我们无法和自然界辩论

诺贝尔物理学奖得主大卫·格罗斯

大卫·格罗斯（David Gross）自幼跟随父亲从美国搬到以色列生活。从希伯来大学物理系毕业之后，他返回美国进入加州大学伯克利分校进行博士研究。在高能物理学领域新发现层出不穷的20世纪60年代，20多岁的格罗斯幸运地身处理论物理学研究的中心，试图在纷繁复杂的新粒子和新发现之中找到一个可以描述原子核内部运动规则的理论。

当时太多的新发现让很多物理学家感到无所适从，不知道该在哪些实验数据中寻找突破口。也正是因为数据过于庞杂，很多物理学家失去了信心，认为人们难以在亚原子领域发现可靠的理论，进而对理论物理学的基本框架——量子场论产生了怀疑。此时，格罗斯凭借着物理学家敏锐的直觉，在纷繁复杂的实验中分辨出最重要的线索，终于做出了开创性的发现。

格罗斯的发现被称作“渐进自由”（Asymptotic Freedom），用以描述自然界中的基本力之一——原子核内的强相互作用。格罗斯发现，质子和中子等粒子由夸克构成，而夸克之间通过强相互作用结合得非常紧密，无法被分离成单个粒子。夸克之间的相互作用类似于拉扯一个橡皮筋：距离越靠近，强相互作用力就变得越微弱——当夸克之间的距离非常近时，强相互作用力也就会变得极其微弱，在这种状态下夸克表现得就如同自由粒子一样。这正是“渐进自由”一词的由来。

“渐进自由”的发现完成了量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD），使人类可以描述粒子在原子核内的运动规律，也促成了基本模型（Standard Model）的最终完成。基本模型是人类至今为止发现的最准确、也最完整的描述宇宙构成和运动规律的理论模型。在人类完成基本模型的过程中，格罗斯的贡献不可谓不大。很多物理学家认为他在最关键的时刻拯救了量子场论，让人们对这个基本的理论框架仍保持信心。2004年，格罗斯和他的学生弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）还有休·波利策（Hugh Politzer）一同获得了诺贝尔物理学奖。

格罗斯也是弦论（String Theory）的开创者之一。多年来他一直试图通过弦论建立一个包含引力在内的“大统一”理论，不过他对弦论的看法也在随着时间逐渐改变。

格罗斯堪称一位良师，同时也是一个优秀的管理者。在他的学生中除了有诺贝尔奖得主，还有一位弦论和量子场论的顶尖专家、菲尔茨奖得主爱德华·威腾（Edward Witten），格罗斯也曾担任卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics）所长。

几十年的时间里，物理学已经发生了怎样的变化，前景如何，物理学研究又面临着哪些考验？面对这些问题，格罗斯在加州圣芭芭拉卡维利理论物理研究所自己的办公室里接受了本刊的采访。

2004年，格罗斯的学生弗兰克· 维尔切克与他一起获得了诺贝尔物理学奖（视觉中国供图）

标准模型是一个非常准确的理论

三联生活周刊：你发现的“渐进自由”促进了量子色动力学和标准模型的最终完成。在标准模型完成之后，你认为物理学研究最大的突破是什么？你最期待接下来在哪个领域能够取得突破？

格罗斯：在标准模型完成之后，物理学在很多方面都取得了突破，当然还没有和标准模型同一等级的突破——因为标准模型已经被很多实验严格证明了。现在有很多的理论预测，我想有些预测是走在了正确的方向上，但我们尚且无法通过实验来证实。标准模型是一个非常准确的理论，你可以通过它做出非常精确的预测。

正是因为标准模型已经非常的准确和完备，也就说明你需要在理论方面做出非常准确的预测才能超越标准模型。目前看来，一些理论预测相比于标准模型来说，误差还是太大了。有很多人专注于发展一些理论模型，其中最重要的就是把引力纳入到整个理论框架中来，发展出相对论性的量子力学。在这个领域，有可能出现很多的理论性突破，但它们目前都只和实验数据有非直接的联系。目前对于理论学家们来说是一段艰难的时期，因为我们没有太多的线索，也没法从实验结果中做出太好的判断。

在物理学的其他领域也取得了很多突破，但是从基础物理学领域来说，人们目前所取得的突破都是推测性的——虽然我认为这些推测都走在了正确的方向上，但是在物理学中最终还需要通过实验来证实。比如说弦论就已经加深了我们对于引力和时空本质的理解。

我希望物理学下一个大的进展是来自实验的突破，能够验证我们做出的某些预测，告诉我们关于暗物质的性质——暗物质不在标准模型的描述之内，关于它的性质人们有很多推测，但是目前我们都还不确定。

