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理论物理的终点是否在望?

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来源:牛津数学罗杰·彭罗斯公开讲座

演讲人:格雷厄姆・法梅洛(Graham Farmelo)教授

日期:2026-11-6

理论物理的终点是否在望?

格雷厄姆・法梅洛(Graham Farmelo)撰写的斯蒂芬・霍金授权传记于2026年9月出版。本次讲座的标题,与霍金在1980年4月就任卢卡斯教授时的就职演讲标题一致。格雷厄姆将梳理这场演讲的缘起、它当时引发的轰动效应,以及此后数十年间学界对该议题看法的转变。基于这些回顾思考,他将尝试在当下,回应霍金当年那个颇具挑战性的问题。

格雷厄姆・法梅洛是传记作家与科学撰稿人。除这本霍金传记外,他还写过广受好评的保罗・狄拉克传记。

牛津大学数学公开讲座由 XTX Markets 慷慨赞助。

理论物理的终点是否在望?

第一章:霍金大胆的断言

理论物理的终点是否在望?

各位女士、先生,非常感谢大家今天下午到场。能来到这座出色的研究所,以及它配套这个一流的科普交流场地,我由衷感到荣幸。正如罗杰刚才所说,我今天下午这场报告的标题,和史蒂芬·霍金在1980年春季首场就职讲座的标题完全一样。下面这段话,就是他当年那场讲座的开篇:

理论物理的终点是否在望?

“在本次讲座中,我想探讨这样一种可能性:理论物理学的终极目标,或许在不远的将来就能实现,大概在本世纪末。我的意思是,我们有望建立一套完备、自洽、统一的物理相互作用理论,它能够描述所有可观测现象。”

——史蒂芬·霍金1980

这话的格局可真是宏大。天哪。我们回过头来看这件事:这场讲座举办于1980年春天。先铺垫一下背景:那时,史蒂芬已经在爱因斯坦的引力理论——广义相对论的前沿深耕十余年。在这场讲座的语境里,他一直十分敬重罗杰·彭罗斯,称彭罗斯在这个领域里远超其他人。史蒂芬的志向,就是做出类似罗杰那些伟大成果的成就,后面我们会简要谈到罗杰的工作。

说理论物理学这门学科本身或许会走向终结,往轻了说,这是一个极为大胆的想法。他在写给刘易斯·施特劳斯的一封信里(就是电影《奥本海默》里,奥本海默的对手,演员名字我就不说了,免得记错),霍金坦言:他认为到2000年,自己作为理论物理学家可能就要失业了,并且给出这个预判的概率是五五开。

想必大家已经猜到,他这个预言并没有完全成真。不过我走访了二十多位当年在场的听众,也了解了霍金家人对这场讲座的看法:这场讲座本身非常成功,收获了热烈掌声,最后还引得满堂欢笑,整体评价很不错。

今天下午,我想和大家聊聊:他为什么选择这个主题、讲座背后的筹备过程、当时各界的反响,以及在之后几十年里,他对这个问题看法的转变。最后,我也会怀着审慎的态度,谈谈我个人认为,放到今天,我们该如何理性回答这个问题。

第二章:理论物理学的渊源

首先,我们先来梳理一点理论物理学的背景。我认同爱因斯坦的观点:现代理论物理学第一套成熟的研究范式,是伟大的艾萨克·牛顿建立起来的。这承载在人类文明的经典著作之一——1687年7月5日出版的《自然哲学的数学原理》之中。

理论物理的终点是否在望?

