【基础科研】与《观察者网》的问答

下文原刊于http://www.guancha.cn/wangmengyuan/2017_08_31_425127.shtml

问：王先生，去年你就中国是否要建设下一代高能对撞机发表看法，在观察者网刊出后，反响很大，引出后续的许多讨论。不久前，你又撰文揭露了“天使粒子”的炒作以及混淆“粒子”与“准粒子”的误导。

关于张首晟团队的论文争议，我注意到物理学家文小刚等人也谈了看法，文小刚关于信息与物质统一的说法，从物理上怎么理解？

答：先要说明，量子信息论不是真的物理，比超弦还不靠谱，而且因为不能像超弦那样出无限多的论文，并没有成为主流。

早年有拿它招摇撞骗的人，大家原本以为他有对量子力学的深入解释，听了演讲才知道完全是空话，所以他最后在MIT土木系混了个教职，大概是土木系主任仰慕量子力学，又分不出故弄玄虚。

基本上这个理论说量子信息就是整个现实宇宙。用计算器做比喻，它说程序就是整个计算器，硬件是幻想出来的。这当然是胡扯。

不过，文小刚的量子比特海并不只是20多年前的量子信息论。他所发明的弦网（String-net Liquid）也和超弦无关（名字选择用“弦”这个字是很不明智的，他显然还不理解超弦的名誉现在有多臭），反而类似Loop Quantum Gravity和Penrose的Spin Networks。这些都是很有意思的研究，但也都非常、非常、非常困难，尤其要无中生有，同时產生Yang-Mills方程式、广义相对论和量子纠缠。以往高能物理界的尝试，如超弦和LQG，多是从前两者出发（Penrose算是数学物理的人，所以SN我不熟）。文小刚却是以量子纠缠为起点，这是个很好的点子。虽然现在他的理论还很不成熟，我认为是值得有几百人的几十个团队投入十年左右的时间，看看是否能有结果。他说的需要新的数学，我也能理解，那么数学界也应该有所投入。但是这终究是个Highly Speculative（很可能失败）的尝试，绝对不能像超弦那样，全高能物理界几十万人通通都只研究一个点子，结果点子失败了，学界却已经投入太多学术生涯而无法放弃。

问：我还有一个一直以来的疑问，就是对“量子纠缠”现象该如何理解，毕竟这是有实验做出来的，中国还花了人力物力发射了量子卫星，而潘建伟的工作除了量子密钥分发，最重要的就是利用了量子纠缠的量子隐形传态。我看到你对波函数坍缩理论的批评中，提到了唯心论的不可接受，但似乎你并不反对非局域的量子力学解释。那么量子信息的超距传输，或者按文小刚的理论，空间就是“量子比特海”，这个方向，目前做的实验，是否是有前途的？

答：我对量子力学的非局部性，不只是“不反对”，而且认为过去40年高能物理界忽视了它，是理论研究上的最大错误。在这点上，我和文小刚的看法是完全一致的。这并不代表文小刚的弦网就是正确的答案，不过至少他问的是正确的问题。

我可以理解一个学凝态理论的人，见过的宇宙比高能物理要多得多，毕竟高能物理只有一个宇宙，而不同凝态样本都可能是他们的新宇宙。所以他的点子可能比高能物理人灵活得多。然而做凝态理论的人，一般会低估没有实验引领理论时的困难。他要用弦网来解决高能物理的难关，那么即使用的是凝态理论的点子和方法，仍然必须面对研究高能物理的难题，也就是没有任何实验可做。他必须从基本假设开始，完全只依靠逻辑，而派生出前面提过的Yang-Mills方程式、广义相对论和量子纠缠。我感觉他还不完全理解这有多困难，尤其量子纠缠和广义相对论有基本的逻辑矛盾（参见我Blog的第三篇文章），即前者是非局部的，而后者遵从局部性原则。弦网立足于量子纠缠，所以他在文中说他目前无法派生出广义相对论，是可以事先预期的。

总之，弦网似乎是一个值得尝试的新点子，不过不要抱太大的希望，毕竟这个问题无法做实验，而且有埋得很深的内在矛盾，所以是极为困难的。

问：你博客的文章里赞同了玻姆的理论，近年也有报导反映了玻姆归来，说最新的实验结果（参见https://www.newscientist.com/article/2078251-quantum-weirdness-may-hide-an-orderly-reality-after-all/）支持了所有的粒子都有确定的轨迹。我虽然不是学物理的，但觉得量子力学不同解释至今没有定论，长期维持这种局面，对学物理的学生应该很不利吧？如果要学习量子力学，到底从什么入手才是正途？

