美是物理的秘密武器

W.e识别我们看到它的美丽吗？Michelangelo's大卫马丘比丘，海洋日出。我们能否对宇宙本身说同样的话?麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)物理学教授弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)认为我们可以。而且应该。在他的新书中一个美丽的问题：发现大自然的深刻设计，Wilczek为数学的优雅和大自然的基础法则制定了他的案例。

Wilczek赢得了2004年诺贝尔物理学奖，用于探索，与大卫毛和H. David Politzer，管理物理学中的一个基本力量，强烈的互动，持有夸克和泡沫，并制作质子和中子。他们对“渐近自由”的发现表明，随着夸克彼此更加接近，它们之间的电荷越来越弱。

我喜欢它的奇怪和陌生症，这是世界实际工作方式的事实。

威尔切克的专长是量子理论，但他的工作对宇宙学的影响是显而易见的——在研究黑洞、暗物质和古老的无中生有之谜方面。现年64岁的他从年轻的数学学生时代就开始在自然界中寻找设计。“我喜欢玩模式，思考那种抽象的东西，”他说。“我对数学逻辑非常感兴趣，这是哲学的一个分支，以及关于大脑如何工作的理论。我学了一些神经生物学和计算机科学，试图弄清楚抽象的模式是如何映射到思维的运作上的。”

你说大自然的设计有美。这似乎是一个美学问题。这是一个科学问题吗?

这是一个科学问题。我想解决的确切问题是世界是否体现了美丽的想法。这是一个关于世界的一个问题，另一方面是另一方面的美丽。美丽是臭名昭着的主观性的，有很多形式，但有一个历史记录在艺术和哲学中，人们可以咨询，看看人们有意地发现美丽的东西。我们可以咨询科学，并比较来自自然基本规律的概念是否有与人们找到美丽的共同之处。

如果世界美丽，这是否对科学家有重要吗？

我不认为科学从剩下的生活中围绕着。所以是的，对我来说很重要，这是世界上的美丽。这也是物理学家，工程师和设计师的实际问题。在物理前沿，我们正在处理非常小而且非常大的和非常奇怪的境界。日常经历不是一个好的指南，实验可能是困难和昂贵的。因此，直觉的来源并不是从日常经历中或来自对事实的大量积累，而是从关于什么会给自然界的感受更多内心的一致性和和谐。我的工作是通过试图使法律更加美丽的指导。

什么是美丽的法律？

人们认为美丽的定律和方程式有两个共同特征。一种是我所说的繁荣或生产力，即你得到的比你付出的要多。你可以通过组合线索和猜测找到某个方程或定律，然后你就可以解释其他7个东西，你就知道你在正确的轨道上。你得到的比付出的多。对称在自然的基本定律中尤为突出。正如它通常使用的，对称是一种模糊的，但在某种程度上意味着和谐和美丽。科学上的用法更精确，而且卓有成效。这是不变的变化。你可以改变物理物体或者改变可以改变它们的定律。一个圆是对称的，在某种意义上，你可以围绕它的中心以任何角度旋转它，但作为一个整体的圆是不变的。 Most shapes, like triangles, look different if you rotate them.

所以，如果你走到宇宙的最深结构 - 物理法则 - 你在说有了深刻的对称性吗？

是的。事实上，法律是永恒的。这听起来不像对称性，但它是因为法律不会随着宇宙年龄而改变。所以我们有一个没有变化的变化。

假设宇宙并没有体现美好的想法或优雅的数学结构。如果他们充满了不对称或瑕疵，我们甚至可以想象自然的法律吗？

我一直在思考这个问题，有一个我觉得非常令人满意的思想实验。随着计算机越来越好，人工智能越来越好，你可以做一些貌似合理的思维实验矩阵，智能体现在计算机中，以及它对其世界的看法实际上是什么东西。

