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科学课科学连线
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科学连线第二期:科学与艺术的结合,会发生什么?
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2019-09-16 17:28:38
 演讲科学家:弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek

美国著名物理学家、量子色动力学的开创者之一。2004年,因夸克粒子理论的相关研究,维尔切克教授获得了诺贝尔物理学奖。

特邀嘉宾:

吴飙,北京大学量子材料中心长江特聘教授上海交通大学维尔切克量子中心成员

刘文胜,美国匹兹堡大学教授、上海交通大学物理与天文学院和李政道研究所双聘教授、维尔切克量子中心主任、美国物理学会会士

钟里满,中央电视台导演、主任编辑,长期从事科学专题片制作多部纪录曾获国家一等奖

兰梅,知名翻译家、维尔切克教授新书《美丽之问》译者,主要译著有《科学怪杰:保罗·狄拉克传》、《杜尚大传》等

 

时间:2018113

地点:中国科技馆118报告厅

 

科学连线是由中国数字科技馆和《环球科学》杂志联合推出的前沿科学系列讲座,主办方将邀请世界知名科学家通过视频连线或现场演讲的方式,为现场观众带来精彩演讲。同时,主办方还将邀请一位国内学者作为特邀嘉宾出席,与国外知名科学家对话,帮助观众更轻松、更深入地理解前沿科学。

每一期活动结束后,我们都会上传科学家的演讲视频,整理科学家的演讲实录,供广大科学爱好者观看和阅读。下面是科学连线第三期的演讲科学家陶大程教授的演讲内容。

 

主题演讲部分:

 

早上好。我很高兴能来到这个美丽的博物馆,有小朋友,还有大人。

今天我要讲的是一个我一直非常关心的一个问题,就是科学和艺术的结合。这是一个非常广阔的问题,如果要谈的话我可以谈好几天都不会停。由于时间的关系,我这里就只能克制下自己,只选择三个问题来讨论。我的报告结束以后,我们会有一个小组讨论,我们可以共同探讨一下这个艺术和科学。所以呢,请你在听报告的时候就想一想有什么问题要问,我们在报告结束以后可以一起来探讨。

在这个报告里面我要讲三个问题。第一个就是视觉化为什么是科学里面的一个非常重要的工具,然后我们要讲一下物理界最新的发现,这些发现又是如何与几百年前的艺术关联起来的。最后我要讲一讲就是,我们可以在艺术里面找到很多比喻、类比,把非常抽象的一些东西和日常生活联系起来,这样科学就变得活灵活现,成为我们的一部分。

让我们开始第一部分,可视化。视觉化其实就是把我们的内置的感官与大脑的不同部位联系起来。我们大脑看起来其实就像果冻一样。科学家发现,这个果冻其实可以分成很多部分,每一个部分都有不同的功能,就像你的肝脏和胃有不同的功能一样。我们大脑的一大部分都被用来处理视觉信息。这是人类特别擅长的事情。为计算机设计视觉系统的人发现,虽然计算机在下象棋、下围棋上比人类好,但在视觉方面计算机还比人差很远,就是说我们非常非常擅长于认识各种不同的形状、图案。另一方面,在很多情况下,我们要理解世界,还需要处理一些非常抽象的概念。在处理这些概念时,我们需要用到大脑的其他部分,它们更擅长处理逻辑过程和数学符号。这些部分天生非常不同,跟处理视觉信息大脑部位非常不同。但是,只有当它们结合起来时才会更加强大。这也是为什么把一些抽象的东西视觉化是一种重要的科学工具。

这里可能是一个最有代表性的例子,能说明科学可视化的强大之处。在最底下是一个抽象的数学方程。擅长处理逻辑和数学符号的脑区很容易就能处理这个方程,但是擅长处理视觉信息的脑区,虽然很强大,却无能为力。但是我们现在有办法把这个抽象的数学公式处理成图像,这是法国数学家笛卡尔发现的。让我解释一下这是什么。这是一个方程,有两个参数ab,不同的方块对应着不同的参数ab。这个方块里b-8a-4,等等。所以每一个方块就对应着不同的方程,因为他们的ab不一样。在每个方块当中,x表示是朝这个方向上的距离,y表示朝这个方向上的距离,满足这个方程的点就是这个蓝线描绘出来的。这些可能有点难以理解,我们把抽象的数学符号变成了生动的曲线,进而被我们的视觉系统理解,并发现其中的规律。现在你就能够提出一些问题,发现其中的规律,找到异常或反常的行为。当你单独对着方程时,可发现不了这些。比如说曲线分成了两部分,或者向前或向后弯曲,或者出现一个圆圈和一条线,等等。为什么这些现象会出现?我们能提前预测吗?当我们把抽象的方程视觉化以后,这些问题的答案就都出来了。这就是把大脑不同部分结合起来的强大之处,用艺术将科学可视化。

在另一方面,可视化也是很有实用性的工具。当化学家研究分子的结构时,以及在设计能结合在一起的有用分子时,知道电子的分布很重要。因为电子就像是胶水一样,把不同的分子粘在一起,决定化学反应位点。如果这些电子的分布只通过数字表达,用起来会非常困难。但是如果你用这样的图像表达出来,你就能看出来怎样把不同的分子组合起来,实现某种用途。还有一个好处就是,大自然就像是艺术家一样,创造了美丽的事物,当然还需要人类才能把自然的美完全呈现出来。人类要选择正确的颜色、形状,还有科学,但大自然才是最重要的。

在今天的物理学前沿,我们了解到一件不同寻常的事情,但视觉化很困难。那就是我们周围的空间到处都有各种各样的天气,它被叫做真空涨落,即真空中自发的活动。如果我们的眼睛能分辨更短的时间和更短的距离,那我们将看到,全宇宙随时随地都进行着自发活动:能量的聚集和消散,带电粒子和不带电粒子的出现和消失,大自然的各种物理量都在自发的变化。所以当我们把对代表对自然最根本的理解的方程可视化以后,我们发现平常看到的真空其实一点也不空。更重要的是,这些真空中的天气其实会对我们观察到的粒子产生影响。所以这些天气图像可以让你大概知道哦真空涨落是什么样子。这个视频可以动态呈现,颜色最亮的地方也就是能量最大的地方。这里面的计算不只是用来产生漂亮的图形,它们还揭示了大自然的本质。这里是计算机在模拟真空,来计算质子和中子的质量,进而理解我们自身的质量。因为我们的答案是正确的,所以我们相当确定,这就是真空中发生的一切,即便我们无法亲眼看到。也就是说,我们不是勇敢眼睛看到的,但是在心智、艺术和计算机的帮助下,我们可以呈现出自然隐藏的一面。

