一位小说家请一位物理学家解释他的科学突破。
诺贝尔奖获得者弗兰克 · 维尔切克（Frank Wilczek）的新书《基本原理：通往实在的十把钥匙》（Fundamentals: Ten Keys to Reality），既是思考外部世界和内部世界丰富性的方式，也是通过科学“重生”的方式对传统宗教的替代。我受邀为《纽约时报》评论这本书，因为这本书显然是写给非科学家的。我在为我的小说《爱欲与哀矜》（Lost and Wated）做拓展研究时，养成了为外行阅读物理学的习惯。对我来说，这些书分为两类：一类需要读者的智慧，促使其尽可能认真地理解作者在理论工作中遇到的问题；另一类用抽象、华丽的语言来展示宇宙的奥秘。我通常更喜欢第一种，但我可能会被第二种所诱惑。而维尔切克的《基本原理》似乎占据了中间地带，用简单但精确的语言介绍了自然界中最大和最小事物的概念。
在采访物理学家时，我总是对他们如何工作以及什么样的性格适合这门学科等问题感兴趣。维尔切克的家在马萨诸塞州康科德市，在一间有着斜坡屋顶的灰色房间里，他举着放大镜对着我说话。他穿着一件蓝色格子法兰绒衬衫，口袋里不止一支笔。在我们的谈话时，他微笑着表达自己的观点。当他专心解释某事时，眼镜后面的眼睛会闭上一会。我们的谈话加强了我从他的书中得到的印象：他是非常快乐的人，他的快乐很大程度上源于思维活动，其中物理学是主要但不是唯一的激情。
我喜欢《基本原理》开篇引用的帕斯卡对自己的渺小非常恐惧的话：“宇宙抓住我，把我像小斑点一样吞下去。”你还记得吗，无论是小时候还是现在，抬头仰望天空时，会被自己的渺小吓着？
我并不害怕。小时候，我是作为罗马天主教徒长大的，因此形成了我对宇宙的看法。我害怕下地狱，但不害怕宇宙太大的问题。我想这只是事实，与日常生活并不特别相关，当然也不觉得压抑。我的态度随着我的成长而改变，开始更多思考地球和地球上的人的渺小。但是，帕斯卡说被宇宙的大小所吓倒，这倒是件奇怪的事。
我本不打算问这个，但既然你说你是作为天主教徒长大的，那你有没有放弃信仰的时候？还是你仍然……
是的，肯定有。曾经发生过危机。天主教有一个仪式叫坚信礼。当你到了有理性思考能力的年龄，我认为是12或13岁，会举办坚信礼以坚定信仰。我们用周末时间来进行，这个过程非常深刻，会温习教义并变得振奋。我对此非常着迷。我一直在认真思考教理问答中所提出的问题，并试图将其解释为真理。同时，我也在学习科学，阅读像伯特兰 · 罗素（Bertrand Russell）这样变革性人物的作品。但那次坚信礼使事情达到了顶点。在那一刻，我坚定了信仰。但在那之后，像大坝决堤一样，就没有……
没有回头路了？
是的，没有回头路了。至少对我来说，一旦开始审视这些教义，认为它们不是上帝的话语，而是那些不通世务的人的产物，你就会发现这些世界观在很多方面都是微不足道的。
有趣的是，你在深入思考他们试图教你的东西。坚信礼时，大多数孩子都在看窗外，或者想桌子对面12岁的女孩，你却在努力解决这些问题。
没错。但回想起来，我对圣奥古斯丁这样的人物非常同情。我认为他调和了希腊哲学和宗教教义，使两者都受益。
当时做一个全才肯定比现在容易。
调和更容易。我们永远不会像古希腊人那样理解事物，因为我们的标准不同。我们的标准更加严格，也更难达到。我们不可能在所有方面都做到。
在《基本原理》一书中你提到，当你高中去贝尔实验室参观的时候，你听到一位科学家说“声子是振动的量子”，这句话对你产生了某种影响。你无法停止思考直到你明白了它的含义。这对我来说很有趣，在那种情况下听到你不完全理解的语言，然后引导你更深入研究这个问题。
