允中發(fā)自凹非寺量子位|公眾號(hào)QbitAI我們來自量子漲落，也都是恒星的塵埃
搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼首席執(zhí)行官、物理學(xué)博士張朝陽與劍橋大學(xué)教授、英國(guó)皇家科學(xué)院院士湯大衛(wèi)（DavidTong）展開了一場(chǎng)物理對(duì)話。
從牛頓定律到量子前沿，從飛行奧秘到黑洞碰撞，二人拆解硬核物理知識(shí)，并分享了物理學(xué)發(fā)展中的理論突破與科學(xué)趣聞。
7月11日、16日，張朝陽還分別與2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、2025年基礎(chǔ)科學(xué)終身成就獎(jiǎng)得主、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士、加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授戴維·格羅斯（DavidGross），著名物理學(xué)家、德國(guó)洪堡研究獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士徐一鴻（AnthonyZee）展開對(duì)話，共同探討了物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的構(gòu)成和物理理論的前沿進(jìn)展。
在本場(chǎng)對(duì)話中，張朝陽和湯大衛(wèi)回溯了經(jīng)典力學(xué)起源，探討了量子力學(xué)與量子場(chǎng)論的大變革，并進(jìn)一步分享了當(dāng)前人類在宇宙學(xué)與黑洞研究領(lǐng)域的最新理解與發(fā)現(xiàn)。
除了硬核的物理知識(shí)，他們還交流了對(duì)科學(xué)傳播的看法，一致認(rèn)為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)是物理學(xué)不可或缺的基礎(chǔ)，科普不必回避公式和深度，并鼓勵(lì)讀者接受更多挑戰(zhàn)。
以下為對(duì)話全文（有刪減）：
一、回望經(jīng)典力學(xué)
張朝陽：2025年是尤為特殊的一年，120年前，即1905年，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，徹底改變了我們對(duì)時(shí)間和空間的理解；110年前，他完成了廣義相對(duì)論，這是描述物質(zhì)間引力相互作用的物理理論；而100年前，即1925年，量子力學(xué)誕生，奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。接下來，我想與你探討力學(xué)、量子力學(xué)、相對(duì)論乃至量子場(chǎng)論的奧秘。首先，讓我們回顧開普勒的觀測(cè)與牛頓力學(xué)，你對(duì)牛頓力學(xué)有何見解？
湯大衛(wèi)：開普勒提出了三條定律：第一條，所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓。第二條，行星和太陽的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過相等面積。第三條是行星軌道周期的平方與其軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比。有個(gè)故事說，牛頓差點(diǎn)被別人搶先建立經(jīng)典力學(xué)。17世紀(jì)，倫敦新興的咖啡館成了思想交鋒的戰(zhàn)場(chǎng)，胡克、哈雷與建筑師雷恩常聚于此，并從第二第三定律中推出了引力的平方反比律（1/r2）。當(dāng)然，他們其實(shí)已經(jīng)落后于牛頓了。
牛頓是個(gè)“怪人”，他在1660年代就對(duì)運(yùn)動(dòng)定律和引力定律有了初步的想法，卻決定不告訴任何人。牛頓保密了大約20年，直到哈雷來到劍橋，對(duì)牛頓說“我們搞清楚了，這是平方反比律”。但是他們無法證明第一定律，而利用平方反比律證明行星走的是橢圓軌道，才能實(shí)現(xiàn)真正的理論統(tǒng)一。
張朝陽：為此你還需要牛頓的第二定律。這段故事很棒！這是我們認(rèn)識(shí)自然的開端，是物理學(xué)的真實(shí)歷史，對(duì)吧？這一切真實(shí)地發(fā)生在劍橋。
湯大衛(wèi)：沒錯(cuò)，這就是史實(shí)。我能從辦公室看到庭院對(duì)面牛頓的房間，400年前（啟發(fā)了牛頓）的蘋果樹還在那，就種在牛頓的家里，在劍橋以北60公里的地方。這棵400年的蘋果樹還在結(jié)果，非常神奇，大家可以去參觀一下。
