2020年諾貝爾物理學(xué)獎得主羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）曾在2009年接受國際聞名的科普雜志“Discover”的采訪，談及多個話題，包括他的家庭，著名的彭羅斯鑲嵌和埃舍爾的淵源，以及他對量子力學(xué)的“反對”。即便到了遲暮之年，彭羅斯也一直富有革命精神，不斷提出新穎的理論或看法，其中就包括對量子力學(xué)的思考。

撰文?|?Susan Kruglinski

翻譯?|?Davon

圖片來源：Oliver Chanarin拍攝

物理學(xué)界最偉大的思想家之一說，人類的大腦以及宇宙本身一定是以某種我們?nèi)晕窗l(fā)現(xiàn)的理論運(yùn)作的。

羅杰·彭羅斯語出驚人，但是他確實(shí)有這個資格。作為一個理論學(xué)家，彭羅斯的名字與霍金、愛因斯坦等巨人聯(lián)系在一起，他對物理學(xué)、數(shù)學(xué)和幾何學(xué)做了許多基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。他重新解釋廣義相對論以證明了垂死的恒星可以形成黑洞。他發(fā)明了扭量理論（Twistor theory），一種理解時空結(jié)構(gòu)的新方法，使我們對引力本質(zhì)有了更深層次的理解。他還發(fā)現(xiàn)了一類名為彭羅斯鑲嵌（Penrose tiling）的著名的幾何形式。除此之外，他還是一個業(yè)余的腦科學(xué)研究者，提出了一個引人深思的理論：他認(rèn)為意識產(chǎn)生于量子過程，并寫了一系列的易讀的科學(xué)暢銷書。
已經(jīng)78歲高齡的彭羅斯目前是牛津大學(xué)數(shù)學(xué)研究所的榮譽(yù)教授，但他仍然過著低調(diào)而樸素的生活，就像他剛剛踏進(jìn)學(xué)術(shù)圈的時候那樣。他與另外6名教授擠在一個小辦公室里面，下班的時候你可能會發(fā)現(xiàn)，他會匆匆地離開去接他9歲的兒子。由于內(nèi)在的好奇心，他仍然想要證明自己，他思考著各種最基本的問題：宇宙是怎么誕生的？時空有沒有更高的維度？理論物理中的前沿理論——弦論——究竟有沒有意義？
因?yàn)樗惠呑佣荚谂c復(fù)雜的計算打交道，所以彭羅斯比那些剛剛開始學(xué)術(shù)生涯的科學(xué)家們要更具洞察力和判斷力。他堅持認(rèn)為，為了弄清一切的真相，物理學(xué)家們必須將自己的注意力放在那些最大的謎團(tuán)上面：支配基本粒子的規(guī)律與支配那些由粒子組成的宏觀物體的規(guī)律之間的關(guān)系。在他與Discover的特約編輯Susan Kruglinksi的談話中，彭羅斯毫不畏縮地質(zhì)疑了現(xiàn)代物理中的核心原則，包括弦論和量子力學(xué)。彭羅斯認(rèn)為物理學(xué)家永遠(yuǎn)不會了解宇宙的終極理論，除非他們能透過今天那些不成熟理論的表象，看到我們所生活的客觀世界的最深層的實(shí)在。
Q：你的家族中出了許多有成就的人，是不是？
彭羅斯：我的哥哥是一個著名的理論物理學(xué)家，是皇家學(xué)會的會員。我的弟弟曾經(jīng)獲過10次英國象棋比賽的冠軍，這也創(chuàng)下了一個記錄。我的父親出生于一個貴格會的家庭。他的父親是一個職業(yè)肖像畫畫家，常畫一些宗教題材，非常傳統(tǒng)。我的家庭家風(fēng)很嚴(yán)。我們甚至不被允許看小說，當(dāng)然更不能在星期天的時候看。我父親那輩兄弟4個人，都是很優(yōu)秀的藝術(shù)家。其中一個在藝術(shù)界很出名，羅蘭爵士（Sir Roland）。他也是倫敦的當(dāng)代藝術(shù)研究所（ICA）的建造者之一。我父親是一個人類遺傳學(xué)家，他因證明了分娩時年齡較大的母親其孩子更容易得唐氏綜合癥，而受到了廣泛的認(rèn)可。但是他對許多其他門類的科學(xué)也有濃厚的興趣。
Q：你父親對你的思維方式有什么影響？
彭羅斯：關(guān)于我父親，一件很重要的事就是工作和興趣并不是分開的，這對我影響很大。他常會給自己的孩子和孫子出題、做玩具。他以前還有一個小木工棚，在那里他用腳踏鋸做木工。我記得有一次，他做了一把由12塊不同的木楔組成的計算尺，這些木楔形狀各異，可以以復(fù)雜的方式將它們組合起來。在他的后半生中，他花了大量的時間來制造這些可以不斷復(fù)制的模型，即現(xiàn)在所謂的人工生命（Artificial life）。這些簡單的模塊很特別，當(dāng)它們組合起來后，若想拼貼一些新的模塊上去就必須采用同樣的組合模式。他在木工棚中做了大量的這類模塊。
Q：所以可以說是你父親啟發(fā)了你發(fā)現(xiàn)了彭羅斯鑲嵌，這種以五重對稱性不斷重復(fù)的幾何形狀來覆滿整個平面？
彭羅斯：這件事情說來有點(diǎn)傻。我記得大約在我9歲的時候，我問他，你能不能用通常的正六邊形組合成一個像球面一樣的閉合面？他說，“不，這是不可能的，但是你可以用五邊形來做?！彼嬖V了我如何構(gòu)造多面體，所以我是從那個時候開始的。
Q：彭羅斯鑲嵌有什么實(shí)際作用，還是僅僅是一些美學(xué)價值？
彭羅斯：我對這種鑲嵌的興趣與以下想法有關(guān)：我認(rèn)為宇宙一定是由一些非常簡單的力所支配的，即便我們看到的世界處處那么復(fù)雜。這種鑲嵌遵循著一種既定的規(guī)則不斷“衍生”，最終形成一些非常復(fù)雜的模式。這只是一種嘗試，透過它我們希望能了解一些極其簡單的原理是如何構(gòu)造我們所看到的這個復(fù)雜的世界。
Q：藝術(shù)家埃舍爾（M. C. Escher）曾受到你獨(dú)創(chuàng)的幾何圖形的影響嗎？這里有什么故事？
彭羅斯：在劍橋讀研究生的第二年，我參加了在阿姆斯特丹召開的國際數(shù)學(xué)家大會。我記得在那里見到了一個我很熟悉的演講者，他手里有本冊子。它的封面就是埃舍爾的畫《晝夜》（Day and Night），畫里的鳥兒在向著相反的方向飛行。景色的一邊是黑夜，另一邊是白晝。我記得被它迷住了，于是就問他是從哪里搞到的。他說，“噢，有個叫埃舍爾的畫家在舉辦一個展覽，也許你會感興趣。”