刚才说的是视觉化,下面让我们将探讨从对自然深刻的理解中出现的话题,那就是对称和多姿多彩。这也是几个世纪以来,人们和艺术家提出来的主题,直到我们发现大自然也喜欢它们。在日常生活中,当我们谈论对称性时,对称有很多意思,它意味着平衡、和谐,意味着好的事物。但是在科学里面,我们需要更加准确。我们发现,最能抓住对称的精髓同时又灵活、科学的说法,就是我写在这里的话:对称是不变之变。这个听起来好像很奇怪,甚至有点玄乎,我给大家解释一下。想象一个圆,圆是二维空间里最对称的物体了。这个圆之所以对称,是因为你可以将它绕着它的圆心转,无论转动多少,在你转的时候,圆上的每个点都会移动,但这个圆本身不会有任何变化。这种变形就是好像是你在改变它,但它其实并没有被改变。这就是对称,不变之变。再比如我们说正方形有一些对称性,因为你转动一点点无法恢复原来的形状。但如果你转动的足够多,比如说90度,它就回到了原来的形状,所以正方形的对称性比圆小

在很早以前,人类就发现对称非常好看,在很多文化里都是如此。如果你翻看包含各个文化的装饰设计的图书目录,你会发现,从土耳其,到印度,再到传统中国,再到最复杂的现代装饰,人类喜欢通过对称形成的图案。举例来说,在这个设计中,不变之变指的是把图案向上或向下平移,这样相同的图案就复制出来了。然而在这个设计中,设计师做了一点改变。如果移动一个单位,图案是一样的,但是颜色不一样。只有移动两个单位,图案和颜色才都一样。数学家和艺术家往往会使用各种各样的对称图案来得到更加复杂、多变的图案,这很有趣。所以对称可以变得复杂、多变,这很有趣。

我刚才讲的对称是形状上的对称性。但是,对称还可以推广到物理定律和数学方程中。假设宇宙各处的物理定律都是一样的,这就是一种对称, 也是我们对宇宙物理最有成就的见解之一。我们把它叫做平移对称,也就是说,假如我从这里移动到这里,物理定律是不会改变的。我在这里发现的物理定律,跟我在那里发现的,跟你在你那里发现的物理定律都是一样的,跟我所在的位置无关。物理定律是永恒的,不随时间变化,也是另一种形式的对称。这意味着,如果你随时间改变自己的位置,你在将来观察到的物理定律,跟你今天观察到的物理定律是一样的。宇宙中的各处的物理定律似乎都一样,且不随时间变化是一项伟大的发现。我们现在知道,这跟对称有关。

另一个更加不明显的对称性例子是相对论。想象一个匀速运动,在相对论当中,对匀速运动来说,物理定律是不变的,就像是你不在运动一样。这让事情容易多了,因为地球是绕着它的轴快速转动,每小时转好几千千米,同时地球还在绕着太阳快速旋转,如果物理定律取决于速度,我们就会察觉到这些转动,那样的话,我们大概会被甩到空中乱舞吧。

对称性在物理学上的应用是在20世纪被逐渐发现的。 当我们发现原子里面的新物理力时,也就是强作用力和弱作用力,我们不得不先猜测它们有什么性质。物理学家是怎么猜的呢?他们猜测这些力将会有大量的对称性,从而产生出众多变形,而不必改变它的本质。我没法太详细解释这些变形,它们与色荷、弱色荷有关,解释起来比较困难。但是,要统一的基本物理定律都是满足局域对称。也就是说,你可以在不同的时空做一些变化,但描述你的物理方程没有发生变化。你不仅可以移动到其他地方,或想象前往另一个时间点,你还可以以不同的速度运动,但这都不会改变事物的本质。这个想法非常奇妙。

艺术家也曾用对称性,来表达他们对神灵的感情,或者帮助他们进入灵性世界。不知为何,他们有时跟现实非常和谐。举例来说,这里是一个清真寺里面的装饰,用到了非常多的对称元素,不同的方块、三角形、无规则的形状,当然还有圆圈。但是,这些元素的对称性是不相同的,这里圆圈需要按这个点旋转,那里的圆圈需要按另外一个点旋转,这个方块也需要按另一个点旋转,等等。所以这些对称性,也就是局部对称性,在不同的空间是不相同的。有些艺术家的直觉认为,这正是宇宙最深层的构造方式,他们的直觉是正确的。但是,这些对称的精确性和广泛性,艺术家是无法知晓的。

对于对称性,我还要讲一下20世纪出现的另一个重要概念,它可以说是对称性的补充或衍生,就是多姿多彩,也就是当你把很多简单的事物放在一起,它们可以产生精美而复杂的结构。把简单的结构、简单的事物放在一起,就能产生复杂的结构。即便一开始的事物非常简单,但如果把大量的简单事物放在一起,就能产生美丽而复杂的事物。

有趣的是,对称性不仅跟多姿多彩在理念上是一致的,对称性还催生了多姿多彩。我举个例子,这是一个分形,它是由一个电脑程序制作的。我想大家都会觉得它非常复杂而且美丽,如果创造它的是一名艺术家,他肯定会变得有名,而且充满自豪。但实际上,它是从一个非常简单的彩色图案,这里应该是一些带颜色的圆圈,然后按照一个非常简单的数学变换移动,经过很多次变换。计算机的程序相当简单,可能只有几行,但是你只要让它重复很多次,它就能利用非常简单的事物,产生丰富的内容。当然,人类可以选择合适的颜色,判断什么时候停止。人、数学和计算机一起产生了这个美丽的图案。这就是为什么说对称催生了多姿多彩。