張朝陽：這是牛頓力學(xué)。在牛頓力學(xué)之外，我們還有分析力學(xué)。牛頓定律以受力分析為核心，它與拉格朗日力學(xué)和作用量（原理）是等價(jià)的。但是，如果通過受力分析就能解決任何問題，我們?yōu)槭裁葱枰窭嗜樟W(xué)或者說分析力學(xué)呢？我后來才知道，量子力學(xué)的一切都基于這些（分析力學(xué)量）的算符。
湯大衛(wèi)：在量子力學(xué)之前就是這樣了。在牛頓之后的幾個(gè)世紀(jì)，一些更偏好數(shù)學(xué)的物理學(xué)家以不同的方法重新塑造牛頓著名的定律F=ma（第二定律）。這件事發(fā)生了兩次，第一次它被改寫成最小作用量原理，并發(fā)展出了拉格朗日力學(xué)。然后，它再次被一位名叫哈密頓的愛爾蘭數(shù)學(xué)家改寫。從拉格朗日力學(xué)來看，這些改寫有一些很好的理由。第一，它再次實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。費(fèi)馬曾經(jīng)提出，光走的是最短路徑，解釋了光的折射和反射。拉格朗日力學(xué)將費(fèi)馬原理與F=ma統(tǒng)一起來，讓一切變得非常和諧。另外，我們通常說自然有四種力，但“力”是個(gè)非常古老的概念。而到了17世紀(jì)，人們意識(shí)到它并不是首要的，更重要的是能量和作用量，這是一次觀念的革新。
張朝陽：所以在現(xiàn)代物理學(xué)中，在量子場(chǎng)論中，你們不再提起“力”這個(gè)概念？只有相互作用或者說耦合之類的概念。
湯大衛(wèi)：我們會(huì)提到“力”，但那更像是一種致敬，我們不會(huì)再把“力”代入到牛頓定律F=ma中去計(jì)算。盡管也被叫作“力”，但是它已經(jīng)不是牛頓認(rèn)知的那種力了。
張朝陽：從解決問題的角度，（分析力學(xué)）也更有優(yōu)勢(shì)，對(duì)嗎？
湯大衛(wèi)：是的，它更強(qiáng)大，能幫助我們理解和運(yùn)用對(duì)稱性。對(duì)稱性非常優(yōu)美，還能作為一個(gè)強(qiáng)大的工具幫助我們簡(jiǎn)化問題。
張朝陽：對(duì)稱性及其導(dǎo)致的守恒律是現(xiàn)代物理學(xué)的語言。事實(shí)上，拉格朗日量和哈密頓量在量子力學(xué)中也很重要，只是你必須把它們處理成算符，比如哈密頓量對(duì)應(yīng)的就是能量守恒，然后我們可以去求它的本征態(tài)……
湯大衛(wèi)：我覺得這一點(diǎn)非常出人意料，這也是一個(gè)深刻的教訓(xùn)。拉格朗日和哈密頓對(duì)量子力學(xué)一無所知，但百年后，他們的直覺成為通向后續(xù)理論的橋梁。它啟示我們，應(yīng)盡你所能，用各種方式去理解當(dāng)前物理定律。要勤于思考，變換視角，以期發(fā)掘隱藏其中的線索。
張朝陽：或許經(jīng)歷不同的路徑，才能窺見一些線索或理解它們的本質(zhì)。這是分析力學(xué)給我們的教訓(xùn)。同時(shí)，力學(xué)中還有一個(gè)分支是流體力學(xué)，我聽說這是你最喜歡的主題。
湯大衛(wèi)：我愛流體力學(xué)！我不知道中國(guó)，但是在英國(guó)，物理系并不教授流體力學(xué)。物理系學(xué)生想學(xué)的是自然界的基本定律，所以直接忽略了流體力學(xué)，一來是因?yàn)樗D深復(fù)雜，二來其實(shí)缺乏動(dòng)力。但你能把它應(yīng)用到宇宙中任何地方，這才是它真正有趣的緣由，簡(jiǎn)直是不可思議！本世紀(jì)初，物理學(xué)家第一次“融化”了質(zhì)子和中子，這是它們內(nèi)部的夸克130億年來第一次獲得自由。這導(dǎo)致了一種新的物質(zhì)形態(tài)——夸克－膠子等離子體，它也是由納維-斯托克斯方程描述的。簡(jiǎn)直神奇！
張朝陽：太神奇了！就像水一樣，它們有表面張力和粘度？它是可壓縮的流體嗎？
湯大衛(wèi)：粘度是夸克-膠子等離子體的重要測(cè)量量，它是相對(duì)論的，可壓縮的。這會(huì)讓它稍微更復(fù)雜一點(diǎn)，但是萬變不離其宗。既然納維-斯托克斯方程能在特定情況下描述宇宙中的一切，作為物理學(xué)家，我們就應(yīng)該去學(xué)習(xí)它。
張朝陽：應(yīng)該在物理系中開設(shè)流體力學(xué)的課程。
湯大衛(wèi)：我也這樣認(rèn)為，它是一門非常漂亮的學(xué)科。我有一個(gè)很復(fù)雜、很難求解的方程，必須去對(duì)它做近似。我有成千上萬種近似方法，每一個(gè)都能帶給你新的認(rèn)知。
張朝陽：這個(gè)方程是高度非線性的，但是通過數(shù)字技術(shù)和AI，也許我們能實(shí)現(xiàn)納維-斯托克斯方程的數(shù)值求解。
