這段訪談由物理學家兼哲學家 Sean Carroll 主講,概述了物理學的核心思想、兩次革命性轉變(經典力學與量子力學/相對論)、以及現代物理面臨的主要問題與方法論。重點如下:
理想化與物理學的方法:物理學家習慣把複雜的現實化約為簡單模型(例如「球形牛」),這種抽象與化簡在物理上非常成功,但在其他學科(心理學、生物、政治)未必適用。
經典力學與決定論:牛頓建立的經典力學提供了可逆且決定性的描述(Laplace 想像的「惡魔」),理論上若知曉宇宙每個微觀粒子的位與速,可預測過去與未來。實務上資訊有限,形成哲學上的相容主義(compatibilism):雖然微觀可能決定論,但在不完全資訊下把人視為能做選擇的代理是合理且必要的。
電磁學到相對論:麥克斯韋方程帶出恆定光速的概念,導致時空觀念的重整。愛因斯坦在特殊相對論中把時空合併為四維時空(Minkowski),不同觀察者會不同切分空與時。廣義相對論進一步把重力視為時空彎曲,質能會改變幾何,行星運動、黑洞等自然由此描述。
時間之箭與熱力學:基本物理法則在微觀上對過去與未來對稱,但世間存在時間方向性(記憶、不可逆性),源於熵隨時間增加與宇宙的低熵初始狀態(為何是低熵仍是宇宙學未解之謎)。
量子革命:19 世紀末看似接近完成的圖景被一系列實驗(黑體輻射、電子軌道穩定性等)打破,1920s 建立的量子力學徹底改寫觀念:粒子同時具有波與粒子性、波函數(Schrödinger)用來計算機率(Born 規則),但測量在理論中的角色引出「測量問題」與對「何為測量/塌縮」的爭論。
量子糾纏與不可視化的複雜性:多體系統的波函數可以互相糾纏,導致非局域相關性(測量一端立即改變整體描述),使得直觀可視化變得困難,但數學工具能處理這些高維結構。
量子場論與場為本質:將量子規則套用到場(電磁場、電子場等)得出量子場論:場的離散振動對應我們實驗上看到的「粒子」。場有兩類統計行為:玻色子(可堆疊)與費米子(受泡利不相容原理限制,導致物質佔有空間)。
標準模型與我們所知的粒子:現代粒子物理整理出六種夸克、六種輕子(含三代家族)、以及傳遞力的玻色子(光子、膠子、W/Z)與希格斯場。2012 年發現希格斯玻色子,標準模型在實驗室內的預測準確度極高,但仍缺乏暗物質等天文證據的解釋。
層次性與湧現:物理有不同層次:基本場/粒子構成原子,原子表現化學性質,化學構成生物,……每一層有自己的有效描述(emergence)。儘管理論上從核心理論(廣義相對論 + 標準模型)可還原高層現象,實務上並不實用/必要。
未解的關鍵問題:要統一量子力學與重力、理解黑洞與宇宙大爆炸的量子重力,是當代最重要的問題。弦論曾被視為有希望的候選者,能自然包含重力,但至今仍未產生可驗證的實驗預測。
實驗是關鍵:理論空間龐大,唯有意外的實驗結果能真正指引新方向;因此需要更大更靈敏的實驗設備。現今基本理論與觀測高度吻合,反倒讓突破難度提高。
計算與 AI 的角色:電腦、量子電腦與 AI 將是強大的工具(數值計算、定理證明、資料分析),但在短期內不太可能自動帶來重大的概念性突破——因為創造性往往來自於提出問題與直覺性重組,而非僅解已定義問題。
量子基礎與意識:有人主張意識與波函數塌縮有關,Carroll 認為不太可能,傾向於意識從物理過程中湧現。但他也強調量子基礎(measurement problem)值得被更多聰明人持續研究,因為目前並無共識。
科學的共同創造性:重大發現通常是多人與社群的結果,而非單一偉人。Newton、Einstein 等人固然關鍵,但他們的成果仰賴當時的數學、實驗與同儕交流;科學進步也需要良好的社會與合作環境。
總結:Carroll 強調物理學既是發現世界的理論工具,也是特定的思考方式。現有的「核心理論」非常成功,但並非終點;重要的未解題(量子重力、暗物質、宇宙初始條件、量子基礎)仍需新實驗、創意理論與跨領域合作來推進。
沒有留言:
張貼留言