这本书销量尚可,但首印版没能全部售罄。不过至少在英国本土,牛顿凭此书奠定了自己顶尖自然哲学家的地位。值得记住的是,在动笔写这本书之前,他最广为人知的身份是一种特殊望远镜的发明者。他集数学家、实验家、理论研究者的天赋于一身,这样的组合在当时无人能及。

我想,牛顿会把自己称作自然哲学家与数学家。但比起这些学术方向,他一生更为痴迷的是宗教,是敬拜他的上帝。引用罗布一本佳作里的说法:他视自己为“自然的祭司”。

大约120年后,在皮埃尔-西蒙·拉普拉斯以及一众学者的推动下,物理学才正式成型。翻看19世纪初法国出版的教科书,你会看到一系列我们今天熟悉的学科板块:流体静力学、电学、磁学、声学等等,这些正是物理学的基础组成部分。在英国,“物理学家(physicist)”这个词,是由造词大师威廉·惠威尔在1836年创造的,距离他造出“科学家(scientist)”一词没多久。

我们再回到理论物理学。在《原理》问世大约两百年后,它才成为一门独立学科。粗略来说,19世纪70年代,理论物理学真正成型,一大批研究者集中涌现,地点就在普法战争之后的德意志诸邦与公国。

按照我的定义,理论物理学家的工作并不花哨:他们首先自认为理论物理学家,受雇开展研究,目标是用数学理解自然,但并不要求亲自做实验。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦常常被称作理论物理学家,我过去几十年也一直这么认为。但据我所知,以及他最权威传记作者的考证:麦克斯韦从来没有自称过理论物理学家。和牛顿一样,他把自己看作自然哲学家。

第一代、第二代物理学家里最出名的当属马克斯·普朗克。

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他是柏林理论物理研究所的首任所长,是亥姆霍兹力排众议任命的;亥姆霍兹和克劳修斯、基尔霍夫属于同一代学者,物理领域的朋友应该熟悉他们的贡献。

这批人是第一代真正受学术机构资助,只需要伏案执笔、用纸笔推演、用数学方式理解自然的研究者,延续了牛顿开创的研究路径。普朗克是物理学界极具影响力、受人爱戴的保守派学者,也是一位出色的钢琴家。他秉持的核心理念,在约翰·斯图尔特·密尔《逻辑体系》一书中有极为精辟的阐述:他的目标,是用尽可能少的原理、最简洁的数学形式,解释尽可能多的观测现象。

他回忆录里有一句非常有名,甚至可以说是唯一广为流传的话:这是他二十岁当学生的时候听到的(照片里是晚年的他)。

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当时他的老师,69岁的实验物理学家菲利普·冯·约利(上图左上角)告诉他:能量守恒定律建立之后,物理学似乎已经定型了。

在约利看来,这门学科快要走到终点了。放到今天,我们听了只会一笑而过,当然知道这完全是错的。但在当时,这话是真心实意说出来的,普朗克想必也大为震撼。

第三章:量子革命

而普朗克在1900年做出的工作,在大多数人看来,开启了量子革命。这个概念,在牛顿以及其他学者构建的经典物理框架里是不存在的:能量是量子化的,只能以一份份离散的形式存在。

说句无意冒犯的话:普朗克本人似乎从来没有完全理解这个概念。直到离世,他都没有接受后来的现代诠释——也就是在他论文发表短短几年后提出的、能量以光子形式存在的量子图景。但毋庸置疑,这是一项极具颠覆性的非凡贡献,或许也是那一代物理学家最耀眼的成果。

它开启了我个人始终认为属于理论物理的黄金年代:20世纪的前25年。这一时期最核心的人物,当然是阿尔伯特·爱因斯坦,照片是1912年的他。

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正是在这25年间,广义相对论诞生——这是爱因斯坦全新的引力理论,在牛顿引力的基础上,构建出一套比牛顿更优美、更完备的体系。与此同时,量子力学也诞生了,它是20世纪最具革命性的理论,解释自然的能力极强,但直到今天依旧充满争议,可全世界的理论物理学家都在高效地运用它。

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基础理论物理的两大支柱就此确立:相对论与量子力学。如果你深入一线,和理论物理研究者交流就会明白:他们构建理论时,必须遵守这两套框架。它们就像两条轨道,指引我们去描述真实世界。

相对论的建立,主要归功于爱因斯坦(当然不是只有他):狭义相对论处理惯性参考系,之后拓展出广义相对论,也就是引力理论。量子力学方面,爱因斯坦在1905年对量子概念做出了关键贡献;但到1925–1926年,薛定谔、海森堡等先驱,才建立起这套颠覆性的量子理论。

第四章:狄拉克对统一理论的追寻

学界很快意识到,巨大的挑战在于:把这两套理论融合在一起。保罗·狄拉克就是为此苦苦思索的学者之一。

理论物理的终点是否在望?