湯大衛(wèi)：的確如此，高速計(jì)算機(jī)幫了大忙。至于AI，當(dāng)下物理學(xué)家都在想AI如何幫助我們，而不是讓我們失業(yè)。在我看來，這是我一生中能看到的最大的技術(shù)突破。鑒于它在過去兩年間實(shí)現(xiàn)了驚人的發(fā)展，我們也希望它可以成為解決困難的有力工具，即便這么說可能為時(shí)尚早。
有一個(gè)關(guān)于納維-斯托克斯方程的著名難題：它是否會(huì)形成奇點(diǎn)？如果答案是否定的，我覺得當(dāng)前的AI就幫不上忙了，而是需要數(shù)學(xué)家去貢獻(xiàn)智慧來做一些創(chuàng)造性的證明。如果答案是可以形成奇點(diǎn)，那么AI就可以幫助我們搜索所有可能的流體構(gòu)型，尋找接近奇點(diǎn)的行為。然后，由人類完成理論構(gòu)建的最后一步——當(dāng)然是非常關(guān)鍵的一步。
張朝陽：這是AI和人腦的巧妙結(jié)合，人腦記不住所有東西，AI可以幫助我們，可以作為一個(gè)好助手，幫我們完成一些苦力活。
湯大衛(wèi)：從這個(gè)角度來說，AI只是過去五十年的計(jì)算機(jī)技術(shù)又向前跨進(jìn)了一大步。我已經(jīng)從中受益了，部分原因是我不太會(huì)寫代碼，所以我會(huì)問它：能不能幫我寫一個(gè)腳本，用來畫出某個(gè)拓?fù)浣^緣體的能帶結(jié)構(gòu)。不可思議的是，它兩分鐘就完成了。當(dāng)然，這只是我在偷懶。
張朝陽：回到流體力學(xué)，我聽說，飛機(jī)能夠起飛，并不是因?yàn)閴毫Σ?，?duì)吧？
湯大衛(wèi)：根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼的設(shè)計(jì)使得氣流在上表面的流速更快，從而在機(jī)翼上下表面形成壓力差，產(chǎn)生升力，這是飛機(jī)能夠起飛的一部分原因。但是學(xué)校中普遍教授的理論——?dú)饬髟谏舷卤砻姹仨毻瑫r(shí)抵達(dá)機(jī)翼后緣，因此上面必須更快——這是錯(cuò)的。如果它成立，我們往任意方向飛行都能到達(dá)同一個(gè)終點(diǎn)，這顯然有問題。正是這個(gè)問題把我?guī)нM(jìn)了流體力學(xué)。考察在流體中高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，我們經(jīng)常忽略納維–斯托克斯方程中的粘滯項(xiàng)，得到更簡(jiǎn)單的方程，卻從中推不出升力。所以其實(shí)，1903年萊特兄弟首飛時(shí)，理論物理學(xué)家還無法解釋飛機(jī)為何能飛。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)搞清楚了麥克斯韋方程，距離狹義相對(duì)論僅有兩年，人們還搞不懂飛機(jī)的原理。1905年，由普朗特給出的答案也很驚人。粘滯項(xiàng)是納維–斯托克斯方程中唯一含二階導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)，雖然它的系數(shù)很小，但是因?yàn)楹卸A導(dǎo)數(shù)而不能被直接忽略，偏微分方程中，二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)要求我們給定額外的邊界條件來得到方程的解。
張朝陽：它不一定很小，一個(gè)小量的導(dǎo)數(shù)可以很大。
湯大衛(wèi)：的確如此，百萬分之一的粘滯系數(shù)，被百萬量級(jí)的速度梯度抵消了。機(jī)翼表面其實(shí)會(huì)有一層薄薄的“邊界層”，里面充滿湍流和各種奇妙現(xiàn)象。正是這個(gè)邊界層，使得飛機(jī)能夠起飛。
張朝陽：所以公眾普遍認(rèn)為飛機(jī)升力來源于機(jī)翼的形狀并不正確，真正關(guān)鍵的是空氣的粘度和湍流。
二、從麥克斯韋到愛因斯坦
張朝陽：讓我們繼續(xù)，19世紀(jì)末在英格蘭發(fā)生了有趣的一幕，年僅三十的麥克斯韋閱讀了法拉第的筆記，并將它們總結(jié)成了優(yōu)美的方程。
湯大衛(wèi)：沒錯(cuò)，這段歷史同樣讓人心馳神往。麥克斯韋同樣出自我所在的三一學(xué)院，牛頓和麥克斯韋都是我敬仰的前輩。而法拉第更是我心中的英雄：他14歲輟學(xué)當(dāng)裝訂工，靠著聰明才智和博覽群書，接替了化學(xué)家漢弗里·戴維的工作。他不懂?dāng)?shù)學(xué)，卻做出了理論物理史上最偉大的突破之一：場(chǎng)是真實(shí)存在的。萬物皆由場(chǎng)構(gòu)成。把兩塊磁鐵靠近你能感到力，那就是磁場(chǎng)——看不見，卻真實(shí)存在。這是法拉第贈(zèng)予我們的禮物，而麥克斯韋則將其完整呈現(xiàn)，美得令人屏息。
張朝陽：麥克斯韋還發(fā)現(xiàn)了欠缺的一項(xiàng)。
