星空、未來與當(dāng)下：一位理論物理學(xué)家的自白

劉怡

作為中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長，53歲的李淼同時(shí)還是一位“文藝中年”和社交網(wǎng)絡(luò)達(dá)人。1990年在丹麥哥本哈根大學(xué)玻爾研究所獲得博士學(xué)位之后，他已經(jīng)從事了超過四分之一個(gè)世紀(jì)的宇宙學(xué)、弦論和高能物理研究，成績斐然。而在2013年南下中大之后，李淼開始更多地嘗試“跨界”，寫詩、出版科普隨筆、撰寫科幻小說評(píng)論。就在幾天前，他剛剛開通了自己的微信公眾號(hào)。《三聯(lián)生活周刊》在廣州拜會(huì)了這位“跨界”達(dá)人。

中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼

三聯(lián)生活周刊：能否請您向周刊的讀者簡單介紹一下整個(gè)物理學(xué)、特別是理論物理學(xué)領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r以及最受關(guān)注的前沿方向？

李淼：“物理學(xué)”是一個(gè)博大精深的概念，涉及到多個(gè)領(lǐng)域和分學(xué)科。若就基礎(chǔ)物理學(xué)而言，我認(rèn)為有兩個(gè)方向值得格外關(guān)注：其一與我們對(duì)整個(gè)世界的理解有關(guān)，例如暗能量和暗物質(zhì)的存在，時(shí)空是如何產(chǎn)生的，宇宙經(jīng)歷了怎樣的演化等問題;它們涉及到時(shí)間和空間觀念，也涉及到宇宙學(xué)。長期以來，基礎(chǔ)物理學(xué)家在這個(gè)方向上傾注了大量心力，并借助新工具賦予的觀測和實(shí)驗(yàn)手段來驗(yàn)證其結(jié)論。例如對(duì)量子糾纏與時(shí)空起源之間關(guān)系的驗(yàn)證，就是在最近兩年取得了新進(jìn)展，相當(dāng)令人興奮。第二個(gè)方向則是量子物理學(xué)，主要涉及量子力學(xué)原理在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，包括量子計(jì)算機(jī)、量子通信等新產(chǎn)品，也是非常重要的問題。

在理論世界以外，應(yīng)用物理學(xué)領(lǐng)域同樣有許多新成果在涌現(xiàn)。例如納米科學(xué)和材料科學(xué)方面的新進(jìn)展，不僅會(huì)改變未來世界的工業(yè)面貌，對(duì)人們的日常生活乃至整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)也將起到深遠(yuǎn)的影響。另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域則是能源，這也是全世界長期關(guān)注的問題，但近期還沒有可以稱為突破性的成果出現(xiàn)。

三聯(lián)生活周刊：就您提到的這些領(lǐng)域，有哪些是中國物理學(xué)界處在世界頂尖或一流水平的？

李淼：應(yīng)當(dāng)坦白承認(rèn)，中國占據(jù)明顯優(yōu)勢的領(lǐng)域還比較少，但也不是沒有。例如在鐵基超導(dǎo)和量子通信方面，中國物理學(xué)界就有后來居上的趨勢。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的量子光學(xué)和量子信息研究小組，近年來已經(jīng)取得了一系列開創(chuàng)性的研究成果。由中國科學(xué)家承擔(dān)的費(fèi)米子凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)的一部分，也在2015年7月首度發(fā)現(xiàn)了Weyl費(fèi)米子，這是物理學(xué)研究的重大突破。另外在中微子物理、高能粒子物理實(shí)驗(yàn)、引力物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域，中國已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)，也制訂了積極的發(fā)展計(jì)劃，在未來一二十年是很有希望進(jìn)入世界一流行列的。

三聯(lián)生活周刊：2015年12月17日，中國發(fā)射了第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”，引發(fā)了廣泛的國際關(guān)注。按照宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型，暗物質(zhì)和暗能量占據(jù)了其中的絕大部分質(zhì)能。作為暗能量研究方面的專家，能否請您談?wù)勀壳俺Ｒ姷陌滴镔|(zhì)和暗能量探測手段及其結(jié)果？