确实是这样。当时我没有意识到，但这给我留下了非常深刻的印象。它开始于这样一个概念：粒子、声子是事物的描述或结果，但事物不是粒子而是振动。如何让粒子从更深的实在中涌现？你可以想到物质。物质本身就是具有涌现粒子的世界，在没有物质的情况下，粒子不能存在。在这个自我封闭的世界里，如果你生活在物质中，这就是你所认为的实在的组成部分。
其他孩子有漫画书，你有振动声子的世界。
我也有漫画书，但振动声子的世界确实激发了我的想象力。因为我不知道量子是什么，对世界的那些解释给了我极大的满足。我甚至不知道什么是振动（除了以一种非常普通的感官方式），当然更不知道什么是声子。但是，能够把一个似是而非的解释结合在一起，给了我极大的满足感。这让我觉得自己很聪明。
对我来说，《基本原理》的伟大见解之一是你解释的方式，即粒子不仅仅是德谟克利特所想象的漂浮在空间的原子的缩小版本。我以前也遇到过这个想法，但你写道：“粒子是场的化身。”你是怎么得出这个定义的？我觉得它很美。
呃，这只是对方程如何工作的直接描述，而且我可以用英语把它表达出来。人们谈论“波粒二象性”和“粒子与场”，但最深刻和最自然的方式是讨论空间填充场，粒子是附带现象。粒子是场中激发，有一种内在的内聚力使粒子结合在一起，并作为可识别的单元进行传输。但真正意义上来说，粒子只是场中能量集中的地方。在深层次上，场确实是活动发生的地方。粒子和场是我们用来形成关于世界运行的描述的事物。
《基本原理》中有一点我特别不明白。你提到“任意子”（这个你命名的准粒子）“具有简单的记忆”。你说任意子很重要，因为其行为可以作为量子计算机的构建基础。我读了你在《量子》（Quanta）上写的一篇文章，其解释似乎简单明了，但我被空间是二维加时间的概念绊倒了。作为非科学家，我们通常被要求从三维加时间的角度来思考。
首先来说，在物理学中存在二维世界。例如：在你的电脑中就存在这样的二维世界。当有芯片时，电子就生活在二维世界中。电子在平面上的运动是自由的，但在另一个维度上，电子受到约束。在量子力学的规则中存在能隙，这意味着它们无法逃逸到第三维度。它们确实生活在二维世界中，我们可以对它们世界的物理现象进行完整描述。
所以我们有两个空间维度，但还有一个时间维度。事物可以移动，因此，为了描述粒子的位置以及它们在时间上的发展，我们引入了第三维度。然后，粒子不是在这个扩展描述中有一个位置，而是有一条“世界线”。随着时间的推移，每个时间都有一个位置；追踪这些位置，我们就能得到世界线。当你有几个粒子时，你就有几个世界线，它们会互相缠绕在一起。这就是关于时空方面的。这些线或者发丝存在于三维空间中，二加一，相互缠绕。
哦，用头发编织作类比，我理解了。
好的，如果我们有三加一的维度，你可以用一种简单的方法解开头发，而不需要把它们撕开。你可以把这些线互相传递，但这样你什么都解不开。让我们用第四维度来描述温度，当我们加热其中一股时，它就会出现在额外维度的另一个地方。所以现在它可以穿过之前被阻塞的股线。有了这个额外的维度，你可以解开任何东西。
弗兰克·维尔切克说他总是通过观看泰勒·格伦在电视上的教学视频来学习新事物，最近一次是在YouTube上学习如何变戏法
所以，在三维加一维或四维空间中，不存在结，都可以被解开。但是，在二加一维中就不行了。所以，如果你用两个空间维度和一个时间维度描述量子力学系统，那么世界线可能会纠缠在一起，形成结。