三联生活周刊：在20世纪60年代，你还是加州大学伯克利分校的研究生，当时不断有大量的新数据和新粒子被发现。而现在的情况似乎完全相反，我们有太多的理论，但是自从希格斯玻色子之后，就再没发现任何新粒子。物理学家该怎么应对当今的局面？你认为这样的形势还会持续很久吗？

格罗斯：只能尽力而为，因为你别无选择。我在伯克利做研究生时，人们发现了很多不同种类的新粒子，夸克和强子都是非常重要的发现——那真是一段令人激动的时光。但是除了其中一些非常明显的对称性和模式，我们当时完全不了解其中的复杂性。

现在的情形似乎与当时完全相反，新的发现相对来说很少，但是理论学家们没的选择，因为这就是大自然。你必须让自己的研究方式适应时代。在那个时代，很多人抛出各种各样的想法来适应各种各样的实验数据，但是这样做并不成功——当实验数据太多的时候，就不知道该怎么做，也不知道哪个发现才是真正重要的，哪个发现其实无足轻重。一个人可能会把注意力放在不重要的细节上，而不是真正重要的发现上。

我取得成功的一部分原因，正是因为我把注意力集中在了最重要的实验上，也就是发现了深度非弹性散射实验中的点状结构，当时大多数人都没有注意到这一点。这个发现令人激动，但这和当时的模型以及人们的解释并不相容，实际上这是核力的一个很重要的特性，最终导向了量子色动力学。当我们最终发现了量子色动力学，一切就变得非常清晰了：关于各种亚原子粒子，原子核，它们之间的相互作用，都可以用同一套理论来解释了。在将近40年之后，我们对于很多细节理解得更详细了。

现在我们可能取得突破的线索很少，但是有些线索非常重要，有些来自于理论，有些来自于可观测的实验。但是还有一个基础性的问题，这也是自然界的一个特点——我把它叫做“指数的诅咒”（Curse of Logrithms）。也就是说，现在我们在研究越来越短的作用距离，频率和能量都变得越来越高。在这个领域，自然界的规则发生了改变，但是人类探索越来越短的作用距离的花费则越来越高（呈指数级增长），物理学的变化与探索所需花费的代价不相匹配。

我们知道在短距离内的一些相互作用一定会发生变化，但是这远远超出了我们的观测范畴。在过去的100年里，可以说物理学家是幸运的。当他们开始理解量子力学、原子的结构和电动力学，他们就能够理解所有的原子和分子物理。但是从这里继续出发，想要理解原子核内部的作用力，相互作用的距离就只是之前的百万分之一。在这个尺度上有很多细节，很多粒子，有强相互作用、弱相互作用等等。在这个领域进展更慢了，也更难了。

这就是生活，我们没有选择，只能试着改变策略，更努力，尽量聪明一点，保持思路开阔。现在我们刚开始探索支配希格斯玻色子的弱相互作用，不知道这个阶段会持续多久。基础物理学研究本身就是一种探索，我们什么都无法确定，历史里也总是充满了惊奇。大型强子对撞机在发现了希格斯玻色子之后一直都令人失望，因为没有发现更多的新粒子——我们无法和自然界辩论。

三联生活周刊：你的发现描述了夸克的运动规律。你是否认为夸克是构成物质最基本的粒子？或是还有更加基本的粒子构成夸克？

格罗斯：看上去并没有更基本的粒子了，当然这样的想法无法解决任何实际问题。在弦论中，粒子只是一种近似，所谓的粒子都是一些极小的弦——这是一种完全不同的内部结构。比如说，原子核中的质子由三个被量子色动力学所支配的相互作用的夸克组成，而在弦论中，所有的粒子都是由被激发的弦构成，这就有了更丰富的结构，也有了更多的状态——我想这更可能是微观粒子的构成方式。从实验和理论层面，都没有证据显示在夸克或是电子中还包含着更基础的粒子。

物理学没有危机

三联生活周刊：目前物理学是否处于危机之中？在暗物质研究、暴涨理论、超对称理论、弦论等很多领域，多年来都没有进展。10年前的物理学家是否要比现在更乐观一些？

格罗斯：物理学完全没有危机，我们取得了极大的成功。可能有人会认为，物理学的问题就在于我们太过于成功了。物理学家们在众多开放性的问题和新现象的研究中非常活跃。目前我们已经拥有的描述亚原子核领域的理论也是非常成功的，这怎么能说是危机呢？人们使用“危机”这个词，是因为我们对某个问题一无所知，或者我们已经理解了一切，还想了解更多，比如暗物质。目前人们对暗物质还一无所知，但这不是一个危机，这是一个机遇。

