諾貝爾獎得主、理論物理學家和作家弗蘭克·維爾切克被宣佈為 2022 年坦普爾頓獎的獲得者，該獎項價值超過 130 萬美元。約翰·坦普爾頓基金會的新聞稿稱，該年度獎項旨在表彰那些“利用科學的力量來探索宇宙最深刻的問題以及人類在宇宙中的位置和目的”的人。之前的獲獎者包括簡·古道爾、馬塞洛·格萊澤和馬丁·里斯等科學家，以及特蕾莎修女和德斯蒙德·圖圖等宗教或政治領袖。
維爾切克獲得諾貝爾獎的工作可以追溯到 1970 年代初期，當時他和兩位同事設計了一種理論，描述了被稱為夸克的基本粒子的行為——這一壯舉對於建立粒子物理學的標準模型至關重要。他還提出了多種新粒子和實體的存在。其中一些，例如“時間晶體”和“任意子”，此後已被發現，並且似乎有望用於開發更好的量子計算機。維爾切克的另一個預測——“軸子”——尚未得到證實，但它是暗物質的主要候選者，暗物質是被認為構成宇宙中大部分質量的隱形物質。他也是一位多產的作家，在他最近的著作中，他將自己作為物理學家的工作與他對現實內在美的思考聯絡起來，認為我們的宇宙體現了最數學上優雅的結構。
大眾科學 與維爾切克談論了科學與靈性之間的相互作用、最近關於標準模型可能“被打破”的報道，以及他最新的研究，包括尋找假設粒子和下落的貓的物理學。
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[以下是採訪的編輯稿。]
祝賀您獲得坦普爾頓獎。這個獎項對您意味著什麼？
我探索性的、基於科學的努力來解決通常被認為是哲學或宗教的問題正在產生共鳴。我對此非常感激，並且我已經開始思考這一切意味著什麼。
對我來說，一種“精神”覺醒是體驗到與自然對話的可能性——自然“回應”，有時會讓你感到驚訝，有時會證實你所想象的。最初在紙上的模糊希望和概念變成了實驗性建議，有時甚至是對世界的成功描述。
您現在不認同任何特定的宗教傳統，但在您 2021 年出版的著作 Fundamentals: Ten Keys to Reality 中，您寫道：“在研究世界如何運作時，我們正在研究上帝如何運作，從而瞭解上帝是什麼。”您是什麼意思？
在普通文化中，“上帝”這個詞的使用非常隨意。人們可以用它來表達完全不同的事物。對我來說，統一的主線是進行宏大的思考：思考世界如何運作，它是什麼，它是如何產生的，以及所有這一切對於我們應該做什麼意味著什麼。
我選擇學習這個部分是為了填補當我意識到我再也不能接受對我青少年時期意義重大的天主教會的教條時留下的空白。這些教條包括關於事物如何發生的說法，這些說法尤其難以與科學調和。但更重要的是，世界比聖經中的部落主義描述更大、更古老、更陌生。關於倫理和對社群的態度，我確實發現有些說法很有價值，但它們不能被視為來自“高處”的宣告。我認為我現在已經積累了足夠的智慧和人生經驗，可以真正洞察一切。
您能否給我舉一些具體的例子，說明您現在擁有但在早期科學職業生涯中沒有的智慧如何影響了您的觀點？
“互補性”指出，您不能使用單一的畫面來回答所有有意義的問題。您可能需要非常不同的描述，甚至是相互不可理解或表面上矛盾的描述。這個概念對於理解量子力學絕對是必要的，例如，您無法同時預測電子的位置和動量。當我第一次接觸玻爾關於將互補性擴充套件到量子力學之外的想法時，我並沒有留下深刻的印象。我認為這簡直是胡說八道。但我逐漸意識到，這是一個更普遍的智慧，可以促進寬容和思想擴充套件。還有一種科學態度，即開放和誠實可以讓人們茁壯成長。增強科學家效率的方法是與他們正在做的事情建立一種充滿愛的關係，因為這項工作可能會令人沮喪，並且需要投入精力學習一些相當枯燥的材料。然後是美的教訓：當你允許自己發揮想象力時，世界會回報以美好的禮物。
您因在理解強相互作用力方面的工作而獲得了 2004 年諾貝爾物理學獎 的一半，強相互作用力將亞原子粒子束縛在原子核內。這項工作構成了標準模型的支柱的一部分。但標準模型當然是不完整的，因為它沒有解釋引力或暗物質或似乎正在推動宇宙加速膨脹的“暗能量”。因此，包括您自己在內的許多物理學家認為，我們最終會找到證據，使我們能夠構建標準模型的後繼者或擴充套件。今年 4 月，伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的物理學家宣佈，他們已測量出基本粒子 W 玻色子的質量 明顯重於標準模型的預測。這是否是一個令人興奮的跡象，表明 標準模型的統治即將結束？
