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2016-2017

【活动新闻】如果所有科学知识都要毁灭,只能留给后代一句话:维尔切克、潘建伟、丁洪的回答
发布时间:2023-11-14    375   

11月12日,上海市浦东新区南七量子科技交流中心举办了以“顶尖物理学家是如何感知世界的——探索万物原理”为主题的线下活动,邀请了诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克教授对话中国科学院院士潘建伟教授和李政道研究所丁洪教授,共同探讨基础物理的发展、科学对世界的影响。中国科学技术大学袁岚峰主持此次活动。


如果在某次大灾难里,所有的科学知识都要被毁灭,只有一句话可以留存给新世代的生物,哪句话可以用最少的字数包含最多的信息呢?我相信那会是原子假说(或者原子事实,或者你爱怎么叫都可以):宇宙万物由原子构成。

60年前,著名物理学家理查德·费曼在一个讲座中讲到了这句话。这句话如此著名,在全世界都得到广泛的传播。2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)在他的新作《万物原理》中进行了引用,著名量子物理专家潘建伟也在不同的场合引用过这句话。

那么,60年之后,如果所有科学知识都要毁灭,只能留给后代一句话,科学家们的答案会有所不同吗?

2023年11月12日,在“墨子沙龙”和中信出版社主办的一场在上海的公开科普活动中,顶尖物理学家弗兰克·维尔切克、潘建伟和丁洪就这一问题给出了自己的回答,并探讨了基础物理的发展、科学对世界的影响,以及室温超导等时下备受关注的话题。这一科普活动由中国科学技术大学副研究员,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰主持。

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从左至右依次为:丁洪、潘建伟、弗兰克·维尔切克、袁岚峰

弗兰克·维尔切克是杰出的理论物理学家,现为李政道研究所首席科学家。他表示,费曼的这个答案非常好,他不确定能否找到更好的答案,但也提出了一个不一样的回答,那就是“世界是可以理解的”。

“对于我来说,寻找精确的方式,是真正的革命。这不是学习特定的事实,而是渴望对世界有一个真正精确的理解,而且你不会满足于这一理解的不足之处。”他说,牛顿的引力定律有着精确的计算,所以当它不起作用时,人们开始出现担忧,这就带来了新的行星、彗星和新效应的发现。“古希腊人虽然非常聪明和敏锐,但没有意识到应该追求精确,并努力对自己的想法进行测试,直到你可能对任何不完美的描述感到满意。这就是我的回答。继续尝试,直到完全正确为止。”

中国科学院院士,中国科学技术大学常务副校长,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟表示,费曼在40年前也提出了一种观点,我们可以通过量子模拟器来模拟复杂系统的物理现象。“实际上,如果世界是由原子构成的,那么很重要的是,原子可以处于量子叠加态。一旦原子可以处于量子叠加态,那么经典计算机就不再可能有效地模拟复杂系统的完整物理机制,这意味着我们可以构建某种量子机器来更好地理解物理世界。”

“费曼的这句话非常经典,要超越它是很困难的。我想可以改写《万物原理》这本书里的一句话——力场是什么构成的?我只能说粒子和力是由力场构成的。”凝聚态物理学家,李政道研究所副所长、李政道讲席教授,凝聚态物理研究部主任丁洪表示:世界是由力场构成的。“当我们看基本粒子的时候,它们都来自量子场,例如光子来自电磁场。强力来自于强大的力场,引力来自于引力场,所以这一切都是由力场决定。”

1.万物原理的源起

维尔切克教授首先解释了写作《万物原理》这本书的初衷。

我非常喜欢物理学,也希望通过新的方式来思考物理学。物理学充满了许多对基本问题的理解,对于我们扩展思维的可能是令人惊讶而深入的。我们可以让研究应当为更多人所知。所以这其实是我用爱发电的一个作品,当然也是我的一个使命。

现在有很多科普的书籍,介绍最新的进展,最新的技术以及特殊领域,但是并没有一本书能够写得非常全面,能够帮助我们更深刻、更深入地理解这个世界。这本书也很简洁,所以我们能够在这本小书里理解关于世界的一些基本概念,并且是通俗易懂的语言,这正是我努力去做的。