答：这些“实验”并不是真的实验，而是Thought Experiments。它们的目的是检验Bohmian Mechanics的逻辑里一些精微之处。原本ESSW的论文说BM里有逻辑问题，最新的分析却又一次证明BM是完全逻辑自洽，以前的问题出在ESSW自己。

BM和其他的量子力学Interpretations，从原则上就不可能用实验来分辨，它们之间的差别只在于逻辑是否完整自洽。以这个标准来看，BM完胜其他任何Interpretation。

我认为Copenhagen Interpretation是最糟糕的之一。到现在还用它来教大学生，不但是浪费（大家的时间和脑力），也是一件罪行（侮辱学生的逻辑能力、把学生从科学吓走）。即使不教BM，也应该从量子去相干着手，亦即我在Blog中谈量子力学的第一篇文章里解释的道理。

问：如果按你说的，想了解一下更自洽的量子力学的基本内容，注重物理图像、概念解释而非定量的数学，有什么入门的读物或教材可以推荐吗？

另外，我听到的解释说，认可量子力学非局域性，与相对论并不矛盾，因为超距传输不携带能量和信息。比如潘建伟在电视节目上就这么说的。

而你的说法是，非局域性与相对论是矛盾的。我想如果真的不矛盾，爱因斯坦不会这么排斥鬼魅般的量子纠缠，也不会说Bohm的理论是廉价的吧（既然爱因斯坦和玻姆都认为当时的量子力学解释缺少客观完备的对实在的解释，应该站在一边才对）。

答：很抱歉，我没有可推荐的入门书。一方面，我自己是做这行，却又没有教过书，所以从来不注意入门的材料；另一方面，Copenhagen和Many-World是主流，绝大多数的书都是根据它们写的。我对两者都深恶痛绝。

能量和信息不能超光速，其实是Bohr之流的敷衍之论。 Bell实验已经确立量子力学有不可消除的非局部性，这和相对论有根本的逻辑衝突。你自己也注意到爱因斯坦很了解这个矛盾。为什么会有这个矛盾？为什么有了这个矛盾，偏偏量子力学的非局部性不能让信息超过光速？这些都是未解的谜题，也是建立Theory of Everything的关键所在。到目前为止，我还不知道有任何人能提出让人信服的解答，连有足够希望的研究方向都没有。像是LQG或是文小刚的弦网，都是无可奈何中姑且一试的疯狂点子，成功的机率极小。

高能物理的这个难题，可能比数学界公认的任何一个世纪难题都还要难，包括黎曼猜想在内。我个人觉得，接受宇宙奥妙超过人类心智程度的事实，没有什么丢人的。我们这个世界，有很多其他的实际问题需要聪明人来解决。浪费太多心血智慧在这种近乎无解而且与国计民生完全无关的题目上，不是对人力资源的最佳配置。

【作者注】这些问答，原本是《观察者网》编辑私下与我的通信。我并没有仔细校对，所以在这里忘了回答他最后的一个问题。爱因斯坦对Bohm的理论不太能接受，我认为是因为当时Bell的论文还没有写成发表，所以爱因斯坦仍然认为可以用隐藏变数来恢復量子力学的局部性。BM虽然逻辑自洽，也达成了定义现实和消除随机作用的目标，但是却有着明显的非局部性。当然，在Bell实验结果出来之后，BM里明确的非局部性变成了优点。

问：我能理解量子纠缠不该因为非局部性就被排斥，但主流科学家对量子纠缠的唯心主义的解释，我很难接受，不知你如何看？潘建伟和饶毅在电视节目中就此有一个对话，潘建伟讲到最终是人使波函数坍缩，饶毅讽刺说，物理学还有不是玄学的一部分？另一位院士朱清时则公开宣扬“物理学步入禅境”。

根据你对哥本哈根学派的批评，对玻姆的支持，我猜想你应该也是和爱因斯坦、玻姆一样，在这个问题上持现实主义态度的。我不知道今天依然有很多物理学家，包括潘建伟这样在第一线做实验取得很大成绩的，在这个问题上偏向唯心解释的原因是什么。