埃舍爾《晝夜》
所以我去了那里，然后就被這些不同于任何我所見過事物的詭異而奇妙的畫面深深地吸引了。我決定嘗試自己畫一些不可能的景致，結(jié)果就想出了這個被稱作為不可能三角（tri-bar）的東西。這是一個看上去像是三維物體的三角形，但事實(shí)上它不可能是三維的。我將它拿給父親看，他也畫出了一些不可能存在的建筑物和其他東西。后來我們就這些圖案在《英國心理學(xué)雜志》（British Journal of Psychology）上發(fā)表了一篇文章，還對埃舍爾表示了感謝。

彭羅斯三角
Q：埃舍爾是否看過那篇文章，是否從中汲取了靈感？
彭羅斯：他用了文章里的兩樣?xùn)|西。一個就是那個三角形，用在了他那幅名為《瀑布》的版畫里。另一個是不可能的樓梯，這是我父親設(shè)計并畫出來的。埃舍爾將它用在了《上與下》那幅畫中，畫里僧侶們繞著樓梯一圈一圈地轉(zhuǎn)。我與埃舍爾見過一面，我給了他一些可以拼成一個重復(fù)圖案的拼塊，不過非要12塊拼在一起才能成功。他去拼了，后來給我來信問是怎么辦到的——基于什么原理？于是我給他看了已拼成重復(fù)圖案的一種鳥的圖形。他將其融入了一幅名為《幽靈》的作品，我相信這是他的最后一部作品。