所以我们只是生活在电脑模拟中？

让我们想象自己身处《超级马里奥的世界》。物理定律看起来不会特别漂亮。它们会随着时间和地点而改变。它们会有一种逻辑上一致的怪癖，但与我们的世界运作方式非常不同，在我们的世界里，法则不会随时间或地点而改变，而且具有某种重现性。一旦你理解了小的部分，你就可以通过推理来构建，弄清楚大的部分是如何工作的，而在编程的世界里，这只是程序员的一时冲动的问题。它不需要有意义或美丽。所以我认为法律的美在逻辑上是没有必要的。当然，如果它们不美，可能更难发现，所以对我来说，这些法则的可理解性甚至比它们的美更神秘。本来没必要这样，但事实就是这样。

我不认为任何受所接受的宗教都会对我对我所发现的物质世界的发现进行正当。

对爱因斯坦和现代物理的其他创始人来说是重要的吗？

绝对，虽然他们并不总是明确地思考它。爱因斯坦和[詹姆斯·秘书]麦克斯韦尔 - 并回到牛顿 - 所有人都有这种意识，可以将问题分解为小零件，与他们可以理解的想法，然后你可以建立更复杂的东西会有这种富裕。爱因斯坦是将这个自然对称的第二个方面带到新的高度的决定性。相对论的理论在变化的模具中非常有没有变化。您可以从移动平台上看世界，并在您身上急于或远离您的不同事物看起来非常不同，但相同的法律将适用于固定框架。这是相对论理论的本质。您更改了事物的样子，但法律仍然有效。

爱因斯坦不喜欢量子纠缠的想法，其中两个颗粒在宇宙的相对侧相互作用。这违反了他的美丽感吗？

它违反了他对决定之值的感觉，即法律应该始终导致同样的后果。他是着名的，据说已经说过疯狂在一起一遍又一遍地做同样的事情，并期待不同的结果。然而，这正是量子力学的工作方式。所以他不喜欢它。但父母并不总是批准他们的孩子结果。量子力学是一种框架，它本身似乎似乎是对称性，尽管我认为也许是在更深层次的水平。如果您构建遵守其原则的方程，量子力学将成为一个很棒的平台。这些方程可以支持巨大的变化，而无需更改，即在古典物理学中超出任何东西，他们真正描述了世界。

我们无法预测特定粒子在量子级将要做什么。这些违法行为困扰爱因斯坦也麻烦了吗？

不，我很喜欢。我喜欢它的奇怪和陌生症，这是世界实际工作方式的事实。

这不会违反您的订单感？

你知道，这是深刻的。在量子力学中，对现实的主要描述是波函数，而波函数的方程实际上是确定的。它们是完全定方程。如果你知道波函数，你就可以毫无模糊地预测它在另一个时间会是什么。问题是，从实验上不可能知道波函数是什么。所以深层结构是确定的，但从我们在宇宙中的位置来看，这不是我们可以确定的。从操作上来说，这意味着事情看起来不可预测。有大量的实验数据和经验可以直接证实量子力学的这方面。基本上，所有的现代粒子加速器都是建立在一遍又一遍地做同样的事情的基础上:以完全相同的能量和完全相同的配置撞击电子和反电子。但结果却不一样。 You do it billions of times and each time a different thing comes out. So it’s not a matter of opinion.

人类是否真的揭开了宇宙的深层结构？或者这只是我们的现实版本，鉴于我们的大脑工作以及我们如何看待世界的方式？

好吧，物理学作品。在没有以非常详细的方式工作的情况下，您无法设计iPhone或大型特伦·撞机或特派团，而不是以非常详细的方式制作的世界。所以这不是一个幻想。但是，可能有不同的方式组织你的想法。对于从智能蜘蛛演变的生物来说，有些事情似乎是显而易见的，这对我们来说似乎不太直观。因此，在重大细节中，法律被写下来的方法看起来不同，但我认为结果不可谈判。世界就是它的。

你有一个迷人的思想实验。如果狗或鸟类有先进的抽象推理，他们会擅长物理学吗？

我认为鸟类会非常好，但狗不是那么多。狗的世界主要基于气味。当然，化学感官可以支持丰富的沟通和食物的欣赏。你闻到了Madeleine并记住过去。但即使你非常聪明，拥有丰富的社交生活，也很难从嗅到的感觉到牛顿的运动和力学定律。人类主要是视觉动物，所以我们有强大的方式了解如何通过空间移动。我们很幸运能看到这个星球。这使我们能够进入天文学和理解重力。

那么鸟类有什么特别之处呢?

