科學本身就是一場大辯論

苗千

這樣的一個意大利人，在大學即將畢業的時候才感受到了物理學的迷人之處，發覺自己對于物理學“就像是陷入了戀愛”，決心終生從事物理學研究。成為了物理學家的羅威利也不愿循規蹈矩。在物理學最前沿的量子引力研究領域，他開創性地提出了“圈量子引力理論”（Loop Quantum Gravity）;對于看上去難以理解的量子力學，他也獨樹一幟，提出了自己獨特的理解——“關系性量子力學”（Relational Interpretation of Quantum Mechanics）。除此之外，他還面向普通讀者，以富有詩意的語言書寫了多部科普著作，比如《七堂極簡物理課》和《時間的秩序》，被翻譯成幾十種語言，擁有數百萬讀者。

羅威利目前在法國艾克斯-馬賽大學（Aix-Marseille Université）擔任理論物理學教授，他的辦公室坐落在馬賽郊區一個嶄新的大學城區域。從馬賽城中心坐車半個多小時，我見到了頭發斑白的羅威利教授。他的辦公室是標準的書房布置，最醒目的就是占據了一面墻的書架，上面除了各種物理學書籍，我還看到各種哲學著作，其中還有一本英文版的《莊子》。

意大利物理學家卡洛·羅威利

如何理解這個世界

三聯生活周刊：能否介紹一下你的研究領域？

羅威利：我所研究的是量子引力理論，這是一個巨大的、開放性的問題，也是物理學的核心問題。這個理論希望把量子力學和愛因斯坦的廣義相對論結合在一起。在大學時代我讀到了一個英國物理學家發表的一篇綜述文章后認識到了這個問題，我明白量子引力理論是要解決一些關于真實性的大問題，比如什么是空間，什么是時間。這讓我很著迷，因為一直以來我都被這些深刻的哲學問題所吸引。所以說量子引力理論不僅是真正的科學問題，同時也關系到如何理解這個世界。

三聯生活周刊：你談到了自己對于哲學的興趣，那么現在哲學對你來說意味著什么呢？

羅威利：我的一些同事認為“哲學已死”，但我認為他們是錯的，因為在物理學家和哲學家之間總是會存在著某種對話。牛頓閱讀哲學著作。愛因斯坦在15歲的時候就讀了康德的三大批判，他對于哲學有深刻的興趣，他還閱讀馬赫、叔本華……海森堡、麥克斯韋都閱讀哲學著作。偉大的科學家都是非常熱衷于學習哲學的。同樣，偉大的哲學家也會認真學習科學知識。科學和哲學當然是不同的領域，人們不應該把它們混為一談，但是我想在它們之間有很多需要相互理解的東西，而且兩者的目標也是一致的，都是為了理解這個世界。所以，我想對于哲學完全不在意的物理學家會顯得淺薄;同樣，不理解物理學的哲學家也會顯得淺薄。直到現在，我一直都在閱讀哲學著作，實際上我現在正在讀一位中國哲學家的作品：《莊子》。這是一本了不起的書，有很多有趣的故事，對于真實也有很深刻的思考。我非常喜歡這本書。

三聯生活周刊：在牛頓時代，物理學家被稱作“自然哲學家”，愛因斯坦自稱是一位“馬赫主義者”。但是在現在，哲學還能夠給你帶來靈感嗎？

羅威利：是的。要做量子引力研究，有很多的技術問題，涉及到方程、幾何學等等，還涉及到實驗方面的問題。但還有一些理念性的問題，比如說如何從不同的角度去理解時間。（在這方面）我參加了很多哲學會議，下個月我還要去紐約參加一場關于物理學基礎問題的哲學會議。我經常與那些對物理學感興趣的哲學家進行對話。我想現在關于如何去理解量子理論，很多物理學家感到非常迷惑，而哲學家可能會提供幫助。