李淼：對(duì)暗能量這種充溢空間、難以察覺的能量形式，目前尚沒有直接的探測手段。流行的暗能量假說認(rèn)為宇宙膨脹速度越來越快是由暗能量導(dǎo)致的，但常規(guī)的宇宙學(xué)觀測方法（例如對(duì)Ia超新星的觀測）只能確認(rèn)宇宙正在加速膨脹這一事實(shí)本身，卻無從驗(yàn)證暗能量的存在，因此只能作為間接證據(jù)。這一問題在短期內(nèi)也沒有獲得解決的可能。在我個(gè)人看來，應(yīng)當(dāng)把希望寄托在暗能量能與我們周邊的物質(zhì)世界發(fā)生某種相互關(guān)系這個(gè)方向上;盡管這并不是一種很主流的觀點(diǎn)，但如果能夠證實(shí)這種潛在的相互作用的存在，直接探測暗能量就有可能了。

至于暗物質(zhì)探測，應(yīng)該說最近幾十年全世界物理學(xué)界都在推進(jìn)。中國在這方面也相當(dāng)活躍，2010年清華大學(xué)在四川錦屏建成了專門的極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，“悟空”衛(wèi)星則提供了來自太空的間接探測手段。但究竟何時(shí)能探測到暗物質(zhì)，至今仍無法預(yù)言，依然要等待進(jìn)一步的結(jié)果。

三聯(lián)生活周刊：超弦理論是您的另一項(xiàng)研究重點(diǎn)，您也就此出版過一部科普著作《超弦史話》。就我們粗淺的了解，弦論的特征之一在于它首先引進(jìn)了量子論，隨后才導(dǎo)出大尺度上的時(shí)空結(jié)構(gòu)，而不是像經(jīng)典路徑那樣先確定理論大框架，再在細(xì)節(jié)上用量子論做修正。這在相當(dāng)程度上對(duì)廣義相對(duì)論構(gòu)成了顛覆。請問您如何看待超弦理論以及作為多種超弦論統(tǒng)一體的“M理論”的前景？

李淼：超弦的前景，應(yīng)該說很難預(yù)料。過去我們一度認(rèn)為，超弦理論可以從數(shù)學(xué)架構(gòu)和邏輯架構(gòu)中獨(dú)立地發(fā)展成型，但現(xiàn)在看來恐怕還是要依賴實(shí)驗(yàn)。另一方面，真正能夠統(tǒng)合萬有引力和量子論兩大體系的終極理論，究竟是超弦還是其他理論框架，目前也無法斬釘截鐵地?cái)嘌浴５陙砝碚撐锢韺W(xué)界的一些新發(fā)展，例如對(duì)量子糾纏與時(shí)空起源之間關(guān)系的探究，在不久的將來可能導(dǎo)致深刻的變革，使我們對(duì)理論統(tǒng)合的趨勢形成新看法。

三聯(lián)生活周刊：說到統(tǒng)合，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：理論物理學(xué)發(fā)展至今，正在越來越明顯地朝“大統(tǒng)一”（Grand Unification）的方向趨近，最終將在超弦理論或其他“終極定律”的統(tǒng)馭下形成一個(gè)清晰整全的體系。您對(duì)此持何看法？從科學(xué)史的角度看，這種大統(tǒng)一會(huì)是物理學(xué)的盡頭嗎？

李淼：關(guān)于大統(tǒng)一這個(gè)方向，按照我過去幾十年的觀察，應(yīng)該是正確的。我相信物理學(xué)中的各種理論框架和現(xiàn)象在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，并且科學(xué)史的發(fā)展也在驗(yàn)證這一點(diǎn)。比如我剛剛幾次提到的對(duì)量子糾纏的研究，就為統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論提供了一種潛在的可能。至于物理學(xué)是否有盡頭，我本人不愿輕易下結(jié)論——這實(shí)在是一個(gè)太過宏大的話題了。

三聯(lián)生活周刊：隨著近年來商業(yè)化航天項(xiàng)目的興起和一系列科幻電影的熱映，“星際旅行”越來越成為大眾關(guān)注的話題。在星際飛船的動(dòng)力構(gòu)想中，除去我們熟悉的核裂變、核聚變以及太陽能外，還包含反物質(zhì)，即利用湮滅現(xiàn)象產(chǎn)生的粒子束作為飛船的動(dòng)力，可以有效縮短飛行時(shí)間。在您看來，這個(gè)方案最大的難點(diǎn)何在？