(他站在这两根柱子前面纯属巧合。这张照片是在爱丁堡皇家学会大楼外拍的。用特朗普的话说,这是“假图”,并不是原版照片。)

狄拉克在这里倾注了大量心力:他因为一件事无比沮丧,这件事也是人们持续近十年的目标——把量子力学和狭义相对论结合,用来描述电子与光子。他是这个方向的先驱之一,但不是唯一的开拓者。可在构建这套理论的时候,他怎么都绕不开计算里恼人的无穷大。

他觉得,这彻底毁掉了他想要达成的目标。沮丧之下,他在剑桥停下手头的理论工作,将近一年时间转去做实验。有些实验物理学家估计要花钱请人离实验室远一点,但狄拉克就在卢瑟福的实验室做基础实验,相关内容大家可以看我的书。他当时真切觉得,刚刚起步的量子电动力学已经无可救药。

1931年,他写下一篇堪称巅峰的论文,也就是物理学家熟知的“磁单极子论文”,在文中天才地提出了磁单极的构想。巧的是,论文开篇,他同时提出了反电子的预言。而在提出预言之前,他写下一段话,道出了自己在统一量子力学与狭义相对论这件事上的绝望:“这些难题意味着,我们恐怕要对基础概念做出比以往更加彻底的革新。这种变革很可能幅度巨大,单凭人类的智慧,很难直接从实验数据里提炼出必需的新思想。因此未来的理论研究者,必须换一条更迂回的路径。”

他在之后多年反复阐述这个想法,显然预见到了新一轮革命,并且认为这场革命无可避免。他还提出:数学应当走在前面,而不是让理论跟着实验结果走。这和卢瑟福勋爵想要的物理学范式完全相反——卢瑟福希望所有理论,都用来解释他和全球同行发现的实验现象。但狄拉克的想法,慢慢形成了一套属于他的理念:我们应当拓展理论物理的数学框架,以此走在实验前面。

1939年2月的一场讲座上,他更是语出惊人,向听众抛出一条他口中的物理学新原理:对自然的描述,依托优美的数学;我们认可的每一代理论,都比上一代更加优美。恕我直言,“数学之美”这个概念相当模糊,至今没有完整定义。他只说:如果你是数学家,你就懂它是什么意思;如果你不是,永远也理解不了。但他真心相信,这就是理论物理取得进展的正道。

不得不说,狄拉克算是量子先驱里最大的悲观主义者。不过其他物理学家在用量子场论描述自然界最基本的相互作用时,取得了巨大进展,尤其是原子尺度上的作用:电磁相互作用,还有核尺度上的短程力——弱相互作用与强相互作用。顺带一提,牛顿在《光学》的其中一个版本里就猜想:或许存在一些当时他和同行还没有观测到的短程力,未来会被发现。事实也确实如此。我不是说牛顿预见到了弱力和强力,只是在牛顿的时代,他已经意识到这种可能性。

在牛顿的认知里,人类理解自然的探索会走到尽头?这几乎不可能出现在他的脑海里。对他而言,这是一片广阔无垠、有待探索的科学疆域。我也没有见过牛顿写下任何类似霍金那个问题的文字。真正难上加难的,是把量子场论和引力结合起来。这件事的难度公认更高,就连狄拉克,也没法乐观地谈论这件事。

第五章:标准模型时代

接下来我稍微讲一点个人经历,也就几张幻灯片的内容。我是70年代入学的博士生,当时就坐在后排,只能算是边缘学习者。刚入行的时候,我完全体会不到那个时代的分量;新人看不懂领域的全貌。但现在回头看,我无比幸运:在70年代初,量子场论不仅可以用于电子、量子电动力学,还能用来描述弱相互作用和强相互作用。那是一个硕果累累的时代。