我對此表示懷疑。這是一項令人印象深刻的工作，但它試圖高精度測量不穩定的粒子的質量，這種粒子以奇異的方式快速衰變。而且由於 W 玻色子具有有限的壽命，根據量子力學，它的質量存在不確定性。僅僅是測量如此複雜就令人懷疑。然後，更嚴重的是，結果不僅與理論計算不符，而且與之前的實驗測量結果也不符。如果有一個令人信服的理論假設表明 W 玻色子質量應該存在這種差異，但所有其他測試都沒有其他差異，那將是太棒了。但事實並非如此。因此，對我來說，結論尚未確定。
您最近最成功的例子之一是 預測了 一種新型量子物質狀態的存在，您將其稱為“時間晶體”，因為它的粒子表現出重複性行為——就像擺動的鐘擺——但不消耗能量。您是如何想到這個想法的？
大約 10 年前，我準備教授一門關於對稱性的課程，我想，“讓我們不僅僅考慮 3-D 中的晶體對稱性；讓我們考慮在時間上具有周期性的晶體。”基本上，時間晶體是自組織的時鐘，它們不是人為構建的，而是自發產生的，因為它們想成為時鐘。現在，如果你有自發想要移動的系統，這聽起來很危險，就像永動機一樣，這讓物理學家望而卻步。但我的職業生涯中曾多次被注入信心，所以我並不害怕，並在天使不敢涉足的地方跳了進去。我最初想稱之為“時間平移對稱性的自發破缺”，但我的妻子貝齊·德瓦恩說：“什麼鬼？！”所以它們就變成了時間晶體。
時間晶體現在已經在 實驗室中 和 量子計算機中 創建出來。它們可能有什麼用？
最有希望的應用是製造更新、更好、更便攜、更堅固的時鐘。製造精確的時鐘是物理學中的一個重要前沿領域；例如，[它們] 用於 GPS。製造對量子力學友好的時鐘也很重要，因為量子計算機需要相容的時鐘。
您有一種起朗朗上口的名字的習慣。早在 1970 年代，您就提出了一個 假設的新粒子，您稱之為“軸子”——靈感來自洗衣粉——因為它的存在將清理粒子物理學工作中一個混亂的技術問題。從那時起，其他物理學家提出，軸子如果存在，就具有構成暗物質的合適特性。尋找軸子的進展如何？
軸子超級令人興奮。一開始我完全沒想到該理論被完美地設計用來解釋暗物質，但這種可能性越來越受到重視。部分原因是，對其他主要暗物質候選者（所謂的 WIMP（弱相互作用大質量粒子））的搜尋一無所獲，因此相比之下，軸子看起來更好。在過去幾年中，出現了一些真正有希望的探測暗物質軸子的想法。我與斯德哥爾摩大學的研究人員亞歷克斯·米勒和馬特·勞森共同提出了一個想法，該想法 使用了一種“超材料”——一種經過工程設計以特定方式處理光的材料——作為軸子的“天線”。ALPHA 合作組織 已經測試了原型，我持樂觀態度，甚至接近確信，在 5 到 10 年內，我們將獲得明確的結果。
“軸子”現在已收錄在牛津英語詞典中。當你進入 OED 時，你就知道你成功了。
您還創造了另一種新粒子“任意子”的名稱。標準模型允許兩種型別的基本粒子：“費米子”（包括電子）和“玻色子”（例如光子）。任意子是第三類“準粒子”，它透過某些量子系統中電子群體的集體行為而出現。您 早在 1984 年就預測了這一點，但直到最近幾年才 被證實。關於任意子的最新訊息是什麼？
我以為驗證你可以擁有任意子只需要幾個月的時間，但實際上花了將近 40 年。在那段時間裡，實際上有成千上萬篇關於任意子的論文，但實驗性的論文卻很少。人們也意識到任意子可以用作儲存資訊的方式——並且這有可能在工業規模上生產——從而產生了“拓撲量子計算”領域。中國已經進行了 原型實驗，微軟也進行了認真的投資。上個月，微軟 宣佈 他們已經 製造出我們需要的任意子型別 ，以便以認真的方式啟動量子計算應用。因此，所有這些成千上萬篇理論論文最終都與實際現實甚至技術建立了聯絡。
您顯然有創造物理學領域突破性概念的天賦。您還有其他正在醞釀的革命性想法嗎？
是的，但我不想透過在這裡隨意提及它們來破壞它們的運氣！不過，我會告訴你一些我正在做的有趣的事情：有一個抽象的數學概念叫做“規範對稱性”，它是粒子物理學的基礎。這是一個強大的工具，但它為什麼存在仍然是個謎。一個有趣的觀察是，當你嘗試計算貓從樹上掉下來如何設法用腳著地，或者潛水員如何避免腹部著地時，也會出現規範對稱性。我和 [物理學家] 艾爾·沙佩爾 在 30 年前就意識到了這一點，但在最近的工作中，我一直在幾個方向上推廣它。這非常有趣——而且它可能會變得深刻。
最後，您對社會未來有什麼長期的希望？
縱觀宏大的歷史，這增強了宇宙樂觀主義。我喜歡說上帝是“正在進行中的工作”。從日常來看，你可能會遇到倒退——疫情、戰爭——但如果你看看總體趨勢，它們是非常積極的。事情可能會出錯，例如核戰爭或生態災難，但如果我們作為一個物種保持謹慎，我們就能擁有真正輝煌的未來。我認為，在我餘生中，我的使命之一是努力引導人們走向值得我們機遇的未來，而不是偏離軌道。