湯大衛(wèi)：位移電流是額外的一項(xiàng)，（麥克斯韋）發(fā)現(xiàn)它后很快意識(shí)到，天啊！光出現(xiàn)了！你能想象他的心情嗎？
張朝陽：是的，光速——宇宙中的最大速度出現(xiàn)了，然而這也意味著麥克斯韋方程組和牛頓力學(xué)相矛盾。正如我在直播課上說的，電磁學(xué)本應(yīng)是20世紀(jì)的理論，而不是19世紀(jì)的。19世紀(jì)是牛頓和伽利略時(shí)空觀統(tǒng)治的時(shí)代，卻冒出了麥克斯韋方程組這一“怪胎”。
湯大衛(wèi)：我不知道麥克斯韋是否意識(shí)到這一點(diǎn)，畢竟他英年早逝了。物理史上有一些超人的天才，愛因斯坦當(dāng)然如此，麥克斯韋也位列其中。麥克斯韋為后來的一切奠定了基礎(chǔ)，他的方程組是第一個(gè)正確的理論，而且直到今日仍是基本理論，幾乎原封不動(dòng)地被納入粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。也許四百年后，標(biāo)準(zhǔn)模型可能不再是一個(gè)基礎(chǔ)性的理論，但至少當(dāng)下，它是我們得到的一個(gè)基礎(chǔ)理論。
張朝陽：麥克斯韋方程組有四條，意味著電荷守恒。此外還有洛倫茲力，洛倫茲力可以經(jīng)由狹義相對(duì)論推導(dǎo)出來，非常有意思。
湯大衛(wèi)：是的，麥克斯方程組告訴我們電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。洛倫茲力定理告訴我們電荷如何在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。而庫侖定理加上狹義相對(duì)論，我們就能得到磁場(chǎng)“v×B”這一項(xiàng)。
張朝陽：真漂亮！這就是電磁學(xué)。用一句話來說，它也是人類的第一個(gè)場(chǎng)論，對(duì)嗎？
湯大衛(wèi)：它是一門場(chǎng)論，物理學(xué)沿著這一思路繼續(xù)發(fā)展，最后發(fā)現(xiàn)我們所知的每一樣?xùn)|西都是場(chǎng)。電磁學(xué)里并非所有東西都是場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是場(chǎng)，但電荷仍是點(diǎn)粒子，這會(huì)帶來麻煩。但這也是我們第一次明白，世界不只是由粒子組成的，世界同樣是由場(chǎng)組成的。到了量子場(chǎng)論，我們認(rèn)為此刻房間就存在一個(gè)叫作“電子場(chǎng)”的東西，量子力學(xué)把場(chǎng)的漣漪凝聚成一團(tuán)團(tuán)能量，形成了我們所說的電子。這樣一個(gè)理論真的非常優(yōu)美。
張朝陽：從法拉第的電力線和磁感線，到麥克斯韋的電磁場(chǎng)，電磁學(xué)為整個(gè)20世紀(jì)的物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。電磁學(xué)實(shí)際上也預(yù)言了狹義相對(duì)論的問世——后者最著名的方程非常簡(jiǎn)潔：E=mc2，是原子彈、核反應(yīng)堆等等能量的來源，所有粒子，包括夸克，都得遵循這條定律。
湯大衛(wèi)：是的，愛因斯坦最初的理論是關(guān)于時(shí)空如何轉(zhuǎn)換的，而能量和質(zhì)量的聯(lián)系是一個(gè)令人驚奇的推論。狹義相對(duì)論的地位有點(diǎn)尷尬，它并非可有可無，但僅是麥克斯韋的理論和愛因斯坦的廣義相對(duì)論之間的一道橋梁。因此，至少在英國(guó)，我們很少會(huì)專門開一門課來講它，只是把它當(dāng)作一道前菜。
張朝陽：但在廣義相對(duì)論中，取低速近似，我們就回到了閔可夫斯基時(shí)空。
湯大衛(wèi)：它必須如此，新理論必須兼容已知的一切。如果你把視角拉到一點(diǎn)附近的小區(qū)域，它們看起來都像閔可夫斯基空間。如果你拉近到足夠近，它看起來就是平的。所以局部上，總是存在閔可夫斯基空間。
張朝陽：我可以在我的辦公室給你展示一下，任意的彎曲時(shí)空也能被局域地看成林德勒時(shí)空，或者說某種加速參考系。
湯大衛(wèi)：局域上也可以這樣說，但是你無法在大范圍讓所有人以同樣的加速度運(yùn)動(dòng)，這是被廣義相對(duì)論禁止的。閔可夫斯基時(shí)空有點(diǎn)單調(diào)，但是一個(gè)加速觀者可以看到類似于黑洞視界一樣的東西。如果你在林德勒時(shí)空研究量子場(chǎng)論，就會(huì)發(fā)現(xiàn)安魯輻射。安魯輻射本質(zhì)上與霍金輻射是一樣的。引力場(chǎng)就是時(shí)空，這是愛因斯坦的洞見。而廣義相對(duì)論是人類發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)場(chǎng)論，人人都說它很優(yōu)美，但我懷疑這些說它美的人，并沒有花上好幾個(gè)月去算克里斯托費(fèi)爾符號(hào)——這是最可怕的計(jì)算之一。
