星空、未来与当下：一位理论物理学家的自白

刘怡

作为中山大学天文与空间科学研究院院长，53岁的李淼同时还是一位“文艺中年”和社交网络达人。1990年在丹麦哥本哈根大学玻尔研究所获得博士学位之后，他已经从事了超过四分之一个世纪的宇宙学、弦论和高能物理研究，成绩斐然。而在2013年南下中大之后，李淼开始更多地尝试“跨界”，写诗、出版科普随笔、撰写科幻小说评论。就在几天前，他刚刚开通了自己的微信公众号。《三联生活周刊》在广州拜会了这位“跨界”达人。

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼

三联生活周刊：能否请您向周刊的读者简单介绍一下整个物理学、特别是理论物理学领域当前的发展状况以及最受关注的前沿方向？

李淼：“物理学”是一个博大精深的概念，涉及到多个领域和分学科。若就基础物理学而言，我认为有两个方向值得格外关注：其一与我们对整个世界的理解有关，例如暗能量和暗物质的存在，时空是如何产生的，宇宙经历了怎样的演化等问题;它们涉及到时间和空间观念，也涉及到宇宙学。长期以来，基础物理学家在这个方向上倾注了大量心力，并借助新工具赋予的观测和实验手段来验证其结论。例如对量子纠缠与时空起源之间关系的验证，就是在最近两年取得了新进展，相当令人兴奋。第二个方向则是量子物理学，主要涉及量子力学原理在技术领域的应用前景，包括量子计算机、量子通信等新产品，也是非常重要的问题。

在理论世界以外，应用物理学领域同样有许多新成果在涌现。例如纳米科学和材料科学方面的新进展，不仅会改变未来世界的工业面貌，对人们的日常生活乃至整个社会的经济结构也将起到深远的影响。另一个重要的应用领域则是能源，这也是全世界长期关注的问题，但近期还没有可以称为突破性的成果出现。

三联生活周刊：就您提到的这些领域，有哪些是中国物理学界处在世界顶尖或一流水平的？

李淼：应当坦白承认，中国占据明显优势的领域还比较少，但也不是没有。例如在铁基超导和量子通信方面，中国物理学界就有后来居上的趋势。中国科学技术大学潘建伟院士领导的量子光学和量子信息研究小组，近年来已经取得了一系列开创性的研究成果。由中国科学家承担的费米子凝聚态实验的一部分，也在2015年7月首度发现了Weyl费米子，这是物理学研究的重大突破。另外在中微子物理、高能粒子物理实验、引力物理实验等领域，中国已经具备了很好的基础，也制订了积极的发展计划，在未来一二十年是很有希望进入世界一流行列的。

三联生活周刊：2015年12月17日，中国发射了第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”，引发了广泛的国际关注。按照宇宙标准模型，暗物质和暗能量占据了其中的绝大部分质能。作为暗能量研究方面的专家，能否请您谈谈目前常见的暗物质和暗能量探测手段及其结果？

李淼：对暗能量这种充溢空间、难以察觉的能量形式，目前尚没有直接的探测手段。流行的暗能量假说认为宇宙膨胀速度越来越快是由暗能量导致的，但常规的宇宙学观测方法（例如对Ia超新星的观测）只能确认宇宙正在加速膨胀这一事实本身，却无从验证暗能量的存在，因此只能作为间接证据。这一问题在短期内也没有获得解决的可能。在我个人看来，应当把希望寄托在暗能量能与我们周边的物质世界发生某种相互关系这个方向上;尽管这并不是一种很主流的观点，但如果能够证实这种潜在的相互作用的存在，直接探测暗能量就有可能了。

至于暗物质探测，应该说最近几十年全世界物理学界都在推进。中国在这方面也相当活跃，2010年清华大学在四川锦屏建成了专门的极深地下暗物质实验室，“悟空”卫星则提供了来自太空的间接探测手段。但究竟何时能探测到暗物质，至今仍无法预言，依然要等待进一步的结果。

