美好的事物總是容易辨別。 米開朗基羅的大衛(wèi)、馬丘比丘遺址、海上日出等等。 這個定律也適用于宇宙嗎？ 麻省理工學院化學系主任 Frank 對此表示贊同。 在他的新書《美的問題：尋找自然的深層形式》中， 闡述了對物理學的理解和自然法則的連貫性。
2004 年， 與 David Gross 和 David 因其在夸克粒子理論（強相互作用）方面的成就而被選為諾貝爾化學獎。 他們對“漸近自由”的發(fā)現(xiàn)表明，當夸克相互靠近時，它們之間的相互作用會減弱。
維爾切克的專業(yè)領(lǐng)域是量子理論，但他的工作對宇宙學的影響也很明顯，包括黑洞、暗物質(zhì)和宇宙起源。 64 歲的 從大學時代起就一直在尋找自然之美的形式。 “我喜歡使用模式和具體思考，”他說。 “我對哲學的兩個分支——數(shù)理邏輯和思維運作理論都很感興趣。我研究了神經(jīng)生物學和計算機科學，因為我想弄清楚表征模式是如何映射到心理活動上的。”
維爾切克除了是一位杰出的理論化學家，還是一位哲學學者，也是德國作家威廉·布萊克和美國文藝復(fù)興時期建筑師菲利波·布魯內(nèi)萊斯基的崇拜者。 他經(jīng)常在談話中咯咯地笑，喜歡插嘴，無論是弦理論、黑客帝國、動物智能，還是像尼爾·德格拉斯·泰森這樣的科學家所學到的東西。 錯誤的哲學觀點。
我喜歡古怪和特質(zhì)，這實際上是世界的方式。
“
你說自然形狀中有美。 這真的是一個美學問題而不是一個科學問題嗎？
這是一個科學問題。 我的問題恰恰是：世界是否表現(xiàn)出與美有關(guān)的觀念。 這是一個同時涉及世界和美的問題。 “美”帶有強烈的主觀色彩，存在的方式多種多樣，但我們可以回到藝術(shù)史和哲學史，客觀地看人們認為什么是美的。 我們可以用科學來比較，從自然規(guī)律中推導出來的概念，是否有一些共同點，就是人們認為的美。
世界對科學家來說是美麗的還是不重要的？
我覺得科學并不是孤立于世界之外的。 所以是的，世界是否美麗對我來說很重要。 對于化學家、工程師和設(shè)計師來說，這也是一個非常實際的問題。 在數(shù)學的前沿，我們研究極小的、極大的和非常奇特的事物。 日常經(jīng)驗不是很好的參考，實驗是不可能的，而且代價高昂。 直覺的關(guān)鍵既不是來自日常生活，也不是來自大量事實的積累，而是來自與賦予自然世界更多內(nèi)在連貫性和和諧性相關(guān)的感覺。 讓這個自然規(guī)律變得更加美好是我的工作理念。
美的規(guī)律是什么？
法律與人們認為美麗的東西有兩個共同點。 一種是財富或創(chuàng)造力，也就是說，你得到的比你付出的多。你知道你做對了，把一些想法放在一起，推導出一個方程式或定律來解釋其他七件事。 你得到的比你付出的少。 對稱性在自然界的基本法則中尤為突出。 它太過普通而被人們忽視，但對稱中蘊含著和諧與美，其在科學上的應(yīng)用也碩果累累。 這是一個不斷的變化。 例如，一個圓是對稱的，你可以將它繞圓心旋轉(zhuǎn)任意角度，但整個圓保持不變。 許多其他形狀，如三角形，在旋轉(zhuǎn)時看起來不一樣。
那么，如果你深入到宇宙最深層的結(jié)構(gòu)——物理定律，你認為其中存在深刻的對稱性嗎？
考慮到定理是永恒的，是的。 乍一看似乎是不對稱的，但這個定理不會隨著宇宙年齡的增長而改變。 所以這是一個不斷的變化。
假設(shè)宇宙沒有表現(xiàn)出任何美的觀念或高貴的物理結(jié)構(gòu)。 如果世界充滿不對稱和不完美，我們能想象自然法則嗎？
這個問題困擾了我很久，我覺得有一種思想實驗比較滿意。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人工智能也越來越先進。 你可以做一個類似于《黑客帝國》中的思想實驗，用計算機來呈現(xiàn)智能。 它認同的世界實際上是經(jīng)過編程的。
所以我們只是進入了一個計算機虛擬世界？