说实话,这话听起来可能有点夸张,但我早年去参加学术研讨会的时候,感觉就像一场盛会。不是说轻浮玩乐,而是世界各地的研究者源源不断赶来:欧洲核子中心、斯坦福的学者带来实验结果,哈佛等地快速产出理论成果。

我们如今所说的粒子物理标准模型,几乎就在我们眼前一步步成型。我当时以为,物理学本来就是这样:实验家和理论家并肩协作,产出这些精彩成果。那不仅是我个人一段难忘的时光,更是量子理论、相对论应用于自然研究的一个高峰。

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当然,我们不能忘了罗杰在1967年开创的扭量理论,这套理论成果丰硕。我作为旁观者一直很感兴趣,近几十年它再度回归,被理论物理学家用来计算量子散射振幅,爱德华·威滕更是把扭量思想融入弦论。

而70年代引力理论的巨大进展,我了解得相对少一些。说一句:现在的理论研究者倾向于把所有相互作用放在一起整体看待,但在我读书的时候不是这样。这不是我个人的局限,事实是:当时绝大多数物理学家(当然不是全部),研究领域要么是亚原子世界,要么就是引力。

我的朋友彼得·戈达德和我说过,他认识不少人觉得引力根本不属于自己的研究范围。大家把引力手动塞进标准模型,没人深究。只有少数人想要统一所有相互作用,在当时看来是非常出格的想法。

即便我当时眼界狭窄,只专注自己小小的课题,看着身边人做更宏大的研究,我们也都听说了70年代的一系列突破。毫不夸张地说,很多成果都是站在我面前这位学者的肩膀之上——罗杰在引力理论中关于奇点的伟大发现,彻底改变了人们研究引力的方式。

我和罗杰聊过,也采访过不少当时的亲历者。在爱因斯坦提出广义相对论这一里程碑之后,引力理论最重要的进展,就是罗杰和史蒂芬·霍金一起做出的。或许这个比喻不太妥当,但霍金非常明确地希望站在罗杰的肩膀上,运用罗杰带给引力理论的精妙数学工具与物理洞见。

第六章:霍金的黑洞研究

我想强调,我的导师几乎从不和我聊引力,顶多是开玩笑提一句。我记得博士答辩前,他说:“我可能会问你黑洞有什么性质”,听着像一种“刁难”,默认我们不可能掌握。

理论物理的终点是否在望?

但就算是我和我的同学,也都知道1974年史蒂芬·霍金迈出了关键一步:他把量子场论应用到黑洞上,向当时很多难以置信的同行证明:黑洞并不像大家之前认为的那样完全漆黑,它会发光,存在微弱的辐射,持续向外释放能量。

我还记得一件珍贵的往事:我去牛津参加暑期学校,所有人都在讨论原子内部的相互作用,直到某天下午,牛津物理系一位不期而至的讲师给我们开了一场特别讲座,就是丹尼斯·夏马——罗杰十分敬重的学者。

那场讲座讲的就是霍金的这项工作。公允地说,这项成果可以算是量子引力第一个实打实的重大结果。当然,它用的是半经典理论,完整的量子引力理论至今还不存在。顺带一提,我至今都想不通他是怎么完成这个计算的。很多顶尖专家反复给我讲解过:在他慢慢失去握笔能力的阶段,他只用了大概一个月、六周左右就算出这个结果。

直到现在,我依然觉得震撼,始终无法想象他是怎么做到的。一开始很多人不相信这个计算结论,足足过了九个月,他们才承认霍金的结果是对的。丹尼斯·夏马那场讲座让我印象很深,他的胸襟开阔:整场讲座没有讲他自己的研究,只是单纯地向一群年轻学生介绍这项震撼人心、值得我们关注的物理新进展。

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这是处于巅峰期的史蒂芬,是我最喜欢的一张他的照片,大概1975年初在加州理工拍摄。当时他的成果已经广受认可,他在加州理工过得十分愉快。之后,他的关注点从霍金辐射(他本人当然对此十分着迷)转向黑洞内部的信息流动,提出了著名的黑洞信息疑难。