張朝陽：如果他們嘗試過了，也許就不會(huì)再說廣義相對(duì)論很優(yōu)美了。不僅如此，我們還需要求（度規(guī)的）二階導(dǎo)數(shù)，這就是為啥在弱場(chǎng)近似下我們可以預(yù)言存在引力波。
湯大衛(wèi)：引力波也許是我們這個(gè)世紀(jì)最偉大的科學(xué)突破，它為我們了解宇宙打開了一扇難以置信的新窗口。我不知道你有沒有關(guān)注到本周的新聞，有團(tuán)隊(duì)宣稱（用引力波）觀測(cè)到了兩個(gè)比100個(gè)太陽質(zhì)量更重的黑洞發(fā)生了碰撞，并形成了第三個(gè)黑洞。這里面還有很多謎團(tuán)，但是已經(jīng)逼近了我們的認(rèn)知邊界。如果我們確認(rèn)了有300或者400個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞存在，我們就得重新思考：它們是怎么形成的？宇宙里發(fā)生了什么？這里面有什么新物理？在我看來，這些都是非常激動(dòng)人心的問題。
張朝陽：那么我想問一些關(guān)于宇宙的問題。在均勻膨脹的宇宙中，恒星、星系是怎么形成的？宇宙中還有其他的生命嗎？
湯大衛(wèi)：我們對(duì)第一個(gè)問題已經(jīng)有了很好地回答。大爆炸理論說，138億年前，宇宙曾經(jīng)是個(gè)火球，宇宙微波背景輻射就是火球的余暉。我們可以觀測(cè)到，火球里面有漣漪，正是它們?cè)杏诵窍?，這一點(diǎn)確鑿無疑。所以第一個(gè)問題真正要問的是，這些漣漪從何而來？宇宙早期曾有一段“暴脹”時(shí)期，目前我們還不知道它發(fā)生的機(jī)制。在這個(gè)過程中，宇宙中的場(chǎng)的量子漲落——它們?cè)从诹孔硬淮_定性，通常是瞬息生滅的——被當(dāng)場(chǎng)捕獲并凍結(jié)，然后被拉伸到整個(gè)天空。這是一個(gè)令人震驚的故事，但似乎就是真相。所以，我們從哪里來？我們來自量子漲落。
張朝陽：我們都來自量子漲落！
湯大衛(wèi)：我們都是量子漲落，也都是恒星的塵埃，這是真的。至于另一個(gè)簡(jiǎn)單但迷人的問題：“存在地外生命嗎？”劍橋的物理學(xué)家們一致認(rèn)為“當(dāng)然有”。銀河系有千億恒星、宇宙又有千億星系，且當(dāng)前已知的恒星都帶有宏大的行星系統(tǒng)，計(jì)算一下概率，生命應(yīng)當(dāng)是存在的。但同時(shí)，劍橋的生物學(xué)家們，其中包括一位諾獎(jiǎng)得主，卻持反對(duì)態(tài)度，認(rèn)為生命起源極度困難，需要一連串偶然的奇跡。于是我們手持“大數(shù)”（概率），他們握著“小數(shù)”（概率），當(dāng)然沒人能夠給出兩者乘積的精確結(jié)果。我相信是有的，但這絕非顯而易見。
張朝陽：所以在劍橋，物理學(xué)家和生物學(xué)家對(duì)此存在分歧。但即使作為物理學(xué)家，在計(jì)算生命出現(xiàn)的概率時(shí)，也必須假設(shè)宇宙像流體一樣是均勻的。你只能假設(shè)：既然地球有生命，那么在任何地方都有同等的概率。但是這一假設(shè)取決于尺度，意味著即使存在生命，也會(huì)離我們極遠(yuǎn)，遠(yuǎn)至百萬光年級(jí)，才能滿足均勻性的假設(shè)。
湯大衛(wèi)：是的，它們離我們很遠(yuǎn)。這是另一個(gè)問題：外星人曾經(jīng)到達(dá)過地球嗎？絕無可能！他們未來能不能到達(dá)地球？我不知道，但至少可以說，是相當(dāng)困難的。
三、從量子力學(xué)到量子場(chǎng)論
張朝陽：今年是量子力學(xué)100周年。20世紀(jì)初，盧瑟福通過散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了原子結(jié)構(gòu)，然后尼爾斯·玻爾建立了一個(gè)軌道模型。
湯大衛(wèi)：這是一個(gè)錯(cuò)到離譜的模型，卻給出了正確的光譜。它讓我很惱火，因?yàn)槿绻阕鲥e(cuò)了，就應(yīng)該得到錯(cuò)誤答案；但是玻爾做錯(cuò)了，卻得到了正確答案。這不是物理該有的樣子。我投身于物理，就是因?yàn)樗嬖趯?duì)與錯(cuò)的明顯分界。
張朝陽：在中文，這叫作歪打正著，意味著你的目標(biāo)偏差了，但事實(shí)上卻正中靶心。
湯大衛(wèi)：是的，這不公平！本不該這樣，但玻爾確實(shí)是天才。不過，海森堡是最不可思議的天才，我至今都難以想象他是如何憑空建立起一套全新的框架的。我認(rèn)為，這是人類文明史上最輝煌的成就：發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了支配宇宙的底層框架。