三聯生活周刊：你是兩個重要的量子引力理論之一——圈量子引力理論的創始人之一，能否用簡單的語言介紹一下這個理論？

羅威利：這個理論的目的就是量子引力，把量子理論和愛因斯坦的理論融合在一起。愛因斯坦的理論是關于空間和時間的，量子理論也是關于我們所生活的空間。在量子理論中一個重要的預測就是顆粒化（Granularity），比如說光是由光子（Photon）構成的，它們是構成光的粒子，是“光量子”（Quanta of Light）。因此我們推測，我們所居住的空間，在非常小的尺度下也是量子化的。圈量子引力理論是一個數學理論，即描述空間的這種“顆粒”。

在數學上，我們認為空間是連續的。你可以對它進行任意次數的切割，但是在物理學中，空間很有可能并不是連續的，存在一個最小的空間構成，就像是一個個微小的“磚頭”構成了空間。而且它們之間是相互接觸的，你可以發現“圈”之間的聯系，所以它才被稱為“圈量子引力理論”——不同的顆粒之間是在相互運動的。它們之所以被稱為“圈”有一定的歷史原因，這些最基本的顆粒是三維的，它們之間可以相互演化。

“黑洞”和“白洞”

三聯生活周刊：我與一些弦論學家交流過，他們對圈量子引力理論并不十分信服。他們認為愛因斯坦的廣義相對論在極小的尺度下很可能是不成立的。你對此如何回應？

羅威利：我想，從歷史的角度來說，弦論和圈量子引力理論是從不同的科學家群體中涌現出來的。弦論來源于粒子物理學，在粒子物理學中人們忽略掉廣義相對論。從文化上和數學上來說，弦論是植根于粒子物理學的：沒有引力，沒有彎曲的空間。粒子物理學家和弦論學家們認為存在著一個空間，各種物體在空間中運動。而圈量子引力理論起源于研究廣義相對論的物理學家，其中的一個主要思想就是空間本身是引力場，它是活躍的，有自身的動力學。在極小的尺度下，廣義相對論可能確實不成立，但是在極小的尺度之下，空間必定是不存在的。所以說，這是兩種不同的理念，我們不知道誰才是對的。很多人和我一樣，認為弦論是錯誤的，弦論學家們并沒有意識到廣義相對論最全面的應用;而弦論學家們認為我們是錯誤的，因為我們不理解他們認為重要的方面。

這是一件好事，因為科學本身就是一場大辯論。目前并沒有人知道最終的解決辦法，有各種不同的意見，我們相互批評是一件好事。因此，對于這個問題我的具體回答是：在極小的尺度下，廣義相對論的形式可能會發生改變，這當然是可能的。但是關于時空本身是一種量子場，它是顆粒化、量子化的，對于這一點我們已經理解，是不會改變的。

三聯生活周刊：但是基于這一點，弦論認為時空是十維或是十一維的，而圈量子引力理論認為空間是三維的。

羅威利：是的。為了讓弦論可以自圓其說，他們必須把時空拓展到10或者11個維度，需要包含超對稱和各種各樣的量子場，形成了一個龐大的結構，但是關于這些目前我們并沒有任何證據。我們沒有關于多余維度的證據，也沒有關于超對稱理論的證據。弦論做出了很多預測，其中很多是錯誤的。比如說，弦論預測宇宙常數（Cosmological Constant）是負值，當宇宙常數的測量結果顯示是正數，弦論學家們并不相信，他們認為可能是測量出了問題。

三聯生活周刊：那么圈量子引力理論如何解釋暗能量呢？

羅威利：圈量子引力理論與取正值的宇宙常數是相符的，因此暗能量只是取正值的宇宙常數的表現而已。1917年，愛因斯坦在他的公式上添加了一項，這可以預測宇宙的膨脹。所以說，我們可以從不同的側面來理解一件事。我認為在過去的幾年里，各種跡象都表明超對稱理論不成立，弦論不一定成立，而對圈量子引力理論是有利的。