三联生活周刊：超弦理论是您的另一项研究重点，您也就此出版过一部科普著作《超弦史话》。就我们粗浅的了解，弦论的特征之一在于它首先引进了量子论，随后才导出大尺度上的时空结构，而不是像经典路径那样先确定理论大框架，再在细节上用量子论做修正。这在相当程度上对广义相对论构成了颠覆。请问您如何看待超弦理论以及作为多种超弦论统一体的“M理论”的前景？

李淼：超弦的前景，应该说很难预料。过去我们一度认为，超弦理论可以从数学架构和逻辑架构中独立地发展成型，但现在看来恐怕还是要依赖实验。另一方面，真正能够统合万有引力和量子论两大体系的终极理论，究竟是超弦还是其他理论框架，目前也无法斩钉截铁地断言。但近年来理论物理学界的一些新发展，例如对量子纠缠与时空起源之间关系的探究，在不久的将来可能导致深刻的变革，使我们对理论统合的趋势形成新看法。

三联生活周刊：说到统合，有一种观点认为：理论物理学发展至今，正在越来越明显地朝“大统一”（Grand Unification）的方向趋近，最终将在超弦理论或其他“终极定律”的统驭下形成一个清晰整全的体系。您对此持何看法？从科学史的角度看，这种大统一会是物理学的尽头吗？

李淼：关于大统一这个方向，按照我过去几十年的观察，应该是正确的。我相信物理学中的各种理论框架和现象在本质上是统一的，并且科学史的发展也在验证这一点。比如我刚刚几次提到的对量子纠缠的研究，就为统一量子力学和广义相对论提供了一种潜在的可能。至于物理学是否有尽头，我本人不愿轻易下结论——这实在是一个太过宏大的话题了。

三联生活周刊：随着近年来商业化航天项目的兴起和一系列科幻电影的热映，“星际旅行”越来越成为大众关注的话题。在星际飞船的动力构想中，除去我们熟悉的核裂变、核聚变以及太阳能外，还包含反物质，即利用湮灭现象产生的粒子束作为飞船的动力，可以有效缩短飞行时间。在您看来，这个方案最大的难点何在？

李淼：最大的难点在于我们很难积聚起足够数量的反物质。因为反物质在自然界中极少存在，否则将酿成巨大的灾难;它只存在于高能宇宙射线当中。目前人工制造反物质的方法是用加速粒子轰击固定靶产生反粒子，然后减速合成，生成速率极低;把全球已经制造出的全部反物质加起来，它们经由湮灭过程产生的能量可能还不足以将一枚灯泡点燃一个月。因此，指望在几十年内制造出以反物质为动力的飞船是不现实的。相比之下，核聚变反应堆或许是一种更富现实意义的方案，但实现可控热核聚变同样也还有很长的路要走。

在我个人看来，排除那些琐碎的、充满不确定性的技术细节，从根本上说，航天事业的前景取决于人类如何利用能量，这种利用又能达到何种程度。尽管自农业革命以降，人类知识和技术的指数式增长已经把每两次科技革命之间的间隔期逐步缩短到了一二十年，但因为未必每一次科技革命的重点都在能源领域，所以变化依然是缓慢的、渐进的。例如离我们最近的一次变革，其重心就在IT行业，它在能源领域并没有掀起太大波澜。

按照我的估计，恐怕要到50年或100年之后，人类才能将地球上现有的自然能源（不包括可控核聚变）完全地、有效地利用起来，从而达到俄罗斯天体物理学家尼古拉·卡尔达肖夫所说的“Ⅰ类文明”的层次：控制行星级规模的资源。但在Ⅰ类文明之上还有Ⅱ类文明和Ⅲ类文明，其所控制的资源量分别需要达到一颗恒星以及整个太阳系的规模。人类需要首先前进到Ⅰ类文明阶段，再花200年左右的时间迈过Ⅱ类文明的门槛，随后才能具备实现星际旅行的条件。这有赖于长期的、持续的努力。