接着,三位物理学家分别介绍了自己关注的科学领域。

维尔切克重点介绍了他关于轴子的研究。轴子是一种新型的粒子,由维尔切克取名自一个洗衣粉的品牌。轴子被认为是宇宙中暗物质组成部分的候选者。维尔切克在《万物原理》一书中对此有详细的介绍:轴子与普通物质以及自身的相互作用都非常微弱。它们在高温下产生,之后从宇宙火球中挣脱出来。它们的余辉(即轴子背景)充斥着整个宇宙。我们计算出的轴子背景密度与观测到的暗物质密度一致,而且轴子是在几乎静止的状态下产生的。因此,轴子背景满足了冷暗物质宇宙学的假设。

这是一种充满挑战的设计,我们需要设计出良好的实验,从而能够去看到这样的背景,我们现在正在去拥抱这样的挑战,所以这也是我最近几年的工作当中努力所参与的。维尔切克说。

潘建伟介绍,中国科学技术大学的彭新华教授正在领导一个研究项目,通过空间站寻找轴子。另外,澳大利亚和世界其他一些机构的科学家也在努力寻找轴子。而对于他来说,更关注的问题是关于任意子与其他物质的相互作用,中国科学技术大学正在用一些离子进行相关的研究。

丁洪教授则介绍了,他的研究团队2018在铁基超导的研究中观察到了一些任意子。我们当时也是觉得非常激动,也希望能够去进行一些证明,取得一些统计数据,这对于未来的一些量子计算等方面的进展也会有作用。

2.室温超导材料是否存在

今年科学界最火热的话题无疑是室温超导论文事件,美国罗彻斯特大学助理教授Ranga Dias研究组的论文声称实现室温超导之后接连撤稿,韩国研究团队声称合成室温超导材料“LK-99”,科学界并没有多少人相信是真的室温超导材料,连韩国超导和低温学会“LK-99”验证委员会都表示,经过验证,不足以证明“LK-99”是室温超导体。

对此,维尔切克认为,我们的理论对于高温超导的一些理解还非常有限,但高温超导领域在过去几十年的飞速发展,带给了人们很多惊喜,例如一种陶瓷材料也是高温超导体,这令人惊讶。他认为,随着量子计算、机器学习等技术的发展,未来也许不用过度依赖化学,也可以有更加广泛的可能性。“作为对量子世界更广泛理解的一部分,我们有理由对高温超导持乐观态度,我认为未来几年量子世界将会发生质的不同。

潘建伟表示,自己并非高温超导方面的专家,但赞同寻找室温超导是整个科学界长期的目标,值得继续探索和尝试。“正如弗兰克刚才提到的,没有任何理论禁止我们实现这些目标。但我们对其机制还缺乏手段去了解。所以我不确定我们是否能找到室温超导体,以及为什么不继续寻找这样的东西。

丁洪是高温超导领域的专家,在这个领域已经研究了30多年。他表示,当Ranga Dias研究组报告的结果与室温超导相差不远,并且是在非常高的压强之下实现时,他产生了疑问:大自然是否可以产生如此大的内部压力?只要有压力就够了吗?另外,他也解释了为何公众会对室温超导材料感到兴奋,这主要是因为它的潜在应用和巨大的市场需求。例如,核聚变领域的线圈需要高温超导磁体,而且需求量很大,但现在的生产能力实际上远远低于需求。

3.中国科学和教育

三位科学家还就中国科学和教育的看法和建议发表了自己的意见。

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维尔切克是中国科学院外籍院士,也担任中国上海交通大学李政道研究所的首任所长,现在是李政道研究所首席科学家。他表示,过去10年左右,中国学生水平的提高,学生人数的增加以及中国研究者发现的尖端科技,都给他留下了深刻的印象。他说,科学是一个全球的追求,需要更多的人才去支持创新性研究,科学社区也需要吸引大量的人才,而中国就是全球科学社区的一部分。

潘建伟提到,他在几周之前见到了中国科学技术大学校友、芝加哥大学教授何川,他在今年2月获得了沃尔夫化学奖。他们讨论到了日本科学在过去20年的非凡表现,有大约20位日本科学家获得诺贝尔科学奖,这些科学家或多或少都有在西方国家的教育背景,而现在随着日本科学水平的提升,去美国或欧洲进修的日本学生变少了,这引发了日本科学家的担忧。