埃舍爾《瀑布》（Waterfall）

埃舍爾《上與下》（Ascending and descending）

埃舍爾《幽靈》（Ghosts）
Q：你在小時候數(shù)學(xué)不太好，這是真的嗎？
彭羅斯：我確實(shí)很慢，慢到讓人無法想象。我小時候在加拿大住過大概6年時間，那時正是戰(zhàn)爭時期。當(dāng)時我8歲，在課上我們必須很快地完成一些心算，對我來說那速度太快了，我總是算錯。因此老師不太喜歡我，他把我換到了一個稍差一些的班級中。那個班級的老師很有見地，他發(fā)現(xiàn)我考試成績?nèi)绱嗽愀夂?，決定不限定考試的時間。你喜歡做多久都可以。我們考的考卷都是一樣的。我被允許在考試結(jié)束后的活動時間中繼續(xù)答題。每個人都走出教室開心地玩耍著，而我仍在努力答題。即便如此，我有時甚至需要更長的時間，所以我至少比其他人要慢兩倍。最終，我都完成得不錯。你看吧，如果我可以慢慢來，我就能得高分。
Q：你曾說從現(xiàn)實(shí)世界去了解量子物理是沒有意義的。你所反對的是什么呢？
彭羅斯：量子力學(xué)是一個令人難以置信的理論，從原子的穩(wěn)定性開始，它可以用來解釋各種以前不能解釋的東西。但是當(dāng)你認(rèn)為這種怪異的量子力學(xué)在宏觀世界也適用的時候，你必須要放棄我們從愛因斯坦那里學(xué)到的時空觀。最奇怪的地方就是它會失效（譯者注：這里作者的意思是在宏觀的經(jīng)驗(yàn)世界中量子力學(xué)并不適用）。如果你遵循這些定律，你所得到的想法將是錯誤的。
Q：在量子力學(xué)中一個客體可以同時存在著許多狀態(tài)，這個聽起來有點(diǎn)瘋狂。這個世界的量子描述似乎與我們所經(jīng)歷的經(jīng)驗(yàn)世界完全相反。
彭羅斯：這確實(shí)沒什么道理，原因很簡單。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)分為兩個部分。一個是量子系統(tǒng)的演化，可以用薛定諤方程精確描述。這個方程可以告訴你：如果你知道一個系統(tǒng)現(xiàn)在的狀態(tài)，你可以計算得出這個系統(tǒng)接下來10分鐘內(nèi)將發(fā)生的事情。然而，量子力學(xué)的數(shù)學(xué)還有另一個部分，即你在做測量時候發(fā)生的事情。你用方程得出的是某種特定結(jié)果的幾率，而不是某一個單一結(jié)果。這種方式所得到的結(jié)果并沒有說明“世界當(dāng)時是怎樣的”。相反，它們僅僅描述了這個系統(tǒng)中其中某一事件的幾率。方程應(yīng)該以一種完全確定的方式描述這個世界，但是它沒有。
Q：埃爾溫·薛定諤創(chuàng)造了那個方程，他被認(rèn)為是一個天才。當(dāng)然他也意識到了那種沖突。
彭羅斯：薛定諤跟其他人一樣也意識到了這一點(diǎn)。他在談?wù)撍侵患傧氲呢埖臅r候說道，“好的，如果你相信我的方程，你必定相信那只貓在某一時刻既是死的又是活的。”他說，“這顯然是荒謬的，因?yàn)槭聦?shí)不可能如此。因此我的方程在貓身上肯定不適用。所以一定有一些其他的因素我們沒有考慮到?！?br>Q：所以薛定諤他自己也不相信這個貓的類比能反映現(xiàn)實(shí)世界的本質(zhì)？