那么，就是这种解开的能力给了任意子记忆？
更准确地说，可能发生的是：这些世界线的纠缠印在描述这个系统的量子力学波函数中。基本描述不是空间的粒子（这是经典描述）而是这些事物的波函数。这是理论上的发现——在某些情况下，世界线的纠缠直接印在波函数上，所以，你可以得到关于世界线是如何纠缠在一起的编码信息。所以，粒子在这个意义上存在记忆，它们如何纠缠的记忆。这就是粒子具有简单记忆的精确概念结构，它们把过去读进波函数。
接下来的想法就是，加密的这种记忆可以用在量子计算机上？
在某些情况下，这是一个容量非常大的记忆。但到目前为止，唯一被构造的记忆是非常有限的记忆。对于迄今为止所观察到的那种任意子，唯一被编码的是它们缠绕在一起的次数。所以我们展示的是一个原始版本。使它们变得有用那是未来的工作。
好吧，说我理解了任意子，那是在撒谎，但我比以前更明白了一点。
在你明白之前，不要坚持认为你什么都懂，这真的很重要。这对拓展你的思维非常重要。我经常这样做。我在学习探索我完全不懂的东西。
哪些是你不懂的？
嗯，我想把我比《科学美国人》稍多一点的机器学习的知识提升到专业水平。
这似乎是一个适时的追求。
是的，没错。我读过一些东西，但现在我正在以互动的方式练习编程和网上查询。同样，我一直在学习杂耍，我真的很喜欢职业杂耍演员泰勒 · 格伦（Taylor Glenn）。她非常有魅力和激情，她有大量不同种类和水平的杂耍视频。不过，这是一种消遣。
消遣是有好处的。
泰勒 · 格伦说的一句话深深印在我的脑海里，人们认为杂耍就是扔和抓，但杂耍其实就是掉东西并捡起来。
这是非常深刻的。
是的，是的。
我总是和我数学不太好的那个孩子讨论犯错误这种事情。有时人反而能从错误中学到更多。
哦，那可能是我最著名的一句话。你可以在网上找到这样一句话：“如果你不犯错误，说明你没有致力于研究难的问题，而这是很大的错误。”
这是了不起的一句话。下次我们纠结于分数的时候我会告诉他。我曾读到华裔物理学家吴健雄的文章，她曾参与曼哈顿工程。据我所知，她不信教。但当我们谈论你的天主教信仰时我会想起这个。她告诉她的传记作者，在她著名的宇称不守恒实验之后的两个星期里，她一直睡不着觉，她想知道为什么上帝选择她来揭示这个秘密。
哇哦。
是的，是的， 我对科学的这个启示时刻很感兴趣，也对其与艺术的类似时刻是多么不同感兴趣。当你第一次想到“渐近自由”现象（你和他人共同发现的量子行为，因此获得诺贝尔奖）或任意子或其他东西时，我想知道你是否有这种感觉，为什么是我？
真没有。这听起来很不谦逊，但我在学术上取得了一个又一个的成功。当我第一次去普林斯顿读研究生时，我遇到了一些危机。但是除此之外，我一切都很顺利。当然也有过枯燥的时期，但我从来没有对自己能做出成就感到惊讶。
也许是因为你一直都能做到。
我的大部分工作都是高度理论化的，所以我会写方程，用图片和动作进行概念性思考；而处理这些事情的实验是在完全不同的宇宙中。这可能是最接近你所说的情况。当我在做渐近自由的基础工作时，这不是关于世界的既定事实。没有人见过胶子，也没有人证实过任何重要的预言。但它很有道理，严肃的人会很认真对待它并进行大量讨论，所以这是非常令人兴奋和鼓舞的。我参观了布鲁克海文实验室，一个有加速器的国家实验室。
宇宙加速器还是交替梯度同步加速器（AGS）？
是AGS。那是在20世纪70年代早期，当时可是一件大仪器，不能用现代加速器的标准来衡量它。那是和飞机库差不多的大小，到处都是机器和电线。我当时在走廊里看着它，突然意识到他们要在这里检查我们的计算，而这些计算是我写的。这里就是这些计算进行测试的地方。所以这可能是我最接近那种感觉的时候：这怎么发生会在我身上的？我怎么会成为信使？
