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量子力学不应止步于随机性——2025基础物理学特别突破奖得主赫拉德·特·霍夫特访谈

环球科学  · 公众号  · 科学  · 2025-05-01 22:00

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几百年前,当麦克斯韦将电学与磁学结合起来时,以及后来马克斯·普朗克首次提出能量量子化的观点时,有过很长一段时间,看起来似乎并没有太多新的进展。 但实际上,其他领域,如统计物理学和其他基础科学分支,仍然在不断发展。 而无论是在过去还是现在,这些领域一直在稳定进步。看看现在的天文学,天文学家几乎时时都有重大发现,绝不能说是沉闷乏味的!随着望远镜变得更大更精确,以及他们运用越来越多的基础科学技术来提升分辨率,天文学家正在不断发现宇宙中的新奇事物。生物物理学和医学也是如此,几乎每天都有新的发现。


但在我的领域,您说得对,看上去似乎没有什么重大进展。我倒不这么认为。实际上,进展一直在发生,只不过进展的规模相对较小。


采访者:

那么,您是否乐观地认为这种情况会发生变化,我们将看到粒子物理学领域重大的发现复兴呢?


霍夫特:

这是一个非常好的问题,因为看起来我们似乎无能为力。如果情况发展成每一次新的突破都需要十倍甚至更大规模的实验设备、功率和成本的提升,那么显然我们不会超越现在的进展。我不能排除这样的困难会成为阻碍进步的可能性,但科学史表明,如果真是这样,进步将会在不同的方向进行。我们不仅可以考虑精度的提升,也可以探索完全不同的途径,比如宇宙学和黑洞物理学。


我想对新一代科学家们提个建议: 不要为此担心,因为目前没有新进展的真正原因是,大家的思维方式都一样!


我对此有些困惑和失望。许多人依然沿用相同的思维方式——而现在人们尝试提出新理论的方式似乎效果并不好。我们有很多关于量子引力、统计物理、宇宙学的新理论,但它们在基本结构上并不“新”。人们似乎不敢于迈出那些我认为真正必要的大胆步伐。例如,我们看到每个人都将自己的新想法首先提交到arXiv预印本服务器,然后再投向期刊进行发表。在arXiv上,每年都有成千上万的论文出现,但没有一篇论文真正带来了那种伟大、闪亮的、能够改变局面的新洞见。当然,确实有一些启发性的见解,但它们并不是我们领域所需要的、能够带来基础性突破的见解。


我认为我们必须开始以不同的方式思考。而我一直保持着这样的态度——我在用不同的思维方式思考。特别是在70年代,有一种非常有效的方式可以推动进一步的进展:去用和你的朋友们不一样的方式思考,这样你就能找到新的发现!


我认为这依然是对的;然而,我现在年纪大了,不再能每周都有巧妙的新想法了。但从原则上讲,在进行量子力学、宇宙学或生物学等领域的探讨时,仍然存在一些脱离传统的方式。在我看来,人们的思考方式还不够新颖。


采访者:

您能举一个您所说的“新颖性”或“不同”的例子吗?


霍夫特:

当然。我对世界、对物理学、以及与物理学相关的其他学科的思考方式是,所有的东西应该更加合乎逻辑,更加直接,更加“接地气”。


许多人在写一些关于量子力学的论文时,喜欢在其中保留一些神秘感,好像这个领域有些奇异的东西,甚至近乎宗教般的性质。我认为这是完全错误的。量子力学是基于一种数学方法,用来描述非常普通的物理效应。我认为, 物理世界本身是一个非常普通的、完全经典的世界 。但即便是在这个完全经典的世界中,我们今天仍然有很多不知道的事情,在通往更深层次理解的道路上,我们还缺少一些关键的“阶梯”。


采访者:

什么样的“阶梯”?


霍夫特:

我说的这些“阶梯”是指利用这样一个事实——整个世界其实是非常简单和直接的。问题在于,世界在我们眼中依然显得复杂,这也是我们现在处于这种困境的原因。


您已经提到了标准模型,这个来自上个世纪的伟大发现。它是一个很有启发性的例子,因为从根本上来说,它非常简单,但如果深入观察,就会发现它缺少了一些非常重要的东西。标准模型是基于量子力学的,而量子力学告诉我们,当粒子彼此接近并发生散射时会发生什么。然而,它们可以以许多不同的方式散射;而标准模型在这方面并没有给出明确的预测。它只给出统计结果。标准模型是一个非常出色的理论,它给出了事物运行的统计学规律。但这个理论从未完全精确地告诉你自然界到底做出了哪种选择;它仅仅告诉你这些不同的可能性存在,并且有某种概率幅度。这就是我们所知道的世界。这就是我们知道如何表述自然法则的方式,但它并不是自然法则本身。

缺失的部分是我们对某些粒子为什么有时走这条路,有时走那条路的理解。你可以很容易地主张说,粒子可以在极小的距离上相撞。它们并不是直接正面碰撞,而是以某个角度碰撞,然后从某个角度散射出去。这可能是对的。但当前的理论没有告诉我们,如果两个粒子相互接近,我应该实际观察什么,以便提前预测它们将如何散射。


想象一下,如果你能像知道两架钢琴相撞时会发生什么一样,精确地知道粒子之间的相互作用过程。原则上,对于钢琴,你可以确切地知道哪根琴弦会与另一根琴弦碰撞;你可以预测两架钢琴碰撞时会发生什么。那么,粒子是不是也可以这样呢?在实际操作中,这种对粒子的预测被认为太过困难,因此我们转向统计学,得出的结论是:钢琴粒子可以在各个方向上散射,除此之外就没有什么可以说的了。


然而,对于钢琴,或许你可以说得更多。如果你知道它们会在什么位置、什么角度碰撞,你可以提前预测它们会如何散射。而这本应当出现在我们对基本粒子的理论中——但它却没有。


我在说的是,我们应该开始以这样的方式思考。而人们拒绝这样做,因为他们认为量子力学太美妙以至于不可能是错的。







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