李淼：最大的難點(diǎn)在于我們很難積聚起足夠數(shù)量的反物質(zhì)。因?yàn)榉次镔|(zhì)在自然界中極少存在，否則將釀成巨大的災(zāi)難;它只存在于高能宇宙射線當(dāng)中。目前人工制造反物質(zhì)的方法是用加速粒子轟擊固定靶產(chǎn)生反粒子，然后減速合成，生成速率極低;把全球已經(jīng)制造出的全部反物質(zhì)加起來，它們經(jīng)由湮滅過程產(chǎn)生的能量可能還不足以將一枚燈泡點(diǎn)燃一個(gè)月。因此，指望在幾十年內(nèi)制造出以反物質(zhì)為動(dòng)力的飛船是不現(xiàn)實(shí)的。相比之下，核聚變反應(yīng)堆或許是一種更富現(xiàn)實(shí)意義的方案，但實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兺瑯右策€有很長的路要走。

在我個(gè)人看來，排除那些瑣碎的、充滿不確定性的技術(shù)細(xì)節(jié)，從根本上說，航天事業(yè)的前景取決于人類如何利用能量，這種利用又能達(dá)到何種程度。盡管自農(nóng)業(yè)革命以降，人類知識(shí)和技術(shù)的指數(shù)式增長已經(jīng)把每兩次科技革命之間的間隔期逐步縮短到了一二十年，但因?yàn)槲幢孛恳淮慰萍几锩闹攸c(diǎn)都在能源領(lǐng)域，所以變化依然是緩慢的、漸進(jìn)的。例如離我們最近的一次變革，其重心就在IT行業(yè)，它在能源領(lǐng)域并沒有掀起太大波瀾。

按照我的估計(jì)，恐怕要到50年或100年之后，人類才能將地球上現(xiàn)有的自然能源（不包括可控核聚變）完全地、有效地利用起來，從而達(dá)到俄羅斯天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)肖夫所說的“Ⅰ類文明”的層次：控制行星級(jí)規(guī)模的資源。但在Ⅰ類文明之上還有Ⅱ類文明和Ⅲ類文明，其所控制的資源量分別需要達(dá)到一顆恒星以及整個(gè)太陽系的規(guī)模。人類需要首先前進(jìn)到Ⅰ類文明階段，再花200年左右的時(shí)間邁過Ⅱ類文明的門檻，隨后才能具備實(shí)現(xiàn)星際旅行的條件。這有賴于長期的、持續(xù)的努力。

三聯(lián)生活周刊：自上世紀(jì)70年代“阿波羅計(jì)劃”結(jié)束、美蘇太空競賽告一段落以來，各國在載人航天器的研發(fā)和使用方面似乎更傾向于完善既有的技術(shù)，突破性的成果卻不多，全球載人航天事業(yè)的規(guī)模和力度甚至還不如六七十年代。您是如何看待這種狀況的？您認(rèn)為未來20年內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大的變化嗎？

李淼：刪繁就簡來看的話，載人航天器研發(fā)、乃至整個(gè)航天事業(yè)的進(jìn)步，需要依賴能源和材料科學(xué)的發(fā)展。而在可見的20年里，材料領(lǐng)域的進(jìn)步或許會(huì)更快一些，能源方面是否會(huì)取得很大突破則完全無法下結(jié)論。如果不能取得方便和便宜的能源，單憑一兩個(gè)國家政府的熱情是很難將“燒錢”的載人航天項(xiàng)目長期推進(jìn)下去的。

依然可以用最近的一次科技變革——IT革命的例子作為參照系。IT行業(yè)的發(fā)展與著名的“摩爾定律”相吻合：每隔大約24個(gè)月，微處理器的性能將提高一倍，原有產(chǎn)品的價(jià)格將下降50%。而載人航天經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，依然沒能實(shí)現(xiàn)有效的成本控制：一名宇航員完成一趟往返國際空間站的任務(wù)，單價(jià)依然超過1億美元。這當(dāng)中最主要的支出，始終是在動(dòng)力部分。只有出現(xiàn)了廉價(jià)、高效的全新航天能源，才有可能顯著降低成本。