張朝陽：他用了一套非常奇怪的數(shù)學(xué)，之前的物理學(xué)家甚至沒聽過。
湯大衛(wèi)：海森堡將無限維的矩陣乘在了一起，但他甚至不知道矩陣是什么。在1915年，矩陣并不在學(xué)校教學(xué)范圍內(nèi)，但他憑直覺認(rèn)為粒子的位置應(yīng)當(dāng)是個(gè)無限維矩陣。（海森堡的）這篇文章非常艱澀。
張朝陽：除了海森堡，薛定諤等人（的貢獻(xiàn)）呢？為什么海森堡那么重要？
湯大衛(wèi)：因?yàn)楹Ｉら_啟了對(duì)量子力學(xué)的系統(tǒng)研究，他先邁出了決定性的一步。薛定諤晚了一年，才提出了波函數(shù)和方程。這更容易求解和理解，并從中獲得直覺，但我認(rèn)為真正該得到贊譽(yù)的是海森堡。
張朝陽：量子力學(xué)之所以叫“量子”，是因?yàn)槲覀冇谩皯B(tài)”來描述系統(tǒng)，而這些態(tài)可以是離散的，比如束縛態(tài)。在傳統(tǒng)牛頓物理學(xué)中，這是不可想象的。量子力學(xué)會(huì)唯一給出完全確定的、離散的態(tài)。你我身體內(nèi)的氫原子，與萬年前的氫原子毫無二致，這全得益于量子力學(xué)的揭示，不是嗎？
湯大衛(wèi)：是的。揭示量子力學(xué)是我認(rèn)為的、人類文明史上最偉大的成就。關(guān)鍵在于，它向我們展示了世界的本質(zhì)，并賦予了我們?cè)S多新的科技和能力——從半導(dǎo)體到前景遠(yuǎn)大的量子計(jì)算機(jī)，再到對(duì)信息的深刻理解。
張朝陽：離散性帶來世界的結(jié)構(gòu)，否則，就像我經(jīng)常說的，我們都是一堆沙。
湯大衛(wèi)：或者說是流水。量子力學(xué)充滿悖論，正是這種精確性和離散性，迫使我們引入不確定性。東西都是彌散的，用波函數(shù)來描述。粒子的能量是確定的，但粒子的位置卻被模糊成一片。一端精致入微，一端虛無縹緲。
張朝陽：很多人對(duì)物理感興趣，卻未曾深入學(xué)習(xí)和計(jì)算。他們認(rèn)為量子力學(xué)就是“薛定諤的貓”之類的東西，我認(rèn)為這反倒是最不重要的。真正重要的是離散性，它才是量子力學(xué)的核心，而不是“薛定諤的貓”。他們經(jīng)常很興奮地說：“我對(duì)量子力學(xué)充滿好奇，我知道薛定諤的貓?！倍視?huì)對(duì)他們說：“不，你根本不懂量子力學(xué)?！?/p>
湯大衛(wèi)：我不喜歡它，但我學(xué)會(huì)了與它共處，因?yàn)槲矣X得把時(shí)間浪費(fèi)在對(duì)量子力學(xué)的哲學(xué)討論上并不值得。除了哲學(xué)，量子力學(xué)在技術(shù)上極具價(jià)值，并深刻揭示了宇宙的一切。這是一個(gè)不可思議的理論。馬克斯·玻恩第一個(gè)意識(shí)到了量子力學(xué)中的隨機(jī)性，并引入了概率詮釋。
張朝陽：因?yàn)槲覀儧]法測(cè)量復(fù)數(shù)，我們需要一個(gè)實(shí)數(shù)，這就是為什么要取模長(zhǎng)。
湯大衛(wèi)：是的，我們也離不開波函數(shù)的復(fù)數(shù)本質(zhì)，特別是想要理解干涉時(shí)。復(fù)數(shù)是我們世界的根基；從數(shù)學(xué)的角度看，它們是所有數(shù)學(xué)理論的基石。
張朝陽：量子力學(xué)是基于伽利略時(shí)空觀的理論，是非相對(duì)論性的，對(duì)嗎？事實(shí)上薛定諤自己就想寫下相對(duì)論性的方程，因?yàn)樵?925年，狹義相對(duì)論已經(jīng)深入人心了。
湯大衛(wèi)：在他寫下我們知道的薛定諤方程前，就已經(jīng)給出一個(gè)相對(duì)論性的方程了，現(xiàn)在它被稱為克萊因-高登方程?？巳R因-戈登方程不是一個(gè)關(guān)于波函數(shù)的方程，而是關(guān)于經(jīng)典場(chǎng)的方程，就像電磁學(xué)那樣。
張朝陽：薛定諤只是想首先解決最迫切的問題：解釋氫原子光譜，所以他選擇了從非相對(duì)論性的色散關(guān)系出發(fā)。
湯大衛(wèi)：完全正確。這一目標(biāo)完美達(dá)成，并給了我們前所未有的物理圖像。我不想奪走薛定諤的任何功勞，他的名字已經(jīng)貫徹在整個(gè)學(xué)科的所有角落。然而，薛定諤的思路，我至少可以一步步復(fù)現(xiàn)，可海森堡……
張朝陽：他完全是憑空提出這一切的！
湯大衛(wèi)：是的，令人震驚。
張朝陽：而狄拉克方程把我們帶入了量子場(chǎng)論。