这是另外一个分形,但它不是由计算机产生的,也不是有人通过复杂数学算出来的,也不是经过图形处理做出来的,它其实就是一个正在生长的蔬菜。但重要的是,蔬菜生长也是按照简单的对称法则,一次次重复,进而不断变大,形成复杂的图案。如果你抛开现象,仔细思考,其实就是新苞不断产生、生长,接着把之前产生的苞挤开,它们遵循的就是非常简单的物理法则,就形成了这样的图案,艺术家如果能穿造出这些图案,他们一定会相当自豪。树也是如此,只是形式更加复杂而已,通过生长、分叉,生长、分叉,一棵大树就像是一棵小树的分形版。树虽然不像我们这么聪明,但它通过重复,也能产生非常复杂、美丽的图案。

假如人类想要制造复杂的事物,达到某一个目的,比如能快速地处理信息,正如这块英特尔芯片,它也是很多计算机、处理器的核心组件。他们制造芯片的方法,就是把简单的物理元件,即晶体管,把大量的晶体管,用非常巧妙的方式组合在一起,这样他们就能彼此合作。再一次,最有效率的方式把它们设计成对称图案。虽然当工程师设计芯片时,并没有想着把它做成一件艺术品。但是,利用很多简单的元素,做成有序而强大的事物,自然而然地就形成了对称性,从而成为了一件非常美丽的艺术品。对我来说,这比蔬菜形成的图案漂亮多了。

最后,在第三部分,我想讨论一下比喻,它能利用日常生活中的事物,帮助我们理解抽象的科学概念。这对帮助科学融入文化,融入我们的日常生活来说非常重要。另外,这样的联想也非常有趣,能将最深刻的物理法则与生活体验联系起来。

所以说,很多科学家喜欢绘画并非巧合。这里并不是达芬奇日记里的草图,我领带上才是。这里是一个有名的现代理论物理学家理查德·费曼的草图。作为艺术家,费曼可能没有达芬奇那么有名。但费曼也在尝试,他从人形图像中获得乐趣,跟在物理方程中获取的乐趣一样多。这里面可以看到,费曼跟其他科学家一样,用笛卡尔坐标系把方程形象地表现出来。费曼发明了一种新的可视化工具,用来描述最根本的物理过程。在这一点上,我认为他的艺术性跟他的创造力是相匹配的,他引入了费曼图的概念。你可以把费曼图看作是一种漫画,它把代表世界本质的基本物理过程,用一系列形象的步骤组合起来。费曼图描述故事就是,空间中的粒子如何随时间发生变化。这张费曼图挺有历史意义的,它对希格斯粒子的发现起到了关键作用。在此之前,能帮助我们理解宇宙本质的希格斯粒子并未被找到。经过了多年努力,我们终于在2012年发现了希格斯粒子。这其中的物理过程非常复杂,要不是费曼图,我们将非常难讲述希格斯粒子的故事。这里两个质子相互作用后,各释放了一个胶子,在真空量子涨落的作用下,变成上夸克,它能够与希格斯粒子作用,快速衰变后,再通过其他真空量子涨落,形成两个光子,被我们检测到。有了这张费曼图,我就能够在散步时想象这张图,并在将近40年后帮助了希格斯粒子的发现。

我特别喜欢这个比喻。这是英国艺术家威廉·特纳的一幅画,它传达的信息就是光是一种粒子。在很早时候,也许现在仍有人这么认为,光跟物质很不一样。但是现代物理学有一个统一的理论,可以用一套方程描述光的两种形式。比如说,我们可以把光看作有光子组成的粒子。事实上,把光看作是物质仍需要一些艺术想象。广义相对论是爱因斯坦对重力的理解,他认为空间本身是可以弯曲的。同样,这是非常难以视觉化的,因为我们从不会在日常生活中遇到这样的情形,但艺术可以帮助我们把它跟生活联系起来。这就是现代变形艺术家创造的变形时空。我之前讲过,看似空无一物的空间,其实充满了各种物理过程。我喜欢这样一种说法,就是大自然总是在自发地变化,产生新的图案,就像这幅画表达的一样,画里面还加入了音乐,好像你不仅能看到,还能听到这些变化。

在现代物理学当中,尤其也在工程学当中,一个很细微但非常重要的概念就是超导。一般情况下,当电流中的电子在金属中前进时,会遇到各种各样的阻力,所以电流会产生热,降低了传递效率。这种现象在计算机、能源等领域产生了很多限制。但是,对很多材料来说,当温度足够低时,它们就表现出了超导性质。此时,电子全部朝一个方向运动,就像一条河流一样。超导的方程非常复杂,难以理解,但你可以把自己想象成一条鱼,跟着其他鱼一起游动。所有的鱼都在做同样的事情,一起游动。如果遇到阻碍,它们就会从旁边游过去。有时我还会把自己想象成一个电子,想象一个电子会怎么做。在超导这里,我不仅得把自己想象成一个电子,我还得把自己想象成一条鱼。这幅画启发了我很多。

这是来自达芬奇的一张草稿。它表明,要想真正理解事物,就需要深入事物的内部。物质的内在性质往往正是隐藏着的。因此要理解我们看到的现象,就必须深入了解事物的内部。达芬奇曾想要清楚地了解人体的构造,包括不同的部位,因此他热衷于解剖尸体,观察人体内部是什么样子。这是冥想用的一个物品,非常美丽。同样地,这里面的元素有很多重复。这会对创造力很有帮助,因为它本身就是把不同的元素组合在一起。

这张照片对我来说有特别的意义,因为我是发现渐近自由得的诺贝尓奖,夸克和胶子位于原子核中的中子、质子当中,它们无法以单独粒子存在。它们无法单独存在,因此它们的存在是受限制的。有些人就认为夸克和胶子根本不存在,因为我们没法单独观察到它们。但是,如果你将物质加速到很高的能量,观察物质在高能下的相互作用,你就能观察到夸克和胶子获得自由。虽然它们无法单独存在,但它们发生碰撞并爆炸,就像点燃的烟花一样,能被检测到。就这样,它们的存在获得了证实,并且帮助我们认识物质。

我前面说过,真空更像是一种大气,里面有质子、中子,这跟保护、养育我们的大气层非常相似。这张照片就表达了大自然母亲养育我们的方式。

最后,我想用另一位著名的中国物理学家李政道画的一幅画结束。他现在仍然很喜欢画科普画,充满童趣但又很优雅。这幅画在问,先有蛋还是先有鸡。如果我理解正确的画,这幅画表达的意思是,没人知道答案,但思考本身就能带来很多乐趣。这张画以有趣的方式,对待一个严肃问题,彰显了自然之美,这一点是我非常喜欢的。我希望今天的演讲也向你们传达了这一点。谢谢!