这就像你是一个小说家，然后有人说，“我在实验室里创造了你书里的人物，现在我们要把他们放在一个房间里，看看他们是否会做你书里所说的事情”。真可怕。
差不多吧，是的。
你曾写道，现代量子力学的方程与音乐的方程有着不可思议的相似之处。你演奏乐器吗？
哦，是的，我一直演奏。我儿时想要一架钢琴，但我们的住处太小，我们也买不起。我会拉手风琴，我很擅长这个。后来，当我上高中的时候，我会打鼓，我们有一个小乐队。但后来我上了大学，我作为成年人学了钢琴，并达到了一定的水平。但那时已经太迟了，没法真的学好。但我几乎每天都会弹，我还自学了不少古典音乐。我幻想着有一天能开始学爵士乐，但这在日程上已经排得很靠后了，是你永远也做不到的部分。
互补的思想对你的工作很重要。你把它定义为“当从不同的角度思考时，事物似乎有着非常不同甚至矛盾性质的概念”。我的印象是，这不仅仅是你思考物理的一种方式。例如，它似乎让你对气候变化比一般的气候科学家更乐观？
我很乐观，因为人类经历了很多不好的时期。比如黑死病、罗马的沦陷等等。我想人类会挺过去，也许不是百分之百的概率，但也许有百分之七十的概率，我们将逃脱气候变化、核战争和其他最糟糕的末日情景。遥远的未来将是美好的，但可能会有非常艰难的中间时期。在我们知道我们应该做什么的意义上，气候变化是悲剧性的。人们可以争论细节，但我们可以以相当合理的成本制定保障政策，这样就不会有非常糟糕的结果。
你说的是碳捕获技术形式的保障政策，还是别的什么？
我说的是对可持续能源的更多投资。我们必须研究核聚变，我们必须使用安全的核能。我不想这么说，但我们必须研究地球工程学。我们必须研究缓解、补救和应对策略。但真正让我担心的是，做这些事情的政治意愿似乎并不存在。这有一个深层次的原因，那就是存在非常有权的人，他们的权力和财富来自他们控制的矿产和地质资源的价值。他们会尽最大努力阻止替代能源。
我要问的最后一件事是你的阅读乐趣。你最近读过什么特别喜欢的书吗？
哦，是的，我读了一本很好的书：《爱欲与哀矜》（Lost and Wanted）。
真的吗？
我真的很感激你在185页上写的东西。有两段我特别喜欢，一段写在……
对不起，我得打断一下。你有照相式记忆吗？你怎么记得185页上有什么东西？
哦，因为我做了标记。真正打动我的东西不多，所以我想记住。一个是在177页，你谈到了物理学家是如何从陌生的家庭、无知的父母中走出来的。这真的引起了我的共鸣，因为这很好地描述了我的家庭。然后，在185页你在做数学和做运动的乐趣之间做了一个很好的类比。你必须做一些本身不一定有趣的事情，但你知道会有回报。你必须在数学上投资。让人们知道这项投资有回报是非常重要的。
嗯，我真的很欣赏《基本原理》。我希望有人在我高三的时候把这本书给我，当我对我的数学老师说“我想退出”的时候，我希望她会说，“只要读这本关于物理的书，你就会明白为什么你不应该退出”。
这就是我写这些书的原因，尤其是这本最新的。我想向人们保证，彩虹的尽头有一罐金子。如果你投入越多，你就可以做得更多。
资料来源 Nautilus
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本文作者内尔·弗洛登伯格（Nell Freudenberger）是纽约公共图书馆古根海姆奖学金、惠廷奖和卡尔曼奖学金的获得者