在中国,我们应当去铭记这些日本的经验,我们应当不断去进行国际性质的学术交流,尤其是与顶尖科学家进行交流,而不仅仅是在中国国内,这样我们可以开拓眼界,学习最新的知识,最新的想法,这一点对于中国的科学以及年轻人的教育来说是非常重要的。潘建伟说。

丁洪对维尔切克和潘建伟的话表示赞同。他表示,人类不同于动物的一点在于合作。人类通过一代又一代的合作,通过不同国家和地区的合作,发展新的知识。“现在我们可以通过互联网成为一个非常大的大脑,形成一个科学的大脑,来推动人类文明的发展。


4.谁影响了你的职业

谈到对自己影响最大的人,维尔切克和潘建伟都提到了自己的父母。

维尔切克表示,从最深层次的层面来讲,父母对自己产生了巨大的影响。这里的一个背景是,维尔切克是第二代美国人,他的父母在经济大萧条时代中长大,从小就要去工作,没上过大学,但是他的家庭很稳定,而且父母对其寄予厚望,希望他得到最好的教育。

另外,维尔切克认为,在纽约的公立学校读高中时遇到了一些非常好的老师,在职业生涯初期遇到了David Gross这样有活力的论文导师,也是非常幸运的。David Gross是维尔切克博士研究生期间的导师,后来他们分享了诺贝尔物理学奖。“他无疑帮助我取得了一个良好的开端。”

他还提到,非常感激自己的妻子。今年是他结婚50周年,也是量子色动力学的第一篇科学诞生50周年,所以会有一些庆祝。“这并非偶然,这些事情是相互关联的。”他说。

潘建伟也表示,父母对自己的影响很大。在选大学和专业时,他面临两个选择:中国科学技术大学物理学专业和另外一个知名高等学府可以免试入学的金融管理专业。当他征求父母的意见时,他的父母鼓励他选择自己热爱的那条路,不要担心以后挣钱给他们养老的问题。

“这让我能够非常轻松的去选择了物理学作为我的专业。这的确是是非常重要的。在后来学习的过程中,无论是在本科阶段还是研究生阶段,我很享受学习的过程,觉得很多话题都很有意思,比如能量之间的转化,电子学和电磁学的话题等等。…… 后来我也非常喜欢量子纠缠的概念,这成为我后来长期致力于的研究领域。”

丁洪则表示,菲利普·安德森(Philip Warren Anderson)对自己的职业生涯影响非常大。安德森因“对磁性和无序体系电子结构的基础性理论研究”分享了1977年的诺贝尔物理学奖,他也是高温超导领域的领军人物。在美国读博期间,丁洪与安德森结识。丁洪说,安德森鼓励他不应满足于学生阶段已经取得的研究成果,而要继续去做进一步的研究。“这在一定程度上鼓励了我回国,回到中国继续去追求我的科研生涯。” 丁洪说。

5.如果重新选择职业

如果有机会重新选择职业,你会选什么?对于这一问题,三位物理学家的回答比较一致,会希望继续做科研,但也一些细微的差异。

维尔切克说,如果他的天赋足够,也希望成为一名音乐家,但要达到莫扎特那样的水平,他觉得自己是做不到的。说到这里,他干脆说:音乐也是极其复杂的,我还是做科研吧。“我不一定会选择研究物理学,也可能会选择另外的一些专业,当相信我还是愿意从事科研工作,愿意用漂亮的数学来解释各种问题。”

潘建伟表示,他的首选还是科研工作。但如果还有另外一个机会,可能是去做厨师,“因为我在家里是喜欢做饭的,如果我能够做一些美食去款待客人,那的确非常好。如果客人吃的不是很高兴的话,其实我也会非常失望。” 另外,他也表示愿意尝试作曲填词,创作音乐,“这也是我非常愿意去尝试的一个领域”。

丁洪则透露了一个秘密,大学读物理并非他的第一选择,而是父亲的愿望,他自己很喜欢计算机科学,进入上海交通大学也是因为在计算机科学竞赛中取得了好成绩。所以,如果他可以自由选择的话,可能会学习人工智能技术继续为科研做贡献。

6.面包和理想,如何选

在现场提问环节,一位年轻的观众表达了一个困惑:对于在缺少资金和资源的情况下,是否应该继续坚持追寻科学。维尔切克和丁洪都同意基础科学研究本身有风险,要吸引更多的年轻人投身其中,就需要给到他们足够的安全感,让他们有机会大胆去探索。