鸟类将拥有所有这些等等。我们的经验是由地球上的摩擦力和重力的力量主导，这历史上已经引起了理解惯性的巨大问题。但鸟儿只是将他们的翅膀翻转一段时间，然后停下来滑行，所以他们了解惯性。他们也会有一种直观的相对论 - 如果您处于恒定速度，法律不会改变。他们每天都经历。所以，如果鸟类成为聪明，我认为他们会在物理学方面比人类更加快速进展。蜘蛛也会有不同的角度。它们通过触摸和腹部的振动进行通信。他们会对现场理论和电力有很好的进入。

物理定律适用于大脑，所以你不应该去寻找灵魂或非物质的东西。

理论物理学家的一个危险是，您可以在您的方程式的美丽中获得如此陷入困境，以及一切顺利，您将从物理世界中脱离。您仍然需要经验测试来证明这一潜在结构。这是对你的职业危害吗？

绝对是。伟大的物理学家Richard Feynman喜欢说你有想象力，但它在一个严格的困境中的想象力。对我来说，当您的想法表明您可以检查的实验后果时，它假设不同的兴趣。

如果没有“一切理论”，那么单位物理法则？这将你的论点留在大自然中作为美丽的工作？

这个论点仍然是正确的。我们已经知道有明确的法律，解释了大部分方式。这只是我们还没有想到这一切。很难夸大如何对称，多么富有成效，法律如何创造性。这是一件好礼物。但我们不满意，因为在故事中有一些令人讨厌的小缺陷是“出生标记”，那里有这个小缺陷痴迷她的签名。因此，我们正试图找到新的现象，使我们能够更具对称性，并且会使方程更加美丽。但终极判决是实验性的。

对于科学家来说，你似乎有些不寻常。你显然喜欢探索这些大想法。你有没有想过成为一个哲学家而不是物理学家？

绝对地。当我还是一个年轻的少年时，我的英雄是一方面的爱因斯坦，另一方面是Bertrand Russell。我喜欢阅读哲学并思考这些问题。

在过去的几年里，一些知名的物理学家，包括斯蒂芬·霍金、劳伦斯·克劳斯和尼尔·德格拉斯·泰森，都对哲学家发表了轻蔑的评论，基本上说他们对真实的科学世界没有什么价值。你如何看待你的同事对哲学的攻击?

我认为这显示了缺乏想象力和对哲学知识的缺乏。除了物理定律和物理现象，世界上还有很多东西。几个世纪以来，我们一直在努力解决这些问题并完善这些概念。把它一笔勾销是不明智的，甚至是愚蠢的。和爱因斯坦一样，我从哲学文献中获得了巨大的灵感，从与大卫·休谟、恩斯特·马赫或伯特兰·罗素的斗争中磨练自己的思想中获得了巨大的灵感。

哲学家不仅仅是想知道一切如何融合在一起。他们问宇宙是否有意义。这个问题是否适合你？

是的当然。我非常关心它一切意味着什么。这就是推动我所做的很多的原因。

那是什么意思？

我不认为这是正确的问题因为我不确定答案会是什么样子。我很高兴能想出这个问题的另一个版本，它可以以一种非常富有成效的方式来解决:这个世界包含美丽的想法吗?你可以用一种启发式的方式来看待这个问题，看看人们在知道物理定律之前对美的看法，然后将其与我们实际发现的相比较。你对艺术和科学都有丰富的见解。

如果有人需要一个更深层次的价值体系，你是说美是一个寻找它的好地方吗?

是的。有些人从不同宗教的教条中获得快乐和理解，这是组织生活的一种方式。我没有发现这一点，因为我不认为任何受所接受的宗教都会对我对物理世界的发现。It’s not so much that they’re wrong, although many details are wrong, but they just don’t do justice to the profound surprises that science turns up about how big the universe is, how old it is, how many little things go into making the big things we experience in life. That means it’s on us to figure out and make the meaning. And for me beauty is one of the big discoveries that goes into what it all means. That’s been a great source of joy.