湯大衛(wèi)：沒錯(cuò)，從20世紀(jì)30年代起。帕斯夸爾·約爾當(dāng)最早意識(shí)到場(chǎng)的漣漪和光波類似，量子力學(xué)能把它們都塑造成粒子，他是玻爾和海森堡完善量子力學(xué)終稿時(shí)的共同作者。然后像狄拉克、泡利等人奮力攻關(guān)，寫下了方程，弄清楚了粒子如何出現(xiàn)。但一旦加入相互作用，處處都是無限大。于是他們嘗試了很多瘋狂的想法：玻爾想放棄能量守恒，海森堡想放棄空間的連續(xù)性，意圖掀起一場(chǎng)物理變革。而二戰(zhàn)后的新一代科學(xué)家——費(fèi)曼、朝永振一郎、施溫格和戴森選擇回歸基礎(chǔ)，耐心梳理了狄拉克等人的成果，最后得到了自洽的理論。有時(shí)候物理學(xué)需要變革，有時(shí)候卻得回歸基礎(chǔ)，這本身就很有意思。
張朝陽：所以在1925到1950這25年間，反而是費(fèi)曼這些不怎么“革命”的人，真正建立起了量子場(chǎng)論。
湯大衛(wèi)：可以這樣說，有時(shí)候物理并不需要革命家，你只需要緩慢而謹(jǐn)慎地前進(jìn)。某種意義上，量子場(chǎng)論并未完善，為了理解它我們還需要很多的工作。事實(shí)證明，它是我們描述和理解宇宙的整體框架。雖然量子場(chǎng)論還充滿謎團(tuán)，特別是還有很多數(shù)學(xué)上的困難，但它是極其豐富而優(yōu)美的。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型就是基于量子場(chǎng)論建立的，就精度而言，我們可以把電子的磁矩計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后13位，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。過去25年中，人們一度為μ子的磁矩在第9位小數(shù)上與理論出現(xiàn)的偏差而擔(dān)心，并寢食難安。在整個(gè)科學(xué)史上，你再也找不到第二個(gè)這樣的例子。
四、科普不必回避公式和深度
學(xué)生A：我一直在想，博士生能為科學(xué)的傳播做出怎樣的貢獻(xiàn)？互聯(lián)網(wǎng)上已經(jīng)有許多高質(zhì)量的內(nèi)容創(chuàng)作者，包括在座的兩位。那么，我們的“獨(dú)特定位”在哪里？年輕一代還能做些什么？
張朝陽：我認(rèn)為自媒體和Youtube這些平臺(tái)正在改變一切，短視頻形式的社交媒體正在徹底重塑出版業(yè)。對(duì)物理學(xué)家來說，你們過去都在PRL（物理學(xué)評(píng)論快報(bào)）上發(fā)表論文，而未來更多人可能在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布研究成果，讓大家即時(shí)評(píng)論和討論。出版將被重新定義。當(dāng)然“論文發(fā)表”形式的革新可能尚早，但“公眾教育”的發(fā)展卻近在眼前。對(duì)任何專業(yè)領(lǐng)域的人來說，這都是黃金時(shí)代：你可以利用互聯(lián)網(wǎng)作為橋梁，成為一名公共教育者。
湯大衛(wèi)：我并不確定我能夠給出有用的建議，我只是順手為之。我并沒有Youtube賬號(hào)，有些視頻只是有人邀請(qǐng)我，我覺得有趣就去錄了，就這么簡(jiǎn)單。你有兩個(gè)選擇。第一，投入大量個(gè)人時(shí)間經(jīng)營(yíng)頻道。但鑒于你在讀博，我不建議這樣做，因?yàn)樗鼤?huì)擠占研究時(shí)間。第二，像我一樣，只做自己覺得好玩的事，邀請(qǐng)就會(huì)像滾雪球一樣變多。20年來，我堅(jiān)持把自己寫的講義放在個(gè)人網(wǎng)站上免費(fèi)發(fā)布，一半動(dòng)機(jī)是為學(xué)生提供免費(fèi)的學(xué)習(xí)資料，另一半則出于私心：我喜歡學(xué)物理，這就是我的愛好。
張朝陽：然后你涉獵了眾多的科目，最好的學(xué)習(xí)方法就是去教別人并寫講義。久而久之，你自然就有了聽眾。你既是在為公共教育做貢獻(xiàn)，更是在自我成長(zhǎng)。
湯大衛(wèi)：正是如此。20年前我入職劍橋時(shí)就決定，退休前要把所有課都教一遍。既然決定了獻(xiàn)身于物理，就要把物理全學(xué)一遍。大多數(shù)人會(huì)開一門課就教15年，因?yàn)閭湔n太難了。而我決定每年都開新課，因?yàn)槲蚁矚g。當(dāng)然我也是等到拿到終身職位才開始的。
學(xué)生A：的確如此。你們談到了AI，我個(gè)人也在用AI輔助寫作和嘗試發(fā)布。但我也在想另一個(gè)問題：40年前學(xué)生總是缺少資料，所以科學(xué)家做科普對(duì)社會(huì)至關(guān)重要。但現(xiàn)在AI就像百科全書，任何問題都能給出大致準(zhǔn)確的回答，您認(rèn)為這會(huì)對(duì)科普帶來什么變化？
