用法跟科学用法可以差很远，科学用法会获得自己的生命，我们会逐渐弄清哪个版本有用。 所以他愿意接受这样的说法：如果我们能识别出某种物质状态或一组相连的物质状态，能自我复制、能发展、能处理信息，我们也许就会愿意把它们归为生命。 ## 意识、自我觉知，以及机器人的后门 话题转到最难的意识。维尔切克说，意识这个词同样不精确，带着大量联想，做科学分析时不该从它开始。科学常常是从简单的情形起步，往上走。 他更愿意谈自我觉知。这个词去掉了那层神秘光环，而且跟反馈的概念是连着的：一个系统观察自己的状态并对它做出反应，这就是一种自我觉知。更复杂的版本出现在信息处理系统里，计算机查看自己的内部状态并据此行动。神经网络里也能做到，那叫递归神经网络，很难理解，属于前沿。他认为把这些搞清楚，逐步建立起能概念化不同层次自我觉知的丰富理论，会照亮关于意识的问题。相比之下，托着下巴谈感受质（qualia）那一套，永远做不到这一点。 还有一个他更看重的角度：把意识当作演化产物来问，它为什么有用。大脑的代价很高，代谢需求大，需要活跃的生活方式，需要恒温，还会挤占消化等功能的资源，在演化中很稀有。既然这么贵，就必须有回报。他相信回报很大一部分在社会互动上。 主持人提到机器人学的路子：可以工程上做出表现出意识特征的东西，未必需要先理解它怎么工作，等于从心理学那道门绕进去。维尔切克说他们想法一致。他补充说，他道德上确信，从递归神经网络、机器人设计、先进计算机设计里会浮现出来的结论是：以结构化的方式查看内部状态，只查看经过高度加工的信息，只查看被封装起来的一小部分，做出选择却不知道选择是怎么做出的，这些东西对高效的信息处理非常关键。系统里同时会有一个"无意识"。这正是它演化出来的原因，因为它有用。 主持人还提到，从演化角度看，意识在人际沟通里像是一件有用的工具，先有意识的展示，展示和本身之间有一片灰色地带。维尔切克说，无论意识最终是什么，从它的用途入手、从简单案例往上走、从高效计算包括高效处理社会互动的工程经验往上走，都会真正照亮这些问题。相比之下，抽象地冥思意识，永远做不到。 ## 万物理论：漂亮，但多半没用 维尔切克谈了对"万物理论"的看法。狭义上，它指把现有物理定律统一起来，把广义相对论和量子场论装进同一个框架。他说有这样的东西挺好，美学上会让人愉快。但它有用吗？大概没用。他承认这话说得很危险，可他确实这么认为，至少在可预见的未来没用。 也许能帮我们理解黑洞。可黑洞也不实用。更严重的是，现有理论框架回答不了的那些关于黑洞的问题，在未来很长时间里也不大可能被天文观测检验。那些问题涉及极小质量的黑洞，量子效应开始起作用，霍金辐射才会登场。对天文学尺度上的黑洞，霍金辐射的速率小到绝对无法观测，被其他各种效应彻底淹没，这个预言从来没被检验过。 所以现有理论对技术问题完全够用，对绝大多数天体物理和宇宙学问题也够用，例外只在极早期宇宙。你想问大爆炸之前发生了什么，或者大爆炸那一刻发生了什么，那确实需要更好的理论。 主持人提到埃里克·温斯坦（Eric Weinstein）的观点：要想离开地球、成为多行星物种，得先解决物理学问题，找到所谓的"源代码"，用万物理论去改写现实的底层，拿到捷径。维尔切克说，他不能说这一定不会发生，但他可以说，1970 年代到 1980 年代初，人类在理解物质上取得了巨大的进步，QCD、对弱相互作用和量子力学的更好理解都在其中，而这些对技术的影响微乎其微，对火箭设计、对推进、对任何技术都没有明显帮助。现在讨论的东西更玄，他没法断言它们不影响技术，但他非常怀疑。要接触那些东西，需要极端的条件、需要昂贵的加速器去造新粒子，产量还很少，这是空想。 谈到太空探索，他说这更像是生物学和信息处理的问题。人体并不适应太空。火星是附近最接近人类环境的地方，可要在火星上维持人类生存极其困难，代价高昂，极不稳定。如果对"把人类文明带出地球"做更宽的理解，满足于派出能对话的机器、能操控的执行器、能反馈的传感器，他认为这条路线现实得多，也是太空探索的长远未来。把人的身体搬来搬去，是件傻事。 