科学和宗教的最深刻问题之一是起源问题。宇宙是如何开始的，或者它甚至有一个开始吗？事情如何出来了什么？劳伦斯基兰·克劳斯声称这并不是那么神秘的。他说，在量子场理论中，真空状态不稳定，因此各国流行进入和摆脱存在并不罕见。

事实上，我的朋友劳伦斯正在报价我的工作。我不明白所有的含义，但方程不允许稳定的解决方案。Void是来自自然基本规律的解决方案的一件非常不同的东西，所以如果不允许空白，这是为什么有些东西而不是什么的解释。但我不认为这真的是哲学家询问的问题。

他们问物理法则来自哪里。

完全正确。这些方程从何而来?我们知道空洞不是一个正确的概念。根据我们已知的规律，这是不可能的。

所以没有空的空间没有这样的东西？

这是正确的。空间是空，被动容器的概念，没有内在的生活是完全错误的。在量子力学中，空间具有自发活动。这些称为“虚拟粒子”。我得到了诺贝尔奖的一部分是弄清楚虚拟粒子如何影响我们看到的真实粒子。

什么是虚粒子?

就好像我们生活在一个星球的表面上，在表面上没有看到很多活动，而是影响世界的方式。在基本物理学法律中，例如，电源和磁场 - 具有自发性活动。虚拟粒子陷入很短的时间，然后通过我们的眼睛或乐器的东西来传播。但它们在方程中，它们影响我们所看到的粒子的性质，可以计算和检查。因此，毫无疑问，空间 - 我有时会称之为“网格” - 是一个活动的来源。这是它不是空虚的原因。它有了一生。

因此，如果我们正在寻找宇宙中最基本的东西，那就不是粒子或物质。这是你在谈论的这个空间吗？

是的，空间本身拥有自己的生活。要了解我们认为作为空的空间的感觉是了解整个宇宙如何工作的关键。我喜欢和我的学生开玩笑，在牛顿力学中，关键是解决一个身体如何移动到另一个身体的问题，就像地球在阳光下移动一样。在量子力学中，关键问题是“没有人问题”，它是运行展示的空白空间。我们实际看到的颗粒在空间结构之上是一种Epiphenomena。

W.e’ve been talking about the difficulties of reconciling the immaterial world with matter, and the biggest mystery of all might be the “mind-brain problem”— how the immaterial world of our minds comes out of three pounds of gooey stuff in our brains. Is this a problem for physics, or should we leave that to neuroscientists?

物理定律适用于大脑，因此除了构成大脑的颗粒外，您不应该搜索灵魂或某些无关紧要的东西。一个良好的工作假设是大脑就像一台电脑，拼图是理解遵守物理法律的物理对象如何能够做计算并进行思想。然后有更多的技术问题是我们使用物理学来描述物理宇宙中的物体的方式，可用于照亮大脑如何工作 - 无论是关于对称，材料科学和电信的思想对神经生物学都很重要。我认为答案是肯定的很多机会。大脑的部分是非常规律和对称的。小脑非常结构化。神经网络是另一个发展，我发现绝对迷人。人工神经网是大脑中神经系统的理想化，但它们使用物理人员会认出来的计算规律。事实上，物理学家发明了很多这些技术，因为它们看起来像控制电路的方程。所以我认为物理有很多东西要提供神经生物学。

您认为科学是否会破解我们如何将我们的精神世界脱离材料的根本问题？

是的,我喜欢。我该怎么说呢?我想我们大概已经成功了90%。

你是一个乐观主义者！

不，我想我只是把事情解释对了。不久前，1和0的模式还很神秘，它可以编码你如何进行计算;例如，你如何下棋。但现在我们可以设计出一种系统，在1和0上工作，做一些类似于思考的事情。你越来越多地与Siri这样的系统进行有意义的互动，这些系统只是操纵1和0的模式。这些1和0都体现在物理对象中，也就是晶体管，所以这非常接近于说心灵体现在物理对象中。这些是我们设计的具体对象。

史蒂夫·保尔森(Steve Paulson)是威斯康星州公共广播电台全国联合节目《尽我们所知》的执行制片人。他写了原子和伊甸园：关于宗教与科学的对话。你可以订阅TTBOOK的播客这里。

*原本已发布，此图片不正确记入贷方。