 

对话部分:

兰梅

大家好,我是兰梅。我有幸是韦尔切克教授这本书《美丽之问》中文版的译者。在翻译过程中,也学到了很多的知识。由于我不是学物理的,所以我请了北京大学的吴教授为这本书做校正。吴教授是研究量子材料凝聚态方面的国家顶尖级专家。吴教授的物理方面的学养为我的译著增色不少,所以我非常感谢吴老师。我想接着韦尔切克教授的讲话和吴老师的翻译,补充一个方面。刚才的Campbell's soup cans是美国波普艺术的一个代表作,他的作者我说出来名字来大家都比较熟悉,Andy Warhol。他翻译成中文应该是安迪沃霍尔。

【吴

对不起,刚刚翻错了,因为我完全不了解这个艺术品。

兰梅

没关系,翻得非常的精彩。包括我自己在内,都对这个内容有了更进一步的理解。非常谢谢您。我想说的是,大家在网上都能找到这个作品,朴实的罐头盒子画成了一幅画。拿着个和刚才的芯片作比较,可能我们就会觉得人类做出来的艺术和大自然的艺术比起来,人稍稍就弱了一点。所以我说,科学是最伟大的艺术。因为试想在粒子加速器里,用高能对粒子进行加速,我记得在韦尔切克教授的书里有,在地下27公里的轨道里对撞。试想一下,哪一个人类的艺术家能做出这么伟大的装置艺术,观念艺术。所以我并不是说,人类就不做艺术了,人类艺术不行。而是说,我们面对大自然,面对宇宙,要有感怀之心。我现在就说这个,现在我就几位嘉宾各自的研究领域或者各自对宇宙和艺术的感受进行提问。

【兰梅】

弗兰克,你先来回答我的问题。我记得保罗狄拉克说过,数学不是人类的发明。我不记得他的原话,但大致是这样。当我翻译你的书时,我注意到,当你提到新理论、新方程时,你喜欢用发现,而不是创造。我想知道,这是处于谦虚呢,还是有其他别的原因。

【弗兰克】

这个问题,也就是方程、概念是被发现的,还是被创造的,曾引起过很多讨论,也很有趣。这个问题涉及当一个美妙的东西被提出来时,这到底是大自然的功劳,还是揭开自然秘密的人的功劳。

在我看来,我们应该大度一点,把功劳既给大自然,又给发现大自然秘密的人。

比如摄影,我们认可摄影师的工作,但从某种意义上来说,他们只不过是在给大自然拍照,而正是大自然创造了一切。尽管如此,挑选哪张照片,如何呈现出来,所有这些工作加起来才成就了一件作品。

因此我认为,不管历史进程如何变化,我们对自然本质的理解并不会受到影响。从这点上来说,我们是在发现,而不是发明。

尽管如此,最终的作品,比如重要的文学作品,还比如精美的照片,以及记录这些发现者的传记可能让人深受启发。因此,正如照片可以反映摄影师的性格,科学发现有时也能反映发现者的性格。

【兰梅】

谢谢你,弗兰克。所以就是说,一件东西是在那里,但是谁把他怎么解读,要看解读的人,是这样理解吗?

【吴飙】

这是我的理解。我认为这也是弗兰克教授的理解。

【兰梅】

我想问教授,您是韦尔切克教授的学生,那么肯定跟他一起工作,一起学习,近距离的接触,也很了解理论的发展。那么您认为,从爱因斯坦到韦尔切克韦尔切克对爱因斯坦有什么样的发展?

教授】

她问了一个非常广泛的问题,从爱因斯坦到你这里,物理学发生了什么变化,她想知道我个人的观点。

先给大家介绍一下我自己,因为我跟吴飙老师是在德克萨斯的同学,后来我在MIT做博后。我的另一个老师也是吴老师在德克萨斯的老师。刚刚兰梅老师的问题非常重要,因为像吴飙教授的量子材料科学在北大开创在国内一个非常创新的平台,聚焦在这个题目上面。爱因斯坦当年,一百年前多一点吧,1905年左右,发明了狭义相对论。也涉及到广义相对论,包括前几年引力波的探测。你就这么想,从过去那一代爱因斯坦,到海森伯格1920时代,到现在为止物理学到底在做什么演变。弗兰克有什么贡献。我是这么看的,在1905年到1920年代,那两个很重要的发现,一个是狭义相对论,还有一个量子力学,在1920年代。那么量子力学的发展就导致了原子物理,所以今天弗兰克教授就提到了原子、分子的结构,晶体。没有量子力学,没有原子物理,我们绝不可能知道晶体结构,什么化学键,这些都不知道。把量子力学和狭义相对论结合,就导致了这个叫量子场的。最早的是费曼还有一些别的老师(提出),叫量子电动力学,等于把狭义相对论和量子力学结合在一起,就是量子电动力学。量子电动力学之后就是对粒子物理,对人类自然的理解,就是对对称性,更多的统一理论就变成了量子弱电理论。包括史蒂文·温伯格啊,很多一些教授。那么弗兰克韦尔切克教授就开始进来了,在1970年代就继续深入到核夸克这个层次,更深次。你看原子还是在10-10微量级,就是说0.1纳米的尺寸。那么到核就更小了,所以到70年代就变成了量子色动力学,QCD就是获诺奖的一个很重要的工作。一方面从宏观的经典物理,天体物理啊,那是在牛顿的时代。那么从一九零几年从爱因斯坦开始,把狭义相对论和量子力学的结合,导致了量子场,导致了量子电动力学,量子弱电理论,到量子色动力学,涉及到原子到夸克的理论,所以人类对所有理论的了解是从爱因斯坦到弗兰克韦尔切克这样一个很大的推进。人类的认识,从原子物理到夸克,那么他的重要贡献就是夸克。现在你们想,弗兰克韦尔切克他们在做什么,现在朝着量子前沿。

【兰梅】

我还想问您一个问题,就是作为晚辈,您的晚辈,您对未来,对自己,对学生给予了什么样的目标和希望?就是在韦尔切克的基础上,再有什么样的发展?