就在这之后一两年,他又被超对称的发现深深吸引:超对称似乎是唯一一种可以拓展相对论时空对称性、并且和量子力学自洽的方案。有些物理学家愿意赌上性命相信超对称是真实存在的,是大自然的一部分;也有一些人觉得这套理论大概率是错的。但在那个年代,学界普遍认为这是一项伟大发现,是自然界真实的对称性。

很快,超对称被引入引力理论,得到的新理论就是超引力。超引力在当时引发巨大轰动,霍金是最兴奋的人之一。伟大的理论家杰拉德·特霍夫特对此持怀疑态度,他们在凯斯和其他地方就此辩论。但霍金真心认为,超引力预示着一套覆盖自然界所有基本相互作用的量子场论即将成型。

1979年末,霍金当选卢卡斯数学教授。他对超引力的前景满怀期待,于是打算把这场就职讲座的主题定为:理论物理学的终点近在眼前。

第七章:筹备就职讲座

理论物理的终点是否在望?

说一下当时的情况:那时他双手已经失去行动能力,这件事直到今天,连他身边的物理同行都觉得不可思议。他锻炼出了在脑海里完成极其复杂的思辨、甚至计算的能力,而不像大多数人那样依赖纸笔。

拿到卢卡斯教授席位,他自己也十分意外。他本来没有申请,是当时系主任乔治·巴彻苦劝他参选。霍金私下说(不知道是不是在打趣):迈克尔·阿蒂亚本来更适合这个职位。但巴彻认为,阿蒂亚是顶尖数学家,做物理只是副业;他希望这个席位由一名真正的物理学家担任,霍金是他的首选人选——这是霍金私下讲述的版本。

不管怎样,霍金最终当选,他无比欣喜,能够跻身这些伟大的自然研究者之列。尤其是牛顿,还有后来的狄拉克,霍金偶尔见过狄拉克。他很喜欢“卢卡斯教授”这个头衔,还专门去了解历任卢卡斯教授做出的成就。

时间来到1980年1月,他刚刚收到任命通知,那段日子对他而言五味杂陈:健康状况急剧恶化,需要大量资金来支付陪护开销;更大层面上,他对当时国家的走向十分不满,撒切尔夫人刚刚就任首相,政见和他相悖。最重要的一点:他曾经和好友基普·索恩说,他预估自己活不到1980年。他本以为自己在这个时间点之前就会离世,可如今,他却要在这个时间就任卢卡斯教授。

就职讲座这个形式,对他很有吸引力。牛顿、狄拉克都没有做过这类就职报告,但霍金很喜欢这种正式感:面向广泛听众,宏观地阐述观点,留下深刻印记。他一直喜欢这样做。

那讲座主题选什么?按照惯例,大家本以为他会讲黑洞,讲他在这个领域做出的卓越贡献。但他没有,他选择了这个宏大命题。这里值得一提:这场讲座距离他那本销量爆炸的科普畅销书《时间简史》出版,还有大约八年。这本书销量超过2500万册,让世人看到他出色的沟通能力。

现在回头看简直难以想象:他依靠合成语音,握不住笔,却依然写书、在全球各地做报告。其实从他早年的演讲就能看出他的表达天赋。他母亲说,霍金小时候,她一度觉得他会成为演员。他很喜欢家庭戏剧,还在学校排演的《尤利乌斯·凯撒》里饰演罪人,可惜他母亲没能看到那场演出。顺带一提,他母亲后来还觉得他可能从政。霍金在牛津大学学院读书时,一入学就跑去牛津辩论社参加训练,参与辩论,甚至曾经和后来的首相爱德华·希思同台辩论。

所以霍金想要一场有冲击力的讲座,他不想要一场听众礼貌听完45分钟、散场之后淡淡评价一句“不错”的报告。他想要留下影响。到1月底,他敲定了标题,他相信这个标题足够抓人眼球:从当时大热的超引力理论做出大胆外推,宣称这预示着理论物理这门学科即将走向终点。标题足够有力。他几乎所有讲座都是开篇大胆,结尾也掷地有声。