三聯(lián)生活周刊：您剛才提到的一系列估計(jì)和預(yù)期，似乎都是以相當(dāng)長的時(shí)間段作為尺度的，短則數(shù)十年、長則百余年。這或許合于一位科學(xué)家的認(rèn)知，而與一般人的印象不同。那么您是怎樣看待人類歷史的呢？

李淼：如果我們把這個(gè)“歷史”的主體限定為個(gè)人，那么它的意義和價(jià)值都是極其有限的。即使放大到全人類，由于人類及其居住的地球最終將難以避免消亡的命運(yùn)，也可以說歷史是有窮盡的、不存在終極意義的。但我依然認(rèn)為人類這種生命及其存在的過程并不是徹底虛無的：因?yàn)榻逵扇祟惖奶剿骱驼J(rèn)知，它所寄存的這個(gè)宇宙實(shí)現(xiàn)了反觀自身和理解自身;不僅如此，人類還能發(fā)現(xiàn)和理解自身存在的現(xiàn)象以及規(guī)律。這才是人類歷史的真正價(jià)值所在——哪怕它只有幾百萬年的總長度，哪怕它所創(chuàng)造的那些“硬質(zhì)”文明（城市、建筑）在須臾之間就將湮沒。

三聯(lián)生活周刊：哈佛大學(xué)政治哲學(xué)家哈維·曼斯菲爾德（Harvey Mansfield）寫過一篇著名的文章《人文知識(shí)能對(duì)科學(xué)說什么》。作為一名自然科學(xué)研究者，您覺得科學(xué)又能對(duì)人文知識(shí)說什么？

李淼：應(yīng)該說，自然科學(xué)能為人文科學(xué)提供的幫助和素養(yǎng)不僅很多，而且意義深遠(yuǎn)。上世紀(jì)最重要的三大自然科學(xué)發(fā)現(xiàn)——量子論、相對(duì)論和人類DNA遺傳結(jié)構(gòu)，都在很大程度上顛覆了我們既有的歷史觀和宇宙觀。相對(duì)論修正了我們關(guān)于時(shí)空絕對(duì)性的成見，開啟了探索時(shí)空關(guān)聯(lián)性和時(shí)間流速的新視野;量子論推翻了過去的機(jī)械決定論;DNA同樣具有開創(chuàng)性意義。更重要的是，在宏觀層面，人文科學(xué)中被奉為圭臬的某些論斷和邏輯結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是對(duì)過往的牛頓力學(xué)體系以及古典宇宙論的模仿，而后者在自然科學(xué)研究中已經(jīng)被顛覆或刷新了，在人文學(xué)科領(lǐng)域卻沒有獲得相應(yīng)的反饋和映射。這是人文知識(shí)可以從自然科學(xué)中獲得更多養(yǎng)分的方向。

三聯(lián)生活周刊：您對(duì)像《三體》這樣的科幻文藝作品興趣很濃厚，今年還出版了一本《〈三體〉中的物理學(xué)》。作為科幻文學(xué)的閱讀和評(píng)論者，您認(rèn)為中國科幻文學(xué)還存在哪些不足或者說可以提升的地方？

李淼：首先，除了像劉慈欣這樣的個(gè)別作家以外，大部分國產(chǎn)科幻文學(xué)在故事性方面存在欠缺。這一點(diǎn)甚至比科幻要素更加重要——只有先講好一個(gè)故事，才有可能吸引到讀者。其次，想象力（我指的是合乎基本科學(xué)邏輯的想象力）的匱乏也是一個(gè)大問題。因?yàn)榇蟛糠挚苹梦膶W(xué)作者對(duì)基礎(chǔ)物理、計(jì)算科學(xué)乃至最前沿的認(rèn)知科學(xué)了解相當(dāng)有限，其想象力的馳騁，到最后往往變成了毫無科學(xué)依據(jù)的想入非非;而《三體》能夠獲得成功，很大一部分原因是劉慈欣對(duì)物理學(xué)的了解非常全面，故而能合理地延伸其思維和筆觸，不至于變成玄幻。