教授】

她问了一个更加广泛的问题,从你到我,再到我的学生,我们应该做什么?

【维尔切克】

我觉得,物理学还有很多工作要做。目前,我们对物质了解得很充分了。我们可以问一些更远大的问题。宇宙学还有一些问题没有解决,比如宇宙是如何开始的?天文学家发现了一个非常奇怪的物质,也就是暗物质,我们对它的基本物理性质还不了解。另一个活跃的领域是量子理论的实际应用。我们现在正经历第二次量子革命,它将带来新一代计算机,新一代传感器等等很多新事物,我们将能够使用新的工程学创造出更多东西。所以在未来,我们的创造力还有很大空间。

教授】

我补充一下,这个提问非常好,毕竟年轻人、学生这么多,包括像吴飙老师的学生都在清华做教授了,我的一个学生在复旦,那就相当于上一辈的下一代弟子了。大家在问还能做什么,我举个例子吧,因为也是和弗兰克韦尔切克教授有关。你知道他今天讲的对称性,你看到的是在空间的对称性。举个例子,你看晶体,比如大家喜欢的钻石。钻石就是一个碳原子在周期性的反应列,那么你做周期性平移的时候,今天讲到了平移对称性,那么你就发现它有很美的对称性。那现在最近他提出的一个很大的概念就是time crystal。那么你就想,周期对称性,现在量子里面的时间对称性,时间的周期对称性。你就想,钻石这么好的东西如果是在时间的一个周期。因为还涉及到时间的反演,这些东西就是没有认识的,换句话说是可能开放的问题比我们解决的还要更多,大家能够提出来的问题更多了。因为你知道的东西越多,提出来的问题更多。好像现在给我感觉量子力学已经结束了,刚才弗兰克韦尔切克教授提到的……

【吴

框架是结束了,还有非常大的应用前景,它可能带来更多新的技术和应用。

【兰梅】

谢谢弗兰克教授的两位弟子。吴飙教授是我的好朋友,在为我校正译稿的时候,可能是一个特别崩溃的过程。因为他得给我做很多的扫盲工作,给我讲解很多物理上的基础知识,同时我也经常用微信推文骚扰他,问他很多伪科学的问题,他基本上是我的一个谣言粉碎机。我现在想问吴老师一个可能有点幼稚,但是我想大多数人都会感兴趣的问题,就是灵魂可能是物质的吗?因为刚才韦尔切克教授在讲解的时候说过,在英国画家特纳画他那张画的时候,人们对光的认识还不是物质的,现在我们都知道他是物质的,它是光子,是粒子。那么灵魂有可能是物质的吗?

【吴

当我们物理学家,就是科学家回答一个问题的时候,我们最关注的是你是怎么定义这个的。如果我把你的DNA定义成灵魂,那么从某种意义上说你是有灵魂,如果拿DNA,你确实可以重新造出一个吴飙来,重新造出一个兰梅来。你确实可以做这件事情。但是我觉得传统意义上的灵魂应该不存在,因为那种灵魂还能记得上一辈在干什么。这种在科学里肯定不是一种物质了。如果你说我是不是有足够的信心重新造一个吴飙出来,重新造一个兰梅出来,那么现在我们确确实实已经有这个办法了。从这个角度上来看,我觉得灵魂是物质。但是传统意义上的灵魂不是物质。

【兰梅】

 那么人的意志呢?人的意志能发生作用力吗?它和量子力学之间有关系吗?

【吴

人的意志其实是人的一个表现。就像你在这里运动,比如说你表演一个舞蹈,你会传递出很多信息来。这个东西他有一个物质的载体,就是表演,但是本身传递的信息你不能把它叫做物质。意识也是一样,意识无非是你大脑里的神经细胞在做各种各样的表演表现出来的东西,这是我的理解。比如说你去表演一个舞蹈,你有一个很具体的动作,但是不同的人不同的舞蹈表现的信息是不一样的。同样的道理,你的人和脑子里神经元有各种各样的反应,各种各样的物质的化学反应,电信号的传输,对不对。但是每个人通过这种活动会感受到不同的思想,不同的意识,所以这种表现出来的东西我觉得不是物质,但是确确实实可以感受到,就像人家表演舞蹈的时候你确实可以感受到舞蹈的美。这是我的理解,我想每个人有自己不同的理解。

【兰梅】

对,每个人可以去理解,可以去思考一下。

刚才三位科学家,物理学家说的都太理性了,我觉得我们的大脑有点撑不住脑洞了。所以我们现在来讲轻松一点的,我问问钟里满导演。钟导多年来,从小就是音乐发烧友,他自己本身也能演奏高超的,技艺精湛的小提琴。他常年对音域有很深入的研究,而且韦尔切克教授的《美丽之问》里也提到了李达布拉斯发现了音乐规律,所以我想问问钟导,音乐的规律,您认为对音乐的意义是什么?或者说普遍的音乐性对我们的意义是什么?