他从1980年1月就开始大量筹备,第一件事,就是写信给保罗·狄拉克——霍金认识狄拉克,1973年初次见面,几年后又重逢。从狄拉克家人的记录来看,狄拉克非常惊叹霍金在运动神经元病的折磨下,依旧能做出出色的研究。

当时狄拉克已经退休,住在佛罗里达州立大学。霍金写信给他,请教一些基础问题,同时把讲座标题告诉了他:理论物理学的终点近在眼前吗?

狄拉克一如既往简洁地回信:不会。就这两个字。【笑声】

但霍金没有因此打消念头。

说实话,狄拉克对这个问题的完整想法,很难直接考证。但如果你和我一样翻阅过狄拉克的档案,结合他70年代的讲座记录,尤其是在都灵那场报告,就能看得很清楚。

理论物理的终点是否在望?

他在讲座结尾说:很可能永远存在一些晦涩的细节,物理学家永远会不断完善、微调我们对世界的图景。你看,他完全没有“物理会终结”这个想法。他在其他讲座里也持相似态度。

我不确定霍金有没有查阅爱因斯坦的观点,不过这不意外,狄拉克和爱因斯坦都是他的偶像。我们不妨看看这位顶级物理学家会怎么看待这件事。

理论物理的终点是否在望?

照片是1912年的爱因斯坦,五年之后样貌差别不大。那时他正在完善广义相对论,第一次把它应用到整个宇宙,构建静态宇宙模型。我最喜欢爱因斯坦关于这个话题的两段话:1917年4月初,他写给费利克斯·克莱因:

“我毫不怀疑,总有一天,这套描述引力的理论(也就是广义相对论),会因为一些我们现在无法预见的理由,被一套本质完全不同的理论取代。我相信,我们深化理论的这个过程,没有终点。”

1938年,时间更晚一些:

“科学现在不是、也永远不会是一本合上的书。每一次重大突破,都会带来新的问题;长远来看,每一次发展,都会揭示全新、更深层的难题。”

在我接触这个领域之前,我一直以为这是科学界的共识:科学永远不会停下。声称抵达终点,本身就十分傲慢。你永远无法保证,实验物理学家不会发现某个现象,推翻现有的理论。

第九章:讲座与当时的反响

理论物理的终点是否在望?

讲座地点定在科克罗夫特报告厅,战后它原本叫海森堡报告厅,因为大家不喜欢这个名字,后来改名。报告厅容量和我们现在这个场地差不多,能容纳近500人,讲座安排在下午晚些时候。

霍金的父亲本来不想出席,他不喜欢这类社交场合,也受不了霍金母亲和亲家不停闲谈。但最后他还是到场了,并且认为这场讲座非常成功。他还感慨到场的学生数量惊人。我的朋友迈克·达夫告诉我,这是因为霍金在年轻学生中间拥有巨大的号召力,在学生眼里他近乎英雄。和一般就职讲座不一样,听众里大多数是年轻人。

这场讲座,霍金请他的学生克里斯·波普代为宣读文稿。我记得当年我见过霍金做报告:他坐在台前,说一两分钟,然后克里斯或者别的学生帮忙转述,因为他的声音很难听懂。但这一次,整篇文稿全部由克里斯朗读。据在场人描述,全场屏息凝神,满是敬畏。大家说克里斯带着崇敬的语气读完。霍金平时风趣幽默,用崇敬的语调读他的稿子,听起来有点奇怪,但放在这个场合,也可以理解。

霍金在正文里严谨地铺陈论证:正如开篇所说,抛出核心论点,梳理已经取得的进展;他没有过多讲广义相对论,重点讲超对称引力理论的起源。临近讲座结尾,他把观点推到极致:他认为,超引力是通往自然终极理论最有希望的候选者。