潘建伟则分享了一个爱因斯坦的小故事,给了两个建议:在解决自己温饱问题的基础上,努力去做喜欢做的事。

他是这样回答的:当年有人给爱因斯坦写信,表示自己特别喜欢做基础研究,如果爱因斯坦能够赞助他一下,这样他就可以安心做基础研究,有可能成为很好的科学家。我记得爱因斯坦的回复是,先把自己的肚皮填饱。

“其实哪怕爱因斯坦,他刚毕业没找到位置,先在专利局里面去做专利员,有了饭吃,把肚皮填饱,然后再做science。这就是一种基本的方法。”潘建伟说。

另外,潘建伟表示,对于自己想做的事情,也要更勇敢,比如联系心仪的导师或合作者。“现在互联网非常方便,不用担心说跟一些著名科学家去联系,会觉得有问题。勇敢去跟他联系,他也觉得你确实是有能力做这个事情的话,会非常友好地跟你合作的。

7.如何看待地球的未来

说到人类和地球的关系,以及地球的未来,三位科学家都是乐观主义者。

维尔切克认为,人类虽然面临着气候变化、核战争、新冠疫情等危机和挑战,但如果回头看人类进化的历史,就会发现“这是一条非常崎岖的道路,但是在崎岖当中螺旋上升”。他认为,基础研究和科学技术,未来会不断发展,帮助人们探索不同的可能性,并变得越来越繁荣。

潘建伟教授对维尔切教授的观点表示赞同,并补充说:从大爆炸开始,我们最早连光都没有,后来就有了各种各样宇宙当中的演变,后来地球上有了人类,有了我们现在在这里相聚一堂,一起探讨未来,一起探讨宇宙的未来等话题。

“其实我们也是宇宙变迁的一部分,未来我们也会有更好的一些大脑,未来可能有一些新的技术来照顾我们,就像现在人类开始更多地去关注环境,关注自然。”潘建伟说。

丁洪表示,人类与整个地球和宇宙的历史相比确实很短暂,但是我们已经能够理解宇宙大爆炸到今天138亿年的演化历程,这正是人类的伟大之处。“就像一只蚂蚁住在一个很大的海滩的石头上,突然一天,它说我想通了,整个大海是怎么形成的,其实它从来没有走出过这块石头。正是人类的伟大,才使我们对于理解自然界,对自己充满了信心,充满乐观。


8.如何理解物理

“你们如何理解物理physics 这个词?”现场一个五年级的小学生的提问,让三位科学家和观众们的思绪回到了一个根本的问题:到底什么是物理?如何理解物理?

维尔切克教授回答说,physics 就是我们对物体行为的理解。“为了理解物理的行为,我们会去做大量的实验,比如说会去了解这些物体是由什么所构成的,找到它的各种规律,这些就是我们的物理学。”

他也认为,化学与物理关系紧密,两个学科之间的边界并没那么重要,因为它们都是要去理解各种物质或者物体,而生物学也会非常多的涉及到了前沿物理研究。“总之物理就是要帮助我们去了解世界。

建伟对维尔切克教授的回答表示赞同。他分享了对于物理学和数学之间区别的理解。“物理学是帮助我们去理解世界,数学是帮助我们更好地获得乐趣,我们去构建各种各样的规则,用各种逻辑来帮助去做各种事情的计算。

丁洪则从“物理”这个词的中文含义进行了阐释。他以维尔切克教授的新书《万物原理》的名字举例说,“万物原理,这就是我们的物理,可以说是一切事物的道理”。

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9.给年轻人的话

最后,三位物理学家分享了给年轻人的寄语。

“保持你的好奇心,享受这个世界,并且要真正的参与到这个世界。”维尔切克说,“要去真正的在其中去达成进步成就,因为我们作为人类在过去已经做了非常多的进步,在不断的改善我们对世界的理解,所以我们要不断的打开自己的思维,扩展思维,为人类的进步作出贡献。”

潘建伟给出了三点建议:保持好奇心,全力去做你喜欢做的事,坚持去做你喜欢做的事。

丁洪教授则用了他在几个月前学到的一句话:专注于你能改变的领域。

圆桌讨论结束之后,维尔切克教授还与现场的观众进行了《万物原理》一书的签名互动。

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