钟里满

刚才兰梅提了一个很大的问题,我把这个事情再往窄里放一点,就是说我们怎么感觉到音乐是好听的?这个问题还要放窄一点,就是回到教授书里谈到,他说李达布拉斯,希腊的哲学家,这些如果这两个声音如果振动比,频率或者呈简单小整数的时候,这两个音啊,特别和谐。这个好办,什么叫和谐?我们今天什么和谐都谈,我就谈音乐的和谐,就谈音的和谐。什么叫小整数比呢?比方说dodo之间是21,那么doso之间呢,是53dofa之间好像是54,我忘了,反正是他们呈这种关系。那么我想在座的一定知道,教授的书只谈到这为止。如果我们按照这个方法去把doremifasolaxido都找来的话,我们就出现了一个我们中国人叫做三分损益的一种doremifasolaxido。那么外国人也通过这个找到了他们的doremifasolaxido。所以大家都这么唱。但是这么找出来的,往外找找找的时候,发现慢慢地就不那么谐和了。一开始还是谐和的,后来又不太谐和了。欧洲人在中世纪的时候因为宗教,他们有合唱团,合唱团就觉得,不那么和谐了,慢慢他们就体会到原来还要找简单小整数比,于是就找到了一种新的doremifasolaxido。这套在音乐学上叫纯律,纯粹的纯,法律的律。那么他们唱起来呢,就和谐了。然后呢,我们就发现,如果你去参加一个合唱团,指挥会告诉你,大家唱的时候往中间凑一凑。这个凑一凑就是要凑到纯律。因为我们平常感觉不到,我们唱的鼓点是,我给大家举个例子,doremidoremi,对不起,这就是不和谐的,mi是不和谐的。应该把mi加一点,叫domiso,和原来的domiso不一样,明白这一点,我们来看,这种新的纯律和我们上个doremifasolaxido有什么不一样。唱的时候教给大家一个诀窍,把milaxi三个音稍微加一点,就是这个纯律。但是欧洲往下走,又不用这个纯律了,他转调了,于是变成了十二平均律。十二平均律也是中国人最早发明的,明代就有,皇二代,皇帝的后代发现。这个东西,几乎没有一个音是和谐的,但是它转调非常多。这个发明出来,中国人听不来这东西,所以也没有换点钱。后来呢,欧洲人也发现了这个事,于是他们的交响乐队就走向了十二平均律,就离纯律远了。一直到什么时候呢,如果我们把老唱片拿出来听,欧洲人原来从上世纪五十年代以后就转回来了,转到纯律来了。所以我记得当时有件事情是,英国的广播和中国的中央音乐台同台演出,一人演一半。你上半场,我下半场。很多人怎么觉得我们和国外人差那么多啊,其中一个就是,我们没用纯律。实际上,我们老祖宗也用纯律,但是我们教科书上没有小整数这个概念。大家都知道中国有一个很大的出土的鼎钟,漂亮的很,当专家过去看这个钟的时候,突然发现说这是什么律,纯律。怎么出来的?中国人怎么找纯律?他是张起一根弦,绷弦以后,一弹或者一拉,拿手轻轻在弦上划过去,可不许按实了,轻轻划过去。大家可以用小提琴或二胡来做个实验,就发现有些音出现了,各种音。中间没有,就到某个地方,那个音出现了。这在音乐上叫泛音。这些泛音的点,和整个弦长的点,就是小整数比。所以中国人早就有这个,但是没有数学理论。为什么这么说呢,大家看教授的书上有个图3,外国人也张起了弦,但是他们是实音,他们用尺量。中国人呢,就觉得谁耳朵好?盲人耳朵好。所以中国人在编钟的时候,也张起一根弦,让盲人去听,这样把钟定死。盲人更不可能拿尺子去量了。于是我们中国也有。

我再举个例子大家更知道了,古琴上不是有很多小白点吗,很多小白点就是泛音,你也可以按实了。但你要是虚按,一弹,就是泛音。因此我们发现唐代留下来的有个曲子叫《幽兰》,《幽兰》很多地方就是泛音,也就是这段曲子就是纯律,专家认定的。今天问,你那个钟,摸的有那个东西吗?我们能摸到那根弦吗?就在这个钟出土的现场,有这么一个长长的东西,上面还有小框,专家一看就是古代一直说第一……1:43:19,就这样绷一根弦的,这个发现只是大家可能没有注意到。我们中央电视台做有关节目的编导也没注意到这,这是最好奇的地方。所以呢,我们国家开始从改革开放以后,比如说从英国广播公司来了以后,觉得不对了,我们也要向纯律靠拢。

实际上已经有这方面的实践了。天津交响乐团来了一个指挥,中国指挥。他就用教授讲的这套方法,纯律,来指导天津交响乐团。请问诸位谁知道天津交响乐团?都不知道。但是教天津交响乐团演奏中国的旋律的时候,好听和谐,让专家全体站起来,就是因为纯律。这是要以纯律为主,别的还不能不用。比如说,大家知道《梁祝》。《梁祝》是俞丽拿演奏的。俞丽拿就说,我演奏《梁祝》,就是用纯律。但是呢,有的地方还不能完全用纯律。什么地方?碰碑。祝英台碰碑的一刹那,那个时候是soxidoXido之间要比纯律要小,这个时候就不是纯律,这个时候戏剧性很强。多说这么一句。

所以呢,还有一个人,也是使用纯律的,大家大概更了解,但谁都没注意到。台湾的邓丽君。邓丽君的演唱,国内专家一听,纯律。当然这个纯律为什么一直后来在我们国家也没有推开,因为我们是跟苏联。苏联也是属于欧洲那边,他也是五度相生律。我们中央电视台播的……》(1:45:47,苏联改纯律了。他一改,朝鲜就改,所以我们现在也要改。我们中央电视台对中国交响乐团的指挥李心草,大家都很熟悉,要求我们也要以纯律为主,使我们乐队和谐共瑟大大增加。

【兰梅】

钟导,我插一句,外国的交响乐到现在为止都是倍受听众喜爱,是不是他们有科学的方法,还是说他们也凭直觉?而我们……

钟里满

您提的这个问题很好。中央音乐学院毕业的拉小提琴的人你到欧洲去了,你想参加他们的乐队,好,你先给我拉三个八度,人家是按纯律听的。如果你用纯律拉不出,人家什么都不说,就说不行。但是中央音乐学院的有个老师就是学纯律的,马思聪都说他的音特别准。马思聪是从法国学回来的,法国那时候开始讲究纯律了。所以马思聪他说,你怎么会拉出纯律的音阶呢?他说我老爸就会纯律。那你老爸跟谁学的?跟日本人学的。哦,都走到这条线来了。因此,中央音乐学院毕业的学生到欧洲,如果你不走这套理论,没碰上这样的老师教你,对不起,你可能进不去乐队。你说我拿了什么大奖,对不起,你拿大奖是你拿大奖,你现在要进乐队要讲谐和。

【兰梅】

所以就是说我们现在的文艺创作都讲究科学的方法。您任职的中央电视台是国家的主流媒体,非常强调用科学的方法进行节目的创作。您能在这方面说说在创作的过程中用的什么科学的方法?