非常奇怪的是，一旦我们遇到了什么问题，人们就喜欢用“危机”这个词。实际上自然界中有的问题容易理解，有的问题难以理解。很多问题非常复杂，需要很长时间去理解。比如说人们花了100年的时间才观测到引力波，但这并不是一个危机，而是机会，现在引力波已经成了人们观测宇宙的新工具。在前些天，人们终于直接“看到”了黑洞，之前又有谁能想象到我们能做到这一点？所以说，不断有新的问题涌现出来，但是没有危机。

人们总是会在乐观和悲观之间摇摆。当一个想法被证明是错的，人们就悲观一些，当某个想法被验证了，人们又会变得乐观。任何极端化的情绪一般来说都是错误的，悲观主义者通常也是错误的，因为他们无法想象还有更新的想法，新的实验；乐观主义者通常也是错误的，他们希望能够一次观测和理解一切。物理学家们非常容易陷入到一种极端化的态度中。即使是同一群人，也可能随时在乐观主义和悲观主义之间转换。大多数物理学家是乐观主义者，因为如果你太过悲观的话，就会离开物理学研究了。

科学研究是很困难的，人们需要乐观主义精神来解开自然界的谜题。让我们回顾过去，看看我们已经理解了多少——在过去的100年里，我们通过量子力学理解了原子、亚原子、核力等等很多方面。在100年前，我们对宇宙一无所知，我们不知道宇宙的历史，不知道星星为什么闪亮。现在我们几乎已经描绘出了宇宙137亿年的整个历史。这些都是在100年里发生的，我们怎么可能感到悲观呢？

三联生活周刊：人们乐于谈论物理学的“革命”。你也说过，物理学需要一场革命。你如何定义物理学的革命？人们又该怎样才能发起一场物理学革命？

格罗斯：这不是一个非常精确的词。所谓的“革命”，通常是指我们一些最基础的假设被改变了。比如说量子力学从很多层面来说都是物理学最大的革命。在20世纪里，标准模型相比之下就不算太具有革命性，因为它是建立在量子力学和相对论的基础之上的。目前我们开始对一些问题有了更好的理解，这些问题和引力有关。引力是一种宇宙中普遍存在的奇怪的力，而量子引力会把引力和其他相互作用统一起来。很多人认为，想要做到这一点，就必须对我们之前一些最基本的想法和概念，比如空间和时间，做彻底的改变。

大多数的物理学革命都是由实验观测引起的。但是也有可能从理论层面展开，比如说爱因斯坦的引力理论就是首先从理论层面开始的。爱因斯坦把相对论应用到了引力中，让我们对于引力和时空的概念都发生了革命性的转变。现在我们正处于一个类似的境地，对于基础概念的理解需要从理论层面进行革命，而非实验。在过去的20年里我们已经取得了一些非常重要的实验结果，但是这些结果都不是类似于量子力学那样的革命性结果。

一个人很难发动一场物理学革命，因为我们已经理解了非常多，非常详细，想要做任何一丁点的变动都必须与我们已经理解的一切相符合，这是非常困难的。在过去的50年里，弦论产出了很多的结果。但是它能够向前走多远，能够给哪些问题带来答案，目前还不清楚。我之所以如此乐观，是因为我回顾了历史，我看到这么多悲观的人，却一次又一次地面对挑战，取得了非常了不起的成果。我有乐观的态度，但这不代表我知道一切，我有的只是信念。

三联生活周刊：在某种层面上，你所发现的“渐进自由”拯救了量子场论，最终引导人们完成了标准模型。如今的弦论研究是否也需要被拯救？

格罗斯：在量子场论真正“复活”之前，人们对它有深深的怀疑，认为它有很大的缺陷。因为当时研究的相互作用都是发生在非常短的距离内，人们认为量子场论在这个领域会发散。随后量子色动力学给了我们关于核力的描述，也给了我们一个解决问题的例子，说明量子场论是一个在所有的能量范围内都自洽的理论。这给了人们对于量子场论非常大的信心。从数学的观点来看，这是一个艰难的问题，数学家们需要非常努力地证明它在数学上是行得通的，但是从物理学的角度来看，非常明显量子场论是正确的。

另一方面，弦论并不算是一个真正的理论。即使是从物理学的角度来看，它也不是很精确，更像是进行计算的一系列规则。所以我说它还不是一个理论，也是它的一个问题。弦论有非常好的想法，为很多方面建立了联系，但是它还有很长的路要走。在过去25年里我们做出的最棒的发现，就是量子场论和弦论并没有本质上的区别，它们只是描述同一现象的不同方式而已，而且超对称版本的标准模型同样也可以通过弦论来描述。因此人们对于弦论的看法完全改变了。这是一种非常重要的洞察，也让人们对于量子场论和量子引力的理解加深了。人们描述自然界的框架扩展了。我们只是还不知道会走向哪里。