三聯生活周刊：這是因為圈量子引力理論的一些預測被證實了嗎？

羅威利：目前無論是根據弦論還是圈量子引力理論做出的預測都沒有辦法去驗證。這些預測都太難去證實了，當然有很多人在為此努力。弦論做出了一些預測，比如預測在歐洲核子中心里可以形成黑洞，這不是事實;預測宇宙常數是負值，這也不是事實;預測超對稱理論可以在歐洲核子中心被證實，這也不是事實。

我目前主要研究黑洞。根據圈量子引力理論的預測，黑洞會發生蒸發，也就是所謂的“霍金蒸發”，而且黑洞也有可能轉變為“白洞”（White Hole）。我們正在研究，根據這樣的預測，在宇宙學觀測中會發現什么樣的信號。

“白洞”就是在時間上反轉的黑洞，它與黑洞是對稱的。比如對于黑洞來說一切東西都可以進入，但是沒有東西可以逃脫，而白洞則是一切東西都可以逃脫，但是沒有東西可以進入。如果你對一個黑洞錄像，然后反著播放錄像，這就是“白洞”了。目前人們認為“白洞”并不存在，但它卻是可能存在的。在很長時間里，人們曾認為黑洞并不存在，但是現在大家都相信黑洞存在了。對于“白洞”來說也可能一樣。

三聯生活周刊：目前已經發現任何可能是“白洞”發出的宇宙信號了嗎？

羅威利：現在還沒有。有一些信號，比如宇宙射線，快速射電爆發，它們可能來自“白洞”，但是還都不能確定。

三聯生活周刊：目前看起來，圈量子引力理論和弦論是兩個相互競爭的理論，在未來，這兩個理論有沒有可能融合在一起？

羅威利：確實有人做出這樣的預測，也有物理學家試著去這么做。人們可能會從不同的角度去嘗試，但在目前來說我還沒看到任何成功的跡象（當然還是有這種可能的）。

一個好的理論是能夠做出預測的，我們可以通過實驗去驗證它成立與否。如果我的理論是正確的，經過計算顯示，當一個黑洞蒸發消失了，它會轉變為一個白洞并且發射出一些宇宙學信號，那么我們就可以通過天文學家去尋找這種特定的信號——這就會是理論成立的證據。這種情況是經常發生的：科學家們對一些事情感到困惑，然后出現了理論。一些理論因為沒有實驗證據的支持或是出現了相反的證據而消亡了，也有一些被證實是正確的，比如麥克斯韋的理論、標準模型、廣義相對論等等。這些美麗的理論讓我們可以去理解這個世界，對這個世界產生一些直覺，并且由此再發展出技術。

三聯生活周刊：人類可能需要花費數百年的時間來發展出一個極其復雜甚至沒法驗證的數學架構，你是否認為物理學逐漸在演變為形而上學？

羅威利：不，我想人們必須習慣這種情況，就像我們理解地球是圓的，人可以在上面走。這在一開始是很難理解的，現在則變成了很平常的知識，就是小孩子也可以理解。當麥克斯韋發表了電磁場理論，最初顯得非常奇怪，但現在我們有了廣播和電視，電磁波變成了一種普通的事物。愛因斯坦的理論預測光速是可變的，這在一開始也是奇怪的，但是現在人們已經對此習以為常。科學改變了人們的認知，這些先進的理論在一開始顯得非常晦澀，那是因為我們當時還不了解。

三聯生活周刊：你談到“地球是圓的”這個概念在一開始給人們帶來了很大困惑，那么“時間”這個概念對你來說是什么樣的呢？你在自己的書里談到很多關于時間的話題。

羅威利：時間有很多令人感到迷惑的特征。我最新一本書的題目就叫做《時間的秩序》。我認為“時間”是一個非常有魅力的話題，這有兩方面的原因：首先是因為它的本質和我們憑經驗直覺所感受到的完全不同，另外也是因為時間有很多神秘的特征，我們現在還不完全理解。