钟里满

我个人是想用教授讲的这套方法做一套中国的纯律的故事。就是今天我给大家简单讲的这些东西。但是对不起,我已经退休了,所以呢……但是,年轻的不懂这一套,我跟他们说到现在也没人做,我不知道在座的年轻人将来有没有做这个的。

【兰梅】

因为我知道钟导做的几期节目,发现历史真相的节目,都是用的科学的方法,还获得了国家电视节目的大奖。比如说夏商周断代,我就知道您用的碳十四的方法,还有光绪死因的探索。

钟里满

我讲一个刚才兰梅提到的事情,我事先宣布一个也不算秘密吧。大家都知道光绪,不知道光绪怎么死的。这是历史上的一个大案。他死后24小时,慈禧太后也死了。专家们都认为光绪是正常死亡,那么我在拍摄过程中,我就拿着他的头发到中国原子能科学研究院测试了一下,砒霜出来了。然后我又测试了他的内衣和外衣,大量的砒霜。所以现在呢,国家已经认可,我们的测试是准确的,光绪的的确确是被毒死的。至于是哪一天被毒死的,几月几号几点下的毒,谁下的毒,这个现在已经出来了。我们的书已经出来,但是大家可能买不到,在网上已经抢光了。测试报告都出来了。但这个东西我要说它跟艺术什么关系呢?就是因为我测试光绪头发的时候,原子能研究科学院他们用仪器把一束中子打进去,就看出来的这么多元素,里头有砷。氧化砷是砒霜。问题在于你怎么知道这就是砷呢?因为它测出来各种元素高高低低,几位专家都在这。那个高高低低是不连续的,没有中间的过程,这正是量子力学的伟大之处,就在于微观不连续。所以你永远测砷,它永远那么高,能量永远那么大。所以这一下就把砷打出来了,氧化砷,砒霜就出来了。然后,现在很多的拍电影电视剧的都来找我们,我们来拍这个怎么样,光绪之死?最有意思的是我一个朋友,在欧洲搞歌剧的,他说你们能不能写一个歌剧啊?我说什么意思啊?他说这样呢,我们可以专门为光绪死前,因为光绪从中毒到发作是1个小时,那么是不是有一大段光绪死前的隐态面?我觉得要这样恐怕别要出什么笑话,但也确实如此,就是从量子力学的测试一直到最后的光绪之死,或者还有他的隐态面。

【兰梅】

所以就是说用科学的方法发现了历史真相。科学研究的目的就是要发现我们宇宙的中级真相。所以我想再问最后一个问题,想问韦尔切克教授。

所以说,科学研究是发现终极真相的方式。我记得有一部美国电影,叫做《义海雄风》,汤姆克鲁斯主演的。我记得杰克尼克尔森饰演的上校说的你想要知道真相,但你不能接受真相我想知道,当人类发现了统一理论,发现了终极真相,我们能接受吗?

【维尔切克】

我们当然能接受真相。对科学家来说,很困难的一件事是一个美丽的理论可能是错的。但是,科学的是一个简单的游戏,只有一条规则,大自然就是裁判。从这点上来说,不管是对还是错,我们都得接受,科学努力的对错只有一个终极裁判。这是一个科学家的看法。至于人类能否接受科学家发现的真相,这其实并不容易。比如说,伽利略因为教授地球绕着太阳转而受到迫害。现在,有人担心我们发现心灵的基础是物质,还有人担心新技术的发展。当然,有些技术是很危险的,比如核武器。我们也有理由担心生物武器,还有人工智能武器。这些问题带来了很大挑战,但能力意味着责任。那我们能接受真相吗?我认为能,我也希望能,但我不确定。

 

提问部分:

观众1:从爱因斯坦到你这里,物理学发生了什么变化?现在的物理学家,应该做哪些研究?

维尔切克:我觉得,物理学还有很多工作要做。目前,我们对物质了解得很充分了,我们可以问一些更远大的问题,宇宙学还有一些问题没有解决,比如宇宙是如何开始的。

天文学家发现了一个非常奇怪的物质,也就是暗物质,我们对它的基本物理性质还不了解。另一个活跃的领域是量子理论的实际应用,我们现在正经历第二次量子革命,它将带来新一代计算机、新一代传感器等等很多新事物,我们将能够使用新的工程学创造出更多东西,并且将与生物紧密联系在一起。

所以在未来,我们的创造力还有很大空间。所以说,科学研究的目标是发现终极真相。

 

观众2:心智到底是怎么一回事?是不是物质的?

维尔切克:到目前为止,大多数研究大脑的科学家和物理学家都假设认为单用物质是足以解释心智的,这可能是不正确的。但是现有的证据表明它是正确的。我举一个具体例子,当我们进行精细的物理实验时,我们必须设计很多预防措施,

因为我们的设备对缺陷非常敏感,否则无法进行精确测量,所以我们必须要保持温度恒定,必须屏蔽微波、无线电广播,还要消除地球震动带来的扰动。在大多数情况下,还需要房间非常干净,并在很低的温度下进行,总之有很多预防措施。

但有一样东西,人们从来不会考虑,那就是每个人是怎么想的,所以如果心智对物质有影响话,也一定微乎其微。如果真有另一种解释,但起码我们现在还没有什么证据,在另一方面,我们近年来认识到,物质也有着令人惊讶的行为,它们可以产生激光,可以变成超导体,也可以被做成电视机、智能手机等等。最让人印象深刻的恐怕就是计算机了,它可以做一些本来需要心智才能完成的任务,比如下象棋和下围棋,而且下得非常好。我们也非常了解这些机器,毕竟我们创造了它们,用的都是物理学的基本法则,我们不需要给它们提供心智,也许在将来,我们需要借助心智才能了解宇宙的本质,或者需要心智才能创造真正聪明的人工智能,但是目前还没有这种迹象。

 

观众3:能否给我女儿在学习科学、艺术方面提供一些建议?