截图摘自格里菲斯《量子力学概论》中文版

答：你要小心啊。迷上了量子力学背后的哲学，就像迷恋上天下第一美女一样，注定一辈子也追不到。

我的确和爱因斯坦、Bohm以及Bell的观点一致，这叫做现实主义吗？至于潘建伟这样的行内人，他们一方面从小就学的只是错的Copenhagen Interpretation，年轻时没有追根究底，去想清楚这些逻辑自洽的问题，到50、60岁就很难改；另一方面，做研究、做实验、出论文，都只用到波动方程式，背后的哲学是什么，不影响实验结果，也不影响他们在学术界的成就。事实上，物理界里潘建伟这样的人是绝对多数，关心逻辑自洽的反而是很少数。

BM有它的缺陷，不能与场论相容就很可惜。我个人怀疑是因为量子场论靠相对论靠得太近了，但是真相如何，没有Theory of Everything，就无法确定。而Theory of Everything几乎可以确定是我们有生之年搞不出来的东西。

你如果要写爱因斯坦、Bohm和Bell的故事，最好在发表前让我先看一遍。这个题目实在太难，很容易想错、写错。

问：之前你说到宇宙的奥妙超出人类的心智，我感到许多物理学家都很乐观，不说“两朵乌云”，费曼这样的物理学家甚至对实现“永生”都有信心。

然而我注意到一些很浅显的现象物理学家都没能完美解释，比如自行车为什么能保持平衡？为什么凹凸不平的冰面比平整的冰面更滑？还有着名的Mpemba effect，为什么温度略高的牛奶比温度略低的牛奶先结冰。

这样来看，是不是人类专注于“圣杯”问题过于狂妄自大了？

答：再怎么成功的科学家也是人，而且不一定是成熟、懂事、有品味、有道德的人。他们唯一的共同点，就是有足够的专业能力和运气，能在自己所选择的职业中脱颖而出。

所以科学专业里面，至少我在美国看到的，也讲流行，也会迷于炫酷，所谓“成功者的个性”（即自我炒作、结党成派、追求流行）对职业生涯的成败的影响，和商场并无不同。尤其是越空泛、离实验越远的科目，就越严重。你说的这些未解的问题，都远远不够“基本”，包含了太多工程性的细节，换句话说，就是不够高大上，光是去研究他们，就有失身份。

高能物理作为科学的（能阶上的）最尖端，在40多年前完成了标准模型之后，就没有任何实质上的进步。这和那之前80年一系列大幅度、跨越性的发展，形成一个极大的反差。在标准模型之前养成的态度、习惯、期许和文化，却是不可能在一代人的时间内就转变的。所以他们自然继续去追求Theory of Everything这个“圣杯”，完全不考虑新物理会是远超出人类科技和经济实力能够探索的范围的可能性。

当他们的流行理论，也就是超弦，和实验不符合的时候，正是这个傲慢让他们选择坚持下去。但是这是有严重代价的，也就是自由参数的迅速增加。超弦预言宇宙有10个维度，实验却说只有4个（3个空间维度，加上1个时间维度），那么就只好把多出来的6个维度压缩、藏起来（压缩的方法是丘成桐研究过的一个几何流形，所以他才会如此醉心超弦），但是这就引入了10^500个不同的压缩选择，使超弦立刻失去了任何做预测的能力，也就是成了偽科学。

这其实在科学史上例子太多了，理论被实验否定之后，总可以靠增加自由参数来自圆其说，但这是饮鸩止渴。以往主流会自行放弃这种失败的理论，但是这次一方面由于没有实验指点出新方向，一方面由于Witten的坚持，高能物理有一票人继续跟着Witten在歪路上越走越远，而且因为只有他们能不断地发论文，產生了典型的劣币驱逐良币的效应，不久就把持了整个行业。而超弦本身，则自然演化成多重宇宙论（Multiverse）。这同样也是失败理论最终的必然归宿：当一个理论实在不能解释这个宇宙的任何现象之后，要继续发论文就只能开始解释别的宇宙了。

超弦早期的信徒，几乎都是犹太人。他们坚持做超弦的态度，也有很强烈的宗教性狂热。这正是我前面提到的，科学家也是人，除了专业知识多之外，一般人的弱点、缺点和偏见，他们都会有。一个科学行业必须能够自清，彼此过滤掉非理性的行为和趋势。超弦是一个灾难性的失败例子，而它失败的起点，就是对Witten的偶像崇拜，从而无限放大了客观的、外来的困难因素。

中国科学界要有健康的发展，除了政府出钱之外，还必须要避免非理性、商业性的炒作、流行等等歪风，这只能靠行内人自我监督，不能和稀泥、看面子。美国主导的高能物理，是前车之鑑。