很多亲历者和我聊过这场讲座。有几个人(当然没人公开承认)当时觉得他是在开玩笑。超引力本身,距离真实世界的描述还差很远。想要靠一步、两步就从这套理论直达万物理论,实在太过大胆。迈克·达夫在我写霍金传记的时候和我说过:超引力是理论物理学家的美梦,但和现实世界相距甚远。把它当成万物理论,自然引发巨大争议。

我猜想霍金很清楚自己的论据并不扎实,但他觉得,被人批判,也好过无人问津。无论如何,这场讲座绝对没有被冷落。整体来看,它是同类讲座里的典范,引发广泛关注。很多期刊希望刊登精简版本,《欧洲核子中心快讯》也刊载了相关内容。正如霍金预料的那样,大量讨论与批评随之而来。

赫尔曼·邦迪在一年前就写过:追求万物理论,是落入了“完备性的诱惑”——仅仅因为我们希望它成真,就断言它一定会到来,支撑的理由却十分薄弱。费曼后来也说,他一辈子都听到这类说法,可从来没有如愿。当然,这不能证明霍金的想法不对,但这些反对声音不容忽视。

而物理界最有名的抨击,来自菲利普·安德森。

第十章:安德森的反驳

安德森和我聊的时候,自嘲是“专业的扫兴者”,对此他还挺得意。这是十年前我在普林斯顿采访他时拍下的照片。他几个月之后才读到这场讲座的文稿,读后十分愤慨,给《物理学通报》写了文章。措辞或许算不上刻薄,但霍金读到肯定不会舒服。

霍金开篇说,目标是找到一套理论,描述所有可观测现象。安德森指出:霍金完全没有打算细致地描述、理解所有这些观测现象。安德森研究的是真实世界:固体、液体、气体,他是凝聚态物理学家。

这是巨大的分歧。他的观点非常鲜明(我不代表认同他,只是转述他的主张):大家过度聚焦粒子物理和宇宙学,对凝聚态物理投入的关注远远不够。凝聚态物理能带给我们很多对世界的洞见,甚至反过来启发粒子物理,后来的希格斯机制就是一例。

即便安德森指责他躲在剑桥数学系封闭的象牙塔里,霍金并没有退缩。他回了一封措辞强硬的信,丝毫没有让步,依旧坚信终极理论近在眼前。

多年之后,霍金再次提起这个话题,依旧说终极理论很快就会出现,还剩20年。这话再说一遍,说服力就弱了。“还剩20年”,听着有点像冷核聚变的预言。

理论物理的终点是否在望?

不过第二年,他得到一个更大的舞台:白宫。比尔·克林顿当时举办一系列研讨会,主题是“通往新千年”,邀请霍金做报告,主题宏大——《新千年里的科学》。霍金十分激动,也确实完成了一场很不错的演讲,听众里各行各业的专家都有。里面有几句值得留意的话:

“我预期超对称最终会在欧洲核子中心的实验中得到证实”

“我愿意为此赌一把,五五开。终极基础理论,会在未来20年内被发现。”

“这套终极理论,不会限制我们能够构建的系统的复杂程度。而我认为,下一个千年最重要的突破,就藏在这种复杂性之中。”

理论物理的终点是否在望?

可以看出,他其实是在回应菲利普·安德森的质疑:他依旧相信终极理论会出现,但这套理论一旦成型,复杂物质理论会迅速成为理论物理的核心。

当然,不只是霍金有这个想法。

理论物理的终点是否在望?

伟大的量子场论学者史蒂文·温伯格写了《终极理论之梦》,书中同样论证:在他看来,终极理论呼之欲出。但他也坦言,这更多是一种信念,不是确定会发生的事实。当时他还在向国会游说超导超级对撞机项目,他很清楚,如果告诉议员们这个探索永无止境、看不到终点,很难获得支持。

第十一章:21世纪的物理学

我们来到21世纪,看看本世纪前二十五年,对比20世纪初那个辉煌的二十五年。下面完全是我的个人看法,大家当然可以有不同观点。在我看来,基础物理领域最触动人心的两件大事:

理论物理的终点是否在望?

