EP 1872021-05-292:22:20
世界可理解、互補性與軸子
Frank Wilczek
諾貝爾獎物理學家 Frank Wilczek 從「世界為什麼讀得懂」談起,一路講到互補性、漸近自由、軸子與暗物質,最後留給年輕人三條建議。
Frank Wilczek: Physics of Quarks, Dark Matter, Complexity, Life & Aliens | Lex Fridman Podcast #187在 YouTube 看 ↗
重點6 條
- 最美的是世界讀得懂:Wilczek 認為物理最美的地方,是能用簡潔又精確的方式描述世界的「作業系統」,而且理論與實驗彼此對得上。Lex 追問這是事實還是希望,Wilczek 舉各國人均產值的成長與精密到十億分之一的檢驗當例子。
- 規律不等於全部:定律只告訴你從某個起點會演化成什麼,不告訴你起點該是什麼,加上混沌的敏感依賴,基本定律推到人、青蛙與社會就走不遠了,需要完全不同的概念。Lex 提到從頭做蘋果派得先造出宇宙,他回說從蘋果開始比從夸克開始好得多。
- 互補性是一種態度:同一個對象可以用彼此不相容、卻都成立的描述去回答不同的問題。在量子力學裡這是定理(位置與動量),在自由意志與決定論上則是他覺得安心的看法:他推測上帝視角可以是決定論的,自我視角看到的是自由意志。
- 夸克抓不出來,但看得到軌跡:漸近自由讓夸克在高能量、短距離下幾乎自由,所以能在加速器裡看到它們的軌跡。Wilczek 也說,這套理論真的會產生質子與中子,沒有人能用人類看得懂的方式解析證明,是靠大型電腦算出來的。
- 軸子可能同時解兩個謎:強 CP 問題要解釋定律為什麼幾乎、但不完全對時間反演對稱。他說這套理論裡的場剩下的微小振盪,算出來的量剛好符合天文學家要的暗物質。他也說目前沒有令人信服的偵測結果。
- 生命很可能常見,智慧未必:Wilczek 認為生命的條件大概在宇宙很多地方都成立,連銀河系裡也是,但智慧文明的出現很偶然,銀河系裡只有我們也說得通。至於什麼是生命,他比較想問「物質有哪些可能的狀態」。
時間軸26 段
Lex 問物理最美的想法是什麼。Wilczek 說是世界能被簡潔又精確地描述。理論與實驗兩個不同的世界非得吻合不可,否則大家會很不安。
Lex 說也許有些東西是人腦與科學工具都碰不到的。Wilczek 回應:基本物理很成功,但暗物質還不知道是什麼,化學的方程式除了很簡單的情況都很難解,定律也沒說起點該是什麼,混沌又限制了推演。
Lex 問書裡的「世界是否體現美的概念」。Wilczek 談柏拉圖的正多面體、現代物理更強的對稱,並說人類演化出來的審美和世界的結構對得上。簡單病毒的蛋白外殼與花椰菜的碎形,也是同一個規則重複做的結果。
Lex 請他簡述時空的歷史。Wilczek 把 138 億年壓成一年:恐龍出現在聖誕節,大滅絕在 12 月 30 日。他又以每秒約 40 幅畫面的視覺處理速度估算,一個人一生有幾十億次有意義的念頭,所以人在時空裡並不渺小。
Lex 談想法在人與人之間演化。Wilczek 說一旦加入互動,可能性就呈指數成長,連西洋棋人類也無法徹底理解;世界因此取之不盡,不會有任何有意義的萬物理論。
Lex 問怎麼想大霹靂。Wilczek 先澄清不是炸彈在空無的空間裡爆開,而是處處都是極熱極密的均勻電漿。往回推溫度會變無限大,方程式失效,用現有方程式得不出大霹靂之前的合理圖像,要靠別的方程式。
Lex 問人類能不能弄清大霹靂之前。Wilczek 對觀測與理解都樂觀,寄望重力波與微波背景,並提到在太陽系尺度上放置雷射來偵測長波長重力波的構想。
Lex 問均勻的初始湯怎麼長出無毛猿。Wilczek 說密度有約萬分之一的起伏,重力讓物質聚成恆星與行星;碳能做出骨架又能被陽光打斷鍵,才有生化。物理、化學與化石紀錄是互補而非互相矛盾的說法。
Lex 問宇宙中有沒有別的智慧文明。Wilczek 說地球冷卻後生命很快出現,所以生命的條件大概到處都有;智慧卻晚得多、偶然得多,銀河系裡只有我們也說得通,他自己的看法每天不同。