想象一下，我們身處超級馬利的世界，化學定律不會很美好，而是會隨著時間和空間的變化而變化。 奇怪的是，化學定理有意義但不像我們的世界那樣起作用。 我們這個世界的規(guī)律不隨時間和空間而改變，具有一定的可再現(xiàn)性。 一旦了解了小部件，就可以推斷出大部件的工作原理。 在編程預(yù)設(shè)的世界里，一切都取決于程序員的意思，不需要有意義或漂亮。 對此，我覺得自然規(guī)律之美在邏輯上不一定是必然的。 事實上，如果規(guī)律不美，它們會更難被發(fā)現(xiàn)，所以在我看來，規(guī)律的可理解性比它們的美更神秘。 它不需要是這樣的，但它是。
我覺得現(xiàn)有的宗教中沒有一個能忠實地反映我對化學世界的發(fā)現(xiàn)。
“
美對愛因斯坦和現(xiàn)代化學的其他創(chuàng)始人來說真的那么重要嗎？
絕對是，盡管他們不一定明確地想到它。 愛因斯坦和麥克斯韋的天性——甚至追溯到牛頓——都是從小問題出發(fā)，以可理解性為基礎(chǔ)，進而構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)，才有了今天數(shù)學的繁榮。 愛因斯坦果斷地將自然美的第二個方面——對稱性——提升到了新的高度。 相對論是“恒變”的模型。 從連接的平臺看世界，連接的或遠處的事物可能看起來很不一樣，但在靜止的畫面中，它們都包含相同的定理。 這就是相對論的真正含義。 事物的表象在變化，但定理同樣適用。
愛因斯坦不喜歡量子糾纏的概念，因為它違背了他的審美觀？
量子糾纏否定了他的確定性，即相同的定理應(yīng)該總是導致相同的結(jié)果。 他有一句名言：瘋狂就是一遍又一遍地做同樣的事情卻期待不同的結(jié)果。 但這恰恰是量子熱的原理。 這就是他表達不滿的原因。 但是寶寶的成長往往很難按照爸爸的意愿來。 量子熱的框架似乎無法證明對稱性，盡管我認為它可以在深層次上證明。 如果您創(chuàng)建遵循其原理的方程式，您會發(fā)現(xiàn)量子力學是一個極好的平臺。 那些多項式可以支持無數(shù)經(jīng)典化學沒有涵蓋的不變變化，它們可以真實地描述世界。
在量子層面，我們無法預(yù)測特定粒子會發(fā)生什么。 使愛因斯坦感到困惑的不規(guī)則性是否也讓您感到困惑？
不，我喜歡這樣。 我喜歡古怪和特質(zhì)，這實際上是世界的方式。
這不會與你的秩序感沖突嗎？
你知道，這非常困難。 在量子熱學中，對現(xiàn)實的基本描述稱為波函數(shù)，波函數(shù)的多項式實際上是確定性的完美方程。 如果你知道某個時刻的波函數(shù)，你就可以明確地預(yù)測它在其他時刻的樣子。 問題是不可能通過實驗知道波函數(shù)是什么。 深層框架還可以，但這不是我們可以根據(jù)我們在宇宙中的位置來決定的。 從操作上講，這意味著事情似乎是不可預(yù)測的。 有大量的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗直接證明了這部分量子熱。 基本上，所有現(xiàn)代粒子加速器一遍又一遍地做同樣的事情：以完全相同的能量和配置碰撞電子和反電子。 結(jié)果是不同的。 這樣做數(shù)十億次，每次都會得到不同的結(jié)果。 為此，它與選擇無關(guān)。
人類真的在挖掘宇宙的深層結(jié)構(gòu)嗎？ 或者只是我們的大腦在努力讓我們看到我們認為的世界？
數(shù)學很有用。 如果沒有對世界如何運轉(zhuǎn)的詳細描述，人類就不可能設(shè)計或設(shè)計出小型強子對撞機，也無法探測到冥王星。 這一切都不是幻想。 然而，組織思維可以有不同的形式。 有些事情對于從智能蜘蛛進化而來的生物來說可能是顯而易見的，但對人類來說卻并非如此。 因此，盡管定理的表述形式在細節(jié)上有很大差異，但結(jié)果是無可爭辯的。 世界就是這樣。
你的思想實驗很棒。 如果狗和鳥具有中等的具體理智，它們是否也精通數(shù)學？