维尔切克:我认为可以从两个方面讲。一方面,我认为她应该广泛探索,世界有那么多有趣的事物,并且世界发展很快,有很多新机遇可供年轻人选择,虽然跟踪所有的新事物有些麻烦,但保持开放的心态,通过阅读、上网,你或许就能发现感兴趣并热爱的事物。所以我非常建议广泛探索。

但我也要补充一点,那就是你得学习最基本的技巧。如果你想要学习科学,你就必须要尽快学习数学,要学习艺术,就得学习绘画并坚持练习。要学习音乐,你也得练习。因此要掌握基本技巧,并且越早越好,就像学习语言一样,在很小的年龄学习,有助于你把它变成自己的东西。还有一点,我还有一个建议就是,学习历史,阅读别人的传记,因为你可以从中学习前人成功的经验,并受到启发。

还有那些犯了错误又克服了错误的人,以及犯了错误没能克服错误的人的故事,也可以了解。

 

观众4:你认为是现有科学还是先有艺术?

维尔切克:我认为这个问题跟先有鸡,还是先有蛋一样。这里的答案不是唯一的。科学家能被艺术家启发,同样艺术家也能被科学家启发。在历史上,艺术也许早于科学,但是如果更加严谨地观察,也许艺术并非早于科学,也许二者是同时出现的。我认为它们都属于人类生活重要的组成部分,科学和艺术是相互作用的,它们都属于人类,从人类出现伊始就有了,我也不清楚哪个先出现。

 

观众5:意识是什么?意识是否是一种量子现象?

维尔切克:意识是一个非常有趣的话题。最近科学在这方面逐渐做出了一些发现,

有些发现非常有趣,但解释起来比较麻烦。用最简单的方式来说的话,虽然我们觉得自己有意识,也能控制我们的行为和观点,但事实上,我们的大脑深处也进行着非常复杂的活动,似乎与意识有关,所以说,意识更像是记录的接收者,而不是做出决定。我前面说过,我们没有发现证据表明灵魂或者意识是独立于物质的存在,我们也开始认识到,意识也许是物理活动的结果,这方面的研究还处于非常早期的阶段,我认为,它跟量子力学没有任何关系。

 

观众6:我今年10岁,学习了一些基本的物理知识,比如分子啊,原子啊,但是我不喜欢它们,你小的时候喜欢物理吗?

维尔切克:当然,我那时很喜欢。我为什么喜欢物理?我不知道,我就是喜欢。

一些小时候的记忆就是拆东西,再组装起来。我还喜欢大数字,这些就是很有趣,

如果你喜欢它们,继续喜欢下去,它们是天赋,它们可以引导你过一个充实的人生。

 

观众7:那应该怎么学习物理呢?

维尔切克:你得保持好奇,你得掌握基本技能,你必须得注意数学,阅读你感兴趣的任何东西。多玩耍,多探索,学习物理无法一蹴而就。你得全身心地投入其中,接收各种各样的信息,阅读伟大科学家的传记,阅读科学史。我觉得你的年纪刚好可以开始读费曼的《物理定律的本性》,那将是很好的入门读物。

 

观众8:数学是物理的基石吗?

维尔切克:数学是现代科学的重要工具,数学开拓了我们的视野,也是计算机的基础。我们现在都通过计算机获取知识,这都需要借助统计数学工具。我们认识到,宇宙的本质是用数学语言书写的,如果你想要深入了解自然,你就无法逃避数学。这也是一场机遇,因为它可以很美丽,很有趣。

 

观众9:谢谢你的精彩演讲。我正在学习物理,所以我也想问一些关于物理的问题。在现代物理学史上,很多物理理论的提出都是基于经验主义的,还需要确切证据来验证,有没有哪些方法或方式能够有效而确切地验证这些理论呢?

维尔切克:这个要视情形而定。有些理论很容易检验,有些理论需要花很长时间才能验证,还有理论经过验证后发现是错误的。我们的经验就是每个理论的情形都不一样,对QCD理论来说,刚开始的证据是对实验数据进行的大胆解释,但现在精确实验提供了很多证据。从一个粗略的概念到一个成熟的理论,这个过程花了将近二十年。当麦克斯韦发现电动力学时——我们现在称之为现代电动力学,

这个理论并未被广泛接受,30年后,当赫兹制造出电磁波时,人们才接受。希格斯粒子花了50年才被发现,所以说,有些理论要花很长时间,有些理论很快就被验证了。李政道和杨振宁提出宇称不守恒,验证实验几个月就完了,所以每个理论的情形都不一样,我还在等待任意子被发现,它直到现在才开始逐渐发展、丰富,这中间大概过了30年,还有时间晶体。当我6年前首次提出时,引起了巨大争议,很多人认为时间晶体不可能存在,但是后面就被发现了,所以说每个理论的情形都不一样。

 

观众9:学习这些历史也很有趣。只有能被证明是错的理论才有讨论价值吗?才值得检验吗?如果有些理论无法被证明对错,是否就没有讨论的意义了呢?

维尔切克:我前面说过,科学是只有一条规则的游戏。大自然就是裁判,虽然你认为你的理论很美丽,很有潜力,但那还不够,你得保证它是能描述大自然,进而能被科学验证的理论,对此,我深信不疑。但是在真相之上,还有结实性,如果有一个理论无法解释具体的事物,那它就不是一个非常有价值的理论,但也有可能它在数学、艺术上有一些价值,所以说,对我来说,物理学理论要经受检验,

有着更高一层的意义和重要性。

 

观众10:除了科学研究,你在日常生活中如何将科学和艺术结合起来?

维尔切克:我很喜欢音乐,我会弹奏钢琴。我喜欢听音乐,了解音乐,它是我从小就开始做的事情,玩过一些乐器。但直到成年,我才认真地欣赏音乐,所以,我喜欢的是音乐。其他的,我也不知道该说些什么。当我是青少年时,我尝试过学习喜欢视觉艺术,但我现在还是画得不好。

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