三聯生活周刊：時間是否會像引力一樣，在不同的宇宙環境中有完全不同的方向？

羅威利：從某種意義上說，是可能的。雖然這聽起來更像是科幻。在這方面，理論物理學家們需要做出努力，但不要走得太遠。我想現代物理學的一個問題就是理論和實驗之間的距離太遠了。在很多物理學期刊上發表的論文，和實際毫無關系。在某種意義上，這是可以的，因為必須嘗試各種可能，但是最終還是要回到現實。

“‘人擇原理是錯誤的”

三聯生活周刊：你說到自己不相信多重宇宙，但是關于多重宇宙理論有著不同的版本。

羅威利：我不相信多重宇宙，無論是量子力學領域的多重宇宙還是宇宙學領域的多重宇宙，我都不相信。當然在宇宙學領域的多重宇宙可能會得到實驗的證實，但是目前我還沒有看到關于這方面的實驗證據，我只能說這樣的理論并不讓人信服。

科學是關于通過一些簡單的事實來解釋我們觀察到的世界的。有些人相信多重宇宙的理由是這個理論可以用來解釋宇宙常數，但是我們看到，牛頓只用了一個常數（引力常數）就解釋了一切——一個常數解釋無數的現象;而現在我們希望用無數的宇宙來解釋一個常數，這就是本末倒置了。當然，如果出現了令人信服的實驗證據，我也愿意改變我的看法。多重宇宙理論并不愚蠢，并不是不可能，也不是不科學，只是到現在我還沒有看到足夠的證據。

三聯生活周刊：有人認為，宇宙中所有的常數都恰好允許人類的存在，這是一種幾乎不可能的巧合。

羅威利：我想這是一個錯誤。你的祖父祖母、外公外婆都是在那么精確的時間相遇，然后結婚、生子才有了你——他們的生活是完全為了你的存在而存在的——但其實這是一種錯誤的思維方式。你是他們存在的結果。我們作為人類，我們是適應宇宙中各種常數而存在，而不是反之。

如果我的祖父在那一天沒有遇到我的祖母，而是在其他的什么地方跳舞，他就會遇到別的女人，有別的孩子——宇宙中的常數如果是其他數值，宇宙就會是另一個樣子，有其他的存在形式。所以說，宇宙常數并不特殊，它也不是為了人類的存在而調整的，是我們來適應宇宙。所謂的“人擇原理”（Anthropic Principle）是錯誤的。我們觀察到的宇宙是因為這樣的常數而有了這樣的形態。

三聯生活周刊：那么“薛定諤的貓”還會困擾你嗎？

羅威利：“薛定諤的貓”正是量子力學的奇特之處的一個展示。我想我們需要分辨相對于貓的現實以及相對于外部觀察者的現實。對于我們這些在盒子之外的觀察者來說，這只貓既沒有活也沒有死，處于一種兩者皆非的疊加態。但是對于貓來說，它要么就是活著，要么就是死掉了。我認為其中的關鍵就在于不認為存在一種一成不變的、客觀的真實。真實是相對于某一個物理學系統而言的，所以我的關于量子力學的理解才被稱為“關系性量子力學”。

三聯生活周刊：你寫了很多面向大眾的“科普書”，這些書中的文字都非常有特點，具有詩意。這有某種特殊的用意嗎？

羅威利：一些科普書籍是為了對科學有熱情的讀者寫的。但我不單獨為了這些人而寫，我是為所有人而寫。我的書里并不會涉及到太多的科學細節問題，更多是介紹科學的理念。我試圖把那種科學帶來的激情和美感，我認為的科學中最迷人的東西傳遞給讀者。可能因為我是一個意大利人的原因，我的寫作與美國科學家相比完全是不同的風格。我希望在一本書里涉及到所有的問題，另外我還希望在書里把科學和哲學結合在一起。我的上一本書《七堂極簡物理課》被翻譯成了41種語言，賣出超過100萬本，讀者們很喜歡。我最新的一本《時間的秩序》對我來說非常重要，因為我把我所知的關于時間的一切全都寫了進去。我寫到了很多科學問題，也介紹了很多關于科學的開放性問題，還有一些我感覺有詩意的問題。我很高興讀者們能夠欣賞這種寫作方式。