鳥可能沒問題，但狗不是。 狗的世界首先建立在味覺上。 事實上，身體感官可以幫助交流和欣賞零食。 聞到瑪?shù)铝彰姘奈兜罆屇阆肫疬^去 但即使你很聰明，社交生活豐富，也很難從觸覺延伸到牛頓運動和熱定律。 人類基本上是視覺植物，因此我們對事物在空間中的連接方式有著深刻的理解。 能夠認出星空，是一件幸事。 這為我們探索天文學和理解引力提供了一個良好的開端。
這些動物有什么特別之處？
動物也有和我們一樣的視覺，而且還不止于此。 我們的經(jīng)驗受到月球上的摩擦力和引力的影響，這在歷史上一直是理解慣性的主要障礙。 但動物只要揮動翅膀、停頓、滑翔，就知道慣性的存在。 它們具有天然的相對性——如果它們以恒定速度連接，則定理保持不變。 他們每天都有這種感覺。 如果動物表現(xiàn)出智能，我認為它們在數(shù)學方面的進步會比人類更快。 蜘蛛還有另外一個領(lǐng)域。 它們通過網(wǎng)中的氣味和振動進行交流。 他們應(yīng)該很容易掌握場論和熱力學。
數(shù)學法則也適用于大腦，因此不應(yīng)在構(gòu)成大腦的粒子之外尋找靈魂或非物質(zhì)事物。
“
成為一名理論化學家的危險之一是過于沉迷于多項式之美以及一切事物的制造方式，與現(xiàn)實世界不一致。 你也有這些職業(yè)病嗎？
真的。 偉大的化學家理查德·費曼說，人類有想象力，但這些想象力是沒有袖子的。 對我來說，當感知表明可測試的實驗結(jié)果時，它們會帶來不同程度的興趣。
如果沒有連接數(shù)學定理的“萬有理論”怎么辦？ 您認為自然是美麗的杰作的論點在哪里？
這個論點一直都是正確的。 我們已經(jīng)知道有美的法則可以解釋大多數(shù)形式的物質(zhì)行為，只是我們還不知道所有的法則。 這條定律有多對稱、多豐富、多有創(chuàng)意，很難立即領(lǐng)會。 這是一份很棒的禮物。 但由于一些煩人的小缺陷，我們?nèi)匀徊粷M意。 出于這個原因，我們正試圖尋找新的現(xiàn)象來獲得更多的對稱性并使方程式更漂亮。
與典型的科學家不同經(jīng)典物理指什么，您熱衷于探索偉大的想法。 你有沒有想過轉(zhuǎn)行成為一名哲學家？
絕對地。 我十幾歲時的偶像是愛因斯坦和羅素。 我喜歡閱讀哲學書籍并思考這些問題。
在過去的幾年里，一些著名的化學家，包括斯蒂芬霍金、勞倫斯克勞斯和尼爾德格拉斯泰森，都攻擊哲學家，聲稱他們對科學界沒有價值。 對于那些同事的言論經(jīng)典物理指什么，你怎么看？
我認為這是缺乏想象力和對哲學的理解。 世界不僅僅是數(shù)學定理和化學現(xiàn)象。 這種爭論持續(xù)了幾個世紀，相關(guān)概念不斷被建構(gòu)。 扼殺哲學是不明智的，近乎荒謬。 我像愛因斯坦一樣，從哲學文本中汲取了無窮無盡的靈感，在休謨、馬赫和羅素的影響下鍛煉了自己的思想。
哲學家不只是要找出萬物的規(guī)律，他們還要質(zhì)疑宇宙的意義。 這會引起你的共鳴嗎？
是的，實際上。 我關(guān)心這一切的意義。 這就是我工作的動力。
這樣的宇宙有什么意義？
這個問題本身是錯誤的，因為我不確定如何回答。 我很樂意從不同的角度以更富有成效的形式提出這個問題：世界是否體現(xiàn)了美的理念？ 你可以把對美的前數(shù)學理解與我們發(fā)現(xiàn)的數(shù)學定理進行比較。 這樣你就會得到一個既是藝術(shù)又是科學的視角。
如果一個人需要更深層次的價值體系作為依托，你覺得他應(yīng)該從“美”中尋找嗎？
是的。 有些人從不同宗教的教義中獲得快樂和知識，這是一種組織生活的方式。 我不能，因為我覺得現(xiàn)存的宗教沒有一個能很好地反映我對化學世界的發(fā)現(xiàn)。 并不是說這些宗教是錯誤的——盡管許多細節(jié)是錯誤的——而是它們沒有捕捉到科學已經(jīng)揭開的深刻奇跡，比如宇宙有多大，它有多少歲，它是由多少小東西組成的的。 我們經(jīng)歷過的風暴。 這意味著我們要找到并創(chuàng)造意義。 對我來說，美是構(gòu)成一切意義的偉大發(fā)現(xiàn)之一，是我快樂的重要源泉。