第一件是2012年7月4日希格斯玻色子的发现。在我眼里,这标志着漫长的20世纪基础物理篇章落幕。为什么这么说?这段故事始于1897年剑桥发现电子,而标准模型缺失的最后一块拼图就是希格斯玻色子——这套理论的核心组分。欧洲核子中心依靠大型强子对撞机,漂亮地找到了它。

另一件让我激动到落泪的发现,就是引力波。我年纪足够大,还记得当年很多人嘲笑“黑洞能被观测”这个想法。我年轻时亲眼见过,罗恩·德弗在开放大学做报告,台下听众都在嘲笑探测引力波的构想。所以引力波的发现,冲击力无与伦比。直到现在,我回想他们如何捕捉仪器上极其微小的扰动,拟合出双黑洞并合的信号,依旧觉得叹为观止。

现在,作为曾经的粒子物理学家,我身边很多粒子物理同行,都把目光投向天体物理、引力波、黑洞方向,罗杰肯定也觉得这是一段硕果累累的时光。但在粒子物理领域,大家都知道:大型强子对撞机,再也没有做出像希格斯玻色子那样划时代的重大发现。

自从决定要做这场报告,我和几十位物理学家聊过,有的在酒吧闲聊,有的电话沟通。每当我问他们:理论物理学的终点近在眼前吗?所有人的反应都是:你在开玩笑吗?没有人觉得我们距离终极理论很近。我们有弦论、M理论这些精彩的成果,都是伟大的成就,我并不是否定它们。但说我们快要抵达终极理论,我觉得并不现实。

有一个例子就能说明问题:真空能量,也就是和宇宙学常数相关的能量。简单估算得到的理论值,和观测值相差120个数量级。我和好几位最有希望攻克这个难题的学者聊过,他们都说:我们对此毫无头绪。足以说明,我们对一些最基础的概念,依旧无比无知。

第十二章:计算机与未来

我们回到霍金讲座的结尾。还记得我说过,讲座最后大家都笑了吗?霍金话锋一转,像F1赛车手一样,突然切换话题。他在讲座最后说道:“如果按照计算机近期飞速发展的趋势外推,计算机很可能会完全接管理论物理学的研究。也就是说,或许理论物理学家的终点近在眼前,而理论物理学本身未必会迎来终点。”

理论物理的终点是否在望?

不得不说,这句话现在看来极具预见性。今年几乎就是人工智能的大年,到处都在讨论AI。去年夏天在普林斯顿、剑桥,大家都在热烈讨论AI在理论物理中的应用,热度惊人。顺带一提,当年菲利普·安德森批评霍金的时候,也专门针对这句话,说霍金这么想太过天真。现在来看,在这件事上,霍金算是笑到了最后。

最后我总结一下:我认为理论物理的终点还遥遥无期。

我并不觉得我比在座任何人看得更深。但在我看来,想要回答这个问题,最合适的答案,其实就是狄拉克当年给出的态度。不过回到霍金最后的那句话,我想补充一点:

过去半年,数学界掀起不小讨论,陶哲轩等学者开始反思数学本身的研究范式;我认识的很多顶尖物理学家,哪怕一开始不情愿,也慢慢意识到人工智能可以为他们提供帮助。

前几周我读到尼马·阿尔卡尼-哈米德的一篇论文,他原本并不看好AI,却在参加一场人工智能研讨会之后,完成了一个把量子振幅推广到水波的项目。类似的迹象越来越多。我觉得,我们正在见证一种全新的理论物理研究范式诞生:不再只是人类学者独自思考,而是理论物理学家搭配人工智能工具协同工作。

几十年之后,理论物理学家的工作方式,会和现在很不一样,甚至天差地别。我是看不到那一天了,但能成为这个学术共同体的一员,尤其是能和伟大的罗杰·彭罗斯成为挚友,是我莫大的荣幸。

理论物理的终点是否在望?

这张照片是他90岁生日的时候拍的。感谢罗杰一直以来给予我的帮助与建议。非常感谢各位。

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