湯大衛(wèi)：應(yīng)該從兩個(gè)方面來看。第一，AI會(huì)不會(huì)讓我們都失業(yè)？我是不是不需要再寫講義了？目前看起來還不行。如果是一個(gè)具體的問題，AI都能給出不錯(cuò)的答案，只是需要花時(shí)間去追問和挖掘。但是它仍不擅長(zhǎng)長(zhǎng)篇敘事，也無法讓故事流暢。當(dāng)然也許未來會(huì)改變。第二個(gè)問題我覺得應(yīng)該由你們這一代去解決，因?yàn)槟銈円獙?duì)話的是同齡人。
張朝陽：我想沒有什么能取代真人面對(duì)面地講解和交流。在看新聞時(shí)，我也不愿意面對(duì)AI生成的虛擬形象，我更愿意跟真人交流。因?yàn)槲覀兇竽X就是從人與人的交往中發(fā)展起來的，語言就是人與人之間的連接。而AI只能成為助手，幫助我們生成展示物理的視頻。
學(xué)生A：我非常贊同！這也是我會(huì)在這里的原因。謝謝兩位，特別是張博士給我們準(zhǔn)備了這樣一個(gè)（交流的）平臺(tái)和機(jī)會(huì)。
湯大衛(wèi)：我也希望如此，如果我知道在閱讀的東西是AI寫的，我會(huì)立刻把它蓋上。但這會(huì)變化嗎？下一代人將AI當(dāng)老師，也許他們不再會(huì)有這種感覺了？我不確定。
學(xué)生B：謝謝張博士和湯教授。我的問題和前一位類似，但角度可能不太一樣?？破漳茏層^眾理解科學(xué)進(jìn)展，但它并不容易?？茖W(xué)家缺乏時(shí)間精力，外行人又常常誤讀科學(xué)。湯教授寫了很多易讀的講義，也做過講座。雖然是興趣，但也肯定下了不少功夫。張博士也一直鼓勵(lì)年輕人開賬號(hào)做內(nèi)容。你們開始做科普的初心是什么？有沒有更好的方法去做科普？
湯大衛(wèi)：我覺得講義和科普之間是有區(qū)別的，差別在于對(duì)數(shù)學(xué)的應(yīng)用。物理很難，我每年要花3個(gè)月去寫一個(gè)新的講義。而科普更難，因?yàn)槟惚仨殞W(xué)會(huì)“撒謊”。物理的語言是數(shù)學(xué)，雖然我們?cè)谡勗捴幸呀?jīng)大膽地提到了方程，但對(duì)公眾來說這已經(jīng)是極限了?！叭鲋e”是無法避免的?？破罩饕强款惐龋械念惐群芎?，有點(diǎn)類比卻很糟……
張朝陽：有些類比會(huì)誤導(dǎo)人，就像“薛定諤的貓”。所有問量子力學(xué)的人都會(huì)問這個(gè)問題，但是這不是重點(diǎn)。
湯大衛(wèi)：是的。大眾經(jīng)常被類比牽著走，忘記了它只是類比。我經(jīng)常每天收到3到4封郵件自稱提出了“終極理論”：比如時(shí)間是能量場(chǎng)、宇宙有436維的超正方體等等。但它們只是故事而不是理論，理論是建立在數(shù)學(xué)方程上的，我覺得我們還沒真正讓公眾明白這一點(diǎn)。
如果我去做科普，我希望我能讓大眾意識(shí)到什么是科學(xué)，什么是科學(xué)方法。我一直在擔(dān)心科普時(shí)我們用了太多的故事和類比，掩蓋了物理真正的樣子：它很難，它需要去解方程。說實(shí)話我不知道應(yīng)該怎樣做科普，科普本質(zhì)是一種娛樂，公眾會(huì)被吸引，他們想要去挑戰(zhàn)，但不想見到枯燥無味的東西。但學(xué)物理本身其實(shí)很無聊，我們要找的是打破這種無聊的方法。
學(xué)生B：是的，但我覺得科普還有更實(shí)際的理由：我們的經(jīng)費(fèi)來自公眾，我們有責(zé)任讓公眾知道我們?cè)诟墒裁?。如果公眾誤解了我們，他們會(huì)反對(duì)我們，所以科普非常重要。
湯大衛(wèi)：完全正確，這很重要，而且情況在變化?；艚鸬摹稌r(shí)間簡(jiǎn)史》把我?guī)нM(jìn)了物理。他說他曾經(jīng)被告知科普書“每多一條方程，銷量就要減半”，但他還是冒險(xiǎn)放了E=mc2。結(jié)果當(dāng)然是大賣特賣，所以他大概一點(diǎn)都不后悔。我覺得，時(shí)代也在進(jìn)步，今天我們可以更大膽一點(diǎn)，公眾對(duì)科學(xué)已經(jīng)有了一定了解，我愿意再把門檻提高一點(diǎn)，讓他們接受更多的挑戰(zhàn)。
張朝陽：我在我的物理課就是這樣做的。我們嘗試讓大家明白，科學(xué)離不開大量的數(shù)學(xué)和計(jì)算，而絕不是“薛定諤的貓”這種噱頭。曾經(jīng)有人問我：“我昨晚夢(mèng)見了朋友，我是不是和他發(fā)生了量子糾纏？”我想說：別鬧了！你要真正理解量子力學(xué)，你就要去理解離散態(tài)、束縛態(tài)或者算符的本征值是什么，這些才是正經(jīng)的問題。至于量子糾纏，我自己都未必完全搞懂。事實(shí)上，我們需要在科學(xué)教育中加入更多數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。
湯大衛(wèi)：祝你能順利做到這一切！
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