诺奖得主维尔切克：古人如何指引我们开拓新物理

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诺奖得主维尔切克：古人如何指引我们开拓新物理
                               
                                  
                               
                               


弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)教授是美国理论物理学家和数学家。由于揭示了强相互作用中的渐近自由，他和戴维·格罗斯 (David Gross)、戴维·波利策(H.David Politzer)共同获得了2004年诺贝尔物理学奖。作为当今最杰出的物理学家之一，维尔切克教授的研究兴趣异常广泛，除了在粒子物理，他在凝聚态物理学和天体物理学方面也作出过非常重要的贡献。
维尔切克教授对音乐、美术、诗歌等艺术也有着深刻的了解，对加深科学与艺术之间的交融有很大的热忱。他非常乐于向大众介绍物理的美和成就，写过很多科普文章，出版了多本科普书籍。他最新的一本科普书是A Beautiful Question：Finding Nature’s Deep Design，即将被翻译成中文。

自2015年7月开始，维尔切克教授开始在《华尔街日报》（Wall Street Journal）撰写专栏文章，和大众交流自己在科学、艺术、教育等方面的见闻、感受和思考。经维尔切克教授同意，译者将其翻译成汉语，于2016年3月开始在一些新媒体渠道，以Wilczek专栏的形式发表，与中国读者共享。为了让专栏更稳定地与更多读者见面，经维尔切克教授同意，在《环球科学》上以“时间晶体”为专栏名，连续刊载他所写的专栏文章，每月一篇。本文即是该专栏的第一篇。

专栏之所以冠以“时间晶体”的名称，是因为在5年前，维尔切克教授预言了时间晶体的存在，开创了一个新的领域，而最近这个预言被实验证实，故借“时间晶体”之名，以示纪念。

——专栏译者 吴飙（北京大学物理学院教授）、胡颖（山西大学激光光谱研究所教授）

第一回 | 先哲们的时间观

撰文?| 弗兰克·维尔切克
翻译?| 吴飙 胡颖

我刚上大学时，想立刻就全身心地投入科学与数学的学习。但芝加哥大学却一定要对我进行文化的熏陶，我不得不选了很多古代哲学方面的课程。柏拉图、亚里士多德等先哲给我留下了深刻的印象。长远来看，他们甚至为我的物理学研究提供了助力。

诚然，古代哲学家对物理学和整个科学领域的认知是天真的，甚至充满错误。以现代的标准来看，他们对科学几乎什么都不懂。但他们问了很多根本性的问题，并且进行了严肃的讨论。如果你想摆脱常规思维的束缚，那么这些古代的哲学家将会是你灵感的源泉：在追寻知识的最前沿，他们颠覆性，同时又充满孩子气的问题将会指引你进入新的疆域。

“什么是时间？”奥古斯丁在《忏悔录》中问道，“我不知道。但如果没有事物流逝，就无所谓过去；如果没有事物到来，也就不存在未来。既然过去已经不存在，将来又尚未到来，那么过去和将来这两个时间又是如何存在的呢？”事实上，在刚过去的20世纪中，物理学家一直想回答奥古斯丁的这个问题。




爱因斯坦是古希腊哲学的推崇者。在他写下令他举世闻名的论文之前，他和他的朋友们曾经组成一个小社团，在一起讨论哲学、文学和科学等问题，他们开玩笑地将之命名为“奥林匹亚学院”。1947年，《纽约客》的记者报导爱因斯坦时写道：“他坚持每晚给他患病的妹妹玛雅读一小时的古希腊著作，即使他工作了一天之后，已经非常疲惫了。”爱因斯坦曾说：“一个受过教育的人怎么可以远离古希腊人呢？我对他们的兴趣从来都远甚于科学。”

在创立狭义相对论时，爱因斯坦意识到，如果要解释光速不变这个佯谬，即光速相对于所有运动的观察者都是个常数，他需要将一个哲学性的问题“时间是什么？”变成一个可操作的实际问题，即“我们怎么才能测量时间？”通过对这个问题的分析，爱因斯坦发现，相对运动的不同观察者会得到不同的时间定义。

在日常生活中，我们能体会到过去与将来的巨大不同。我们记得过去但只能预测将来：过去的已经过去，将来的即将展开。如果倒着放一部普通电影，电影的内容将显得不真实。例如，人们不可能在倒车时开得那么快、那么猛，尤其是眼睛同时还看着前方。但是物理的基本原理并没有把过去和将来区别对待：无论在时间上往前还是倒退，这些基本原理同样准确（除了一些小的例外）。

那么，为什么过去和未来是等同的呢？尽管物理学家已经在这个问题的探索之路上取得了极大的成功，他们仍然希望能在实验中发现一种特别的新粒子——轴子，来为整个故事圆满收尾。轴子可以消除过去与未来之间可能存在的不对称。

与此相反的问题同样深刻：既然物理定律不区分过去与未来，那么为什么我们的这个世界有过去和未来的差别？至少我们的感觉是这样的。对此的理论解释大多是基于从有序到无序这个不可阻挡的演化趋势。制造混乱总是比收拾整洁来得容易。对这个现象的精确表述就是热力学第二定律，即一个孤立系统的熵总是随时间增加。而这个增加的趋势使得我们可以区分过去与未来。

秩序的“孤岛”当然会极力抵御无序的破坏，而我们人类就致力于发现这些秩序。我们喜欢在现在的生活中搜寻过去的痕迹，无论是残存的遗物还是记忆。物理学家在探索宇宙时也是如此。我们或许可以把这些工作叫作宇宙取证分析（cosmic forensic）。通过这些工作，我们已经找到了宇宙起源于大爆炸的证据。

如今的科学家掌握了很多强大的工具，但是最根本的发现仍然源于那些基本的、“天真”的问题。奥古斯丁大胆地问出：“什么是过去？”爱因斯坦教我们把这个问题变为：“我们怎样测量过去？”在量子世界中，这是个尖锐的问题——也是让我现在为之着迷的问题，因为测量是个破坏性的过程，会破坏被测量的量子态。

再一次地，先哲们指引我们前往未曾开垦的知识沃土。