三联生活周刊：自上世纪70年代“阿波罗计划”结束、美苏太空竞赛告一段落以来，各国在载人航天器的研发和使用方面似乎更倾向于完善既有的技术，突破性的成果却不多，全球载人航天事业的规模和力度甚至还不如六七十年代。您是如何看待这种状况的？您认为未来20年内会出现大的变化吗？

李淼：删繁就简来看的话，载人航天器研发、乃至整个航天事业的进步，需要依赖能源和材料科学的发展。而在可见的20年里，材料领域的进步或许会更快一些，能源方面是否会取得很大突破则完全无法下结论。如果不能取得方便和便宜的能源，单凭一两个国家政府的热情是很难将“烧钱”的载人航天项目长期推进下去的。

依然可以用最近的一次科技变革——IT革命的例子作为参照系。IT行业的发展与著名的“摩尔定律”相吻合：每隔大约24个月，微处理器的性能将提高一倍，原有产品的价格将下降50%。而载人航天经历了半个多世纪的发展，依然没能实现有效的成本控制：一名宇航员完成一趟往返国际空间站的任务，单价依然超过1亿美元。这当中最主要的支出，始终是在动力部分。只有出现了廉价、高效的全新航天能源，才有可能显著降低成本。

三联生活周刊：您刚才提到的一系列估计和预期，似乎都是以相当长的时间段作为尺度的，短则数十年、长则百余年。这或许合于一位科学家的认知，而与一般人的印象不同。那么您是怎样看待人类历史的呢？

李淼：如果我们把这个“历史”的主体限定为个人，那么它的意义和价值都是极其有限的。即使放大到全人类，由于人类及其居住的地球最终将难以避免消亡的命运，也可以说历史是有穷尽的、不存在终极意义的。但我依然认为人类这种生命及其存在的过程并不是彻底虚无的：因为藉由人类的探索和认知，它所寄存的这个宇宙实现了反观自身和理解自身;不仅如此，人类还能发现和理解自身存在的现象以及规律。这才是人类历史的真正价值所在——哪怕它只有几百万年的总长度，哪怕它所创造的那些“硬质”文明（城市、建筑）在须臾之间就将湮没。

三联生活周刊：哈佛大学政治哲学家哈维·曼斯菲尔德（Harvey Mansfield）写过一篇著名的文章《人文知识能对科学说什么》。作为一名自然科学研究者，您觉得科学又能对人文知识说什么？

李淼：应该说，自然科学能为人文科学提供的帮助和素养不仅很多，而且意义深远。上世纪最重要的三大自然科学发现——量子论、相对论和人类DNA遗传结构，都在很大程度上颠覆了我们既有的历史观和宇宙观。相对论修正了我们关于时空绝对性的成见，开启了探索时空关联性和时间流速的新视野;量子论推翻了过去的机械决定论;DNA同样具有开创性意义。更重要的是，在宏观层面，人文科学中被奉为圭臬的某些论断和逻辑结构，本质上是对过往的牛顿力学体系以及古典宇宙论的模仿，而后者在自然科学研究中已经被颠覆或刷新了，在人文学科领域却没有获得相应的反馈和映射。这是人文知识可以从自然科学中获得更多养分的方向。

三联生活周刊：您对像《三体》这样的科幻文艺作品兴趣很浓厚，今年还出版了一本《〈三体〉中的物理学》。作为科幻文学的阅读和评论者，您认为中国科幻文学还存在哪些不足或者说可以提升的地方？

李淼：首先，除了像刘慈欣这样的个别作家以外，大部分国产科幻文学在故事性方面存在欠缺。这一点甚至比科幻要素更加重要——只有先讲好一个故事，才有可能吸引到读者。其次，想象力（我指的是合乎基本科学逻辑的想象力）的匮乏也是一个大问题。因为大部分科幻文学作者对基础物理、计算科学乃至最前沿的认知科学了解相当有限，其想象力的驰骋，到最后往往变成了毫无科学依据的想入非非;而《三体》能够获得成功，很大一部分原因是刘慈欣对物理学的了解非常全面，故而能合理地延伸其思维和笔触，不至于变成玄幻。