Lex 說生命的定義是最根本的問題之一。Wilczek 認為問題本身太模糊,更有用的是問物質有哪些狀態,例如液晶(細胞膜)與時間晶體,並看有沒有一類能自我複製、發展、處理資訊。Lex 反駁答案可以比問題更精確,他同意,說力、能量這類日常用詞也是這樣被收編成科學術語。
Lex 問泛心論與意識的物理。Wilczek 想先研究自我覺察:系統看著自己的狀態並做出反應,遞迴神經網路是入口。他預期會冒出類似潛意識的部分,Lex 則談機器人互動中表現意識的用處。
Lex 轉述 Sarah Walker 的疑慮:觀察者也是被觀察的一部分,工具可能不夠。Wilczek 說可借助電腦與儀器,用 QCD 的夸克禁閉為例:人算不出來,機器算得出來。
Lex 說要往不同方向跳出框架思考。Wilczek 說他把這提升成承襲波耳的互補性原理:要用不同方式思考同一件事。互補性是這本書的收尾,意思是同一個系統可有彼此不相容、卻都對的描述;量子力學的位置與動量、處理波函數的方式像雕大衛或維納斯,只能選一個。愛因斯坦對此很不自在。
Wilczek 把互補性用到自由意志與決定論,Lex 說兩者既是幻覺也不是,Wilczek 同意。接著談哥白尼、達爾文、心智來自物質這幾堂謙卑課,以及接受宇宙的喜悅與互補性帶來的寬容。
Lex 覺得「我是自己行動的決定者、同時又不是」很繞。Wilczek 認為這會連到自我覺察:上帝視角可以是決定論,大腦自己的視角卻經驗到選擇,這在心理學與法律裡不可或缺。他也坦承這是對未來理解的推測。
Lex 問宇宙中最小的是什麼。Wilczek 說就目前所知,基本粒子在數學上是點,沒有內部結構;存在的意思是方程式定義的實體在世界上大量存在,而且每一個都一樣。夸克總是結合在質子裡,但高能時能短暫自由傳播,留下軌跡,這正是他得獎的預測。
Lex 問夸克靠得越近、作用越弱為何成立。Wilczek 說這牽涉量子力學與相對論,用橡皮筋比喻拉越遠越緊,並說他們找到了基本上唯一合乎要求的方程式,現在對 QCD 的檢驗已是計算背景。
Lex 問強核力和夸克之間的作用。Wilczek 說夸克與膠子之於核物理,像電子與光子之於原子;質子與中子像是原子,核力則像分子間的殘餘力。他把 QCD 說成「QED on steroids」:八個膠子、三種色荷,早期宇宙在高能下變得簡單。
Lex 問軸子與強 CP 問題。Wilczek 先解釋電荷共軛、宇稱、時間反演,說 CPT 是準確的對稱,但 Cronin 與 Fitch 在 1960 年代中發現時間反演並不完全對稱。理論只容許兩種違反方式,一種出現了,另一種為什麼沒出現就是問題。
有個有希望的提案是把那個耦合強度當成會演化的場,它會停在讓定律近乎對稱的值,殘餘振盪就是軸子。算出的量剛好像暗物質。Lex 問是否已有驗證,他說目前的訊號都不令人信服,要靠新型天線,希望未來幾年或幾十年內檢驗。
Lex 問時間晶體。Wilczek 說晶體是原子在空間的規則排列,時間晶體則是物質自發在時間上有重複的規則;看起來像永動機,但那是能量最低的狀態,抽不出能量,所以不違反熱力學。
Lex 問萬物理論有多近。Wilczek 說有的話很好、美學上也令人滿意,但大概沒什麼用,至少可預見的未來不會:現有理論足以應付所有技術與絕大多數天文問題,最明顯的例外是極早期宇宙。
Lex 轉述 Eric Weinstein 的想法:新物理或許讓人能破解現實。Wilczek 說 1970 年代到 1980 年代初的突破對火箭設計幾乎沒有影響,他覺得這比較像是生物學那一類的問題;未來更像是送出能對話的心智與機器,而非人體。Lex 提出延壽與人機混合。
Lex 請他給年輕人建議。Wilczek 給三點:撒開網看哪些領域有活力、讀大師的原著並了解所研究主題的歷史、盡早把微積分、群論與電腦等基礎練成母語。Lex 提到傳記,他同意。
Lex 問他怕不怕死。Wilczek 說用探索與利用的取捨來想:預期利用期越長,探索就該越多。他說五十歲時 Freeman Dyson 對他說的話讓他覺得有幾分道理,不必再追最新的高深發展;他仍在機器學習等方向探索,物理上則轉向利用既有成果,例如協助設計偵測軸子的天線。
Lex 問這份賺不來的禮物為何這麼好。Wilczek 說是家人、很大的朋友圈、希望能留下比自己更久的機構,以及做出成果被認可後想再做更多的正回饋循環。