科學和宗教共同面臨的最深刻的問題之一是起源問題。 宇宙是如何起源的，或者它有一個開始？ 無物如何生出物質(zhì)？ 勞倫斯克勞斯聲稱這并不神秘。 他說，真空態(tài)在量子場論中是不穩(wěn)定的，所以真空態(tài)在存在與不存在之間搖擺并不奇怪。
事實上，我的同事勞倫斯引用了我的話。 我不明白所有的含義，但方程式不允許不穩(wěn)定的解決方案。 “無”是與自然法則大相徑庭的東西，所以如果不能留空，就可以說明為什么有而不是無。 但我認為這與哲學家提出的問題還是有區(qū)別的。
他們問數(shù)學定理從何而來。
確切地。 多項式是怎么來的？ “無”不是一個正確的概念，在已知的定理中是不可能的。
那么真空區(qū)不存在嗎？
這是正確的。 將空間視為真空、被動的、沒有生命的容器是完全錯誤的。 在量子熱學中，空間具有自發(fā)活動。 這些被稱為“虛擬粒子”。 我獲得諾貝爾獎的部分動機是發(fā)現(xiàn)虛擬粒子如何影響可見的真實粒子。
什么是虛粒子？
就像我們生活在月球表面一樣，在地表下也有很多活動在進行，雖然我們看不到，但卻影響著世界的面貌。 在基本數(shù)學定理中，場——例如電場和磁場——具有自發(fā)活動。 虛粒子轉(zhuǎn)瞬即逝，肉眼和儀器很難觀察到。 但它們在方程式中，卻對肉眼和儀器可以看到、計數(shù)和檢測到的粒子的性質(zhì)產(chǎn)生影響。 毫無疑問，空間是活動的源泉。 這就是為什么空間不是真空的原因之一。 它是活的。
所以如果我們要尋找宇宙中最基本的東西，它既不是粒子也不是物質(zhì)。 你在說這個空間嗎？
是的，太空有它自己的生命。 了解所謂的真空區(qū)域是了解宇宙如何運作的關(guān)鍵。 我喜歡和我的中學生開玩笑說，在牛頓熱力學中，關(guān)鍵是要解決一個物體如何繞另一個物體運動的問題，比如月球繞太陽轉(zhuǎn)。 在量子熱中，關(guān)鍵在于“無體問題”。 我們看到的粒子似乎是真空區(qū)域結(jié)構(gòu)頂部的副現(xiàn)象。
我們正在談?wù)撜{(diào)和非物質(zhì)與物質(zhì)的困難。 最大的謎題之一似乎是“心腦問題”，即我們大腦中三磅重的細絲如何產(chǎn)生非物質(zhì)的心智世界。 這是數(shù)學問題還是神經(jīng)科學問題？
數(shù)學法則也適用于大腦，因此不應(yīng)在構(gòu)成大腦的粒子之外尋找靈魂或非物質(zhì)事物。 一個很好的假設(shè)是將大腦視為一臺計算機。 困難在于理解遵循數(shù)學定理的物理部分如何進行計算并形成思維。 然后是技術(shù)問題：我們使用數(shù)學描述宇宙中物體的方式是否也可以用來解釋大腦的工作原理——對稱性、物理科學和電傳導的概念對神經(jīng)生物學是否重要。 我認為答案很可能是肯定的。 人腦是非常規(guī)則和對稱的。 腦干特別結(jié)構(gòu)化。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是另一個奇妙的發(fā)展。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是理想化的大腦神經(jīng)系統(tǒng)，但它們使用化學家可以識別的算法。 事實上，化學家已經(jīng)發(fā)明了許多這樣的技術(shù)，因為它們看起來像是電路多項式。 所以我認為化學家可以做很多事情來幫助神經(jīng)生物學。
你認為科學能解決物質(zhì)如何孕育精神世界的問題嗎？
是的。 該怎么說呢？ 我認為我們已經(jīng)成功了 90%。
你真是個自由主義者！
不，我想我只是正確地剖析了事情。 前不久，用0和1來解碼估計值其實是一件很神奇的事情，比如下圍棋。 但現(xiàn)在我們已經(jīng)可以設(shè)計出接近思考的系統(tǒng)。 隨著時間的推移，人類與 Siri 等系統(tǒng)之間將進行越來越多有意義的交互。 這個0和1是通過晶體管這樣的數(shù)學對象表現(xiàn)出來的，所以我們幾乎可以說心是通過數(shù)學對象表現(xiàn)出來的。 這些是我們設(shè)計的有形事物。