三联生活周刊：“渐进自由”理论描述夸克之间的相互作用类似于橡皮筋。有没有可能把这样的思路应用到引力研究中，解决暗能量之谜？

格罗斯：我并不认为暗能量是一个谜题，它更像是一个广义相对论做出的一个预测。爱因斯坦希望建立一个相对论性的时空理论，用以描述动态的时空，能量和质量就是宇宙中曲率的来源。爱因斯坦也知道，在他的公式里还可以有其他的项，其中不仅描述宇宙的曲率，还可以描述宇宙的大小。

在他的公式里，他加入了一项，在真空中的能量－动量产生的压力，也就是宇宙常数。这肯定会有一种非常特殊的形式，因为在广义相对论中，没有处于特殊位置的观测者，但是能量的大小取决于观测者。只有一种形式，在宇宙中看上去对所有的观测者都是一样的，这就是爱因斯坦理论中的真空能。这种能量密度可以是正数或者负数，其产生的压力在各个方向上都是相同的，与能量的符号相反。正能量产生出负压力，负压力造成了（加速）膨胀，从而被我们观测到。这是爱因斯坦一个非常了不起的预测，这就是暗能量。

这是一个理论预测，真正令人奇怪的是它的大小。暗能量在宇宙中非常的小。我们需要理解这个理论问题。人们对于暗能量产生的压力有些误解，有些人把它称作“谜题”，因为人们喜欢谜题，这样说也更容易申请经费。实际上，不能说暗能量本身是谜题，暗能量的大小才是真正的谜题，或者如果观测结果和广义相对论的预测不符合才是谜题。

科学前沿是一种迷惑的状态

三联生活周刊：你说科学的最前沿就是一种迷惑的状态，那么你现在对科学最大的迷惑是什么？

格罗斯：时空究竟是什么？宇宙从何而起？为什么从很多可能的理论中，宇宙选择了现有的这套理论？这是我目前最大的三个问题。

三联生活周刊：你曾经说意识（Consciousness）和自由意志（Freewill）可能都只是一种幻觉，你现在仍然这样认为吗？

格罗斯：意识是非常难以定义的。目前人们没法对意识的本质取得共识，人们也不知道机器或是人类是否具有意识。我们都在感受意识，但是很多神经科学家认为意识只是一种幻觉。自由意志也是类似。当我们思考的时候，我们自认为处于支配地位，以为在头脑中有想法在做决定，这可能也是一种幻觉而已。我们对于无意识的理解也很少。我们究竟是谁？意识和无意识之间的界限在哪里？决定是如何做出的？思考是如何做出的？这都还不清楚。

和物理学的很多问题一样，因为我们对意识理解得太少，我们甚至无法构建出一个明确的问题。大多数物理学家都不相信自由意志，因为在我们的公式里并没有自由意志的位置。因此我们可以得出结论，并不存在自由意志。所以说需要理解的是，为什么我们自认为具有自由意志。实际上我们是在为自己构建出一个故事：事物如何发生，让自己感觉不错。让我们相信存在自由意志。如果要猜的话，我认为不存在所谓的“自由意志变量”。

当物理学家们开始研究宇宙起源的时候，人们必须构建出全新的、从未被问到过的问题，这是一件非常困难的事情，因为人们不知道答案会是什么样子的。即使我们得到了答案，也需要很长的时间才能真正理解。我们问关于意识和自由意志的问题也是这样，我们想对这个问题有完全清晰的理解，需要非常长的时间，无法通过一个简单的数学模型来解答。但是我们现在对大脑有非常细致的研究，也有了非常好的仪器，我们终究会理解的。这可能和很多科学问题一样，我们需要从解答关于大脑更简单的问题开始。

三联生活周刊：产生出爱因斯坦那样孤独的科学英雄的时代是否已经结束了？

格罗斯：霍金就是一个很好的（科学英雄）例子——一个物理学家成为了一个名人，一个科学英雄。通常科学英雄并不完全与科学有关，这其中也会有历史的原因。爱因斯坦是一个大科学家，但是他的名誉也来自其他因素，比如说政治原因，德裔犹太人身份，20世纪中期的特殊时期等等。霍金是一个了不起的物理学家，也是一个科学英雄的绝佳例子：一个人尽管身患残疾，依然能够凭借自己的意志力取得这么大的成就。作为一个人，他是一个英雄式人物。总会有科学英雄出现，但不会是单单因为科学成就，总会有其他的因素。 格罗斯量子场论自由意志科学科普物理宇宙起源引力波量子宇宙学宇宙模型标准模型理论物理夸克