他补充说，也可能有别的形态：把人的寿命延长，或者把心智的某些部分、某些信息延伸出去，也可能是把实现类似人脑架构的细胞或脑组织放进适应太空条件的人造外壳里，也就是人机混合体，再加上能远程通讯的前哨。这些他认为都会发生。而这类事情真正靠得上的，是广义上的物理学，不是再去找一条新定律、一个新夸克或一个轴子，而是物理学分析复杂情境、分析新物态、设计巧妙仪器的经验。这些经验对这种事业贡献巨大，可寻找所谓万物理论跟它关系不大。 ## 探索与利用：一个五十岁物理学家的自由 话题最后落到死亡。维尔切克说，用"害怕"这个词不对。他希望这件事别发生，他想要更多时间，但他不太去想它。 他更愿意从操作层面去想，就是计算机科学和机器学习里那对经典权衡：探索与利用。身处陌生环境时，你想多探索，看清地形、收集数据；到某个节点，你想利用已经积累的知识，做决定，说这就是我要做的事。你预期能利用的时间越长，就越该在探索上多花力气，往新方向走。他因此调整过自己的探索与利用比例。 他提到一段往事。几年前他 50 岁，在高等研究院，办公室正好在弗里曼·戴森（Freeman Dyson）楼下，两人关系不错。戴森听说他 50 岁生日，道了声恭喜，说你该感到解放了，因为没人会对一个 50 岁的理论物理学家抱多大期望。戴森显然从到达某个年纪这件事里得到了解脱。维尔切克说这里面确实有点东西。他不必再紧跟粒子物理或弦理论里最新、最技术化的进展，因为他本来也不会去利用那些东西。他探索的方向转向机器学习这类领域，同时在物理内部集中精力去利用已经建立起来的东西。眼下他很投入的一件事，是帮实验人员和工程师设计能探测轴子的天线，这属于深度利用阶段，不再是寻找新定律，而是用已有的定律把故事讲完。 他说自己现在过得很快乐，不想因为老想着它会结束而给这份快乐蒙上阴影。这是一份他没挣来的礼物。被问到生命的意义，他的回答是跟所爱的人互动，跟家人在一起。他现在有很广的朋友圈，也在试着创造一些能比他本人和他的工作活得更久的机构。这是个正反馈循环：你做了件事，别人欣赏，你就想做更多，又得到回报。他说这同样是份他没挣来、也搞不懂的礼物，他有一套多巴胺系统，他很乐意用。 主持人说，创造的过程、探索的过程似乎能给他能量。维尔切克说非常如此。而所有这一切，都始于大爆炸后不久的那些微小涨落。 ## 给年轻人的三条建议 访谈快结束时，维尔切克给了三条他自认为普遍适用的建议，也让人去读他那本《基础：现实的十个关键》。 - **撒一张大网。**真正去四处看，看什么有前景，什么能抓住你的想象力。这两件事要平衡：有些东西能抓住你的想象力，可问题还不成熟；有些东西本身可能你原本不感兴趣，但只要你能看出那里有新想法在发酵、有活力，它就自带吸引力。他当年读本科时本想研究哲学，想搞清心智如何从物质里涌现，但判断那个时机不对，不适合他擅长的那种数学思考和概念化。今天做这件事比过去容易，网上什么都能看到，不过也要小心，垃圾很多，稍作挖掘就能分辨。别只听导师或老师让你做什么，自己去看，看什么看起来有前景，而不是十年前看起来有前景的东西。 - **读历史，读大师。**他说自己早年在物理上受益极大，读爱因斯坦的原著、费曼的讲义、达尔文、伽利略。你能从中学到跟困难想法搏斗是什么样子，伟大头脑是怎么做的，也能学到风格，怎么把想法写清楚、表达清楚。他也喜欢读传记，那能把创造这些想法的人还原到人间：做这些事的确实是人，而且会犯错。他说罗素、H.G. 威尔斯都曾给过他启发。选定一个方向之后，去了解这个方向的历史，那能给你上下文，也给你一种共同体感和宏大感。 - **尽快把基本功拿下。**想做理论工作，得学微积分、多元微积分、复变函数、群论。想做实验工作，如今必须高度熟悉计算机，还要懂电子学、光学和仪器。早点把这些练成，就像学一门语言，要能流利、自信地表达，最好让它变成你的母语，让你不用去想"导数是什么"，它就在你骨子里。这三件事可以并行做，也应该并行做。 主持人最后说，无论那些初始条件和涨落做了什么，它们创造出了维尔切克，他很高兴。维尔切克回应说，他在跟物理现实深度互动中享受到的那种心智开阔，可以传达给很多人，让很多人也享受到，这是他人生的一项使命。