彭羅斯：是的，我想他自己已經(jīng)說明了這點(diǎn)。三位量子力學(xué)中的大人物，薛定諤、愛因斯坦和保羅·狄拉克，從某種程度上來說，他們都是量子論的懷疑者。狄拉克看起來最出乎意料，因?yàn)榱孔恿W(xué)的整個基礎(chǔ)和框架都是他建立的。人們認(rèn)為他是量子力學(xué)堅定的支持者，但是他說話卻很謹(jǐn)慎。當(dāng)他被問道，“測量問題的答案是什么？”他回答說，“量子力學(xué)只是一個暫時性的理論。我為什么要在量子力學(xué)中尋求答案呢？”他不相信那是正確的，但是他不會過多地談?wù)撨@個。
Q：至今，薛定諤的貓類比仍被認(rèn)為是一種奇怪的實(shí)在，我們不得不去接受。這個概念不是推動了許多今天理論物理中的想法嗎？
彭羅斯：是的。人們不想去改變薛定諤方程，這就導(dǎo)致了量子力學(xué)的“多世界”詮釋。
Q：那種詮釋認(rèn)為所有的概率分布在各個平行的宇宙中？
彭羅斯：這樣說也行，那只貓是既死又活的。觀測那只貓，你必定看到的是兩種狀態(tài)的疊加態(tài)（同時存在著兩種狀態(tài)），一種狀態(tài)是你看到了一只活的貓，一種是你看到了一只死的貓。當(dāng)然，我們似乎沒有經(jīng)歷過這些，所以物理學(xué)家們不得不說，好吧，不知什么原因，你感覺不到你的意識是選擇了哪條路。你被導(dǎo)向了一個完全瘋狂的觀點(diǎn)即“多世界”這類東西，而它與我們真正感知的東西沒任何關(guān)系。
Q：平行宇宙——多世界——是一個非常以人為中心的想法，好像一切都必須從我們五種感官所能感知到的角度來理解。
彭羅斯：問題在于，對此你能做什么？什么都不行。你需要一個物理理論來描述這個我們周圍的世界。物理學(xué)一直以來都是：解釋我們所看到的是怎樣的世界，為什么會這樣，它是如何運(yùn)作的。多世界量子力學(xué)并不是這樣的一個理論。要么你接受這種觀點(diǎn)并試著了解它，就像很多人做的那樣；或者像我一樣，對此持否定態(tài)度——它已經(jīng)超過了量子力學(xué)能告訴我們的極限了。那是一種極為非常規(guī)的假設(shè)。我個人的觀點(diǎn)是，量子力學(xué)并不是完全正確的，而且我認(rèn)為有很多證據(jù)可以證明這一點(diǎn)，只不過在以現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ο挛覀儫o法給出直接的證據(jù)。
Q：總的來說，理論物理中的想法聽起來是越來越玄乎了。弦論就是個例子。所有那些關(guān)于11維時空或者我們宇宙嵌在一個巨型膜上的討論聽起來都非常離奇。
彭羅斯：你說的完全正確。從某種意義上來說，我認(rèn)為量子力學(xué)是“罪魁禍?zhǔn)住保驗(yàn)槿藗冋f，“量子力學(xué)在直覺上是完全不可理解的，但是如果你相信它是對的，你便能接受任何‘不可理喻’的事情?！钡?，量子力學(xué)有大量的實(shí)驗(yàn)可以做驗(yàn)證，所以你必須能符合這些實(shí)驗(yàn)。而弦論沒有任何的實(shí)驗(yàn)支持。
Q：我知道你在你的新書中闡述了對量子力學(xué)的評價。
彭羅斯：這本書的名字是《新物理狂想曲》（Fashion, Faith and Fantasy in the New Physics of the Universe，于2016年出版，參見《從3C到3F，彭羅斯的物理時尚丨展卷》）。其中每一個詞都代表了一種主要的理論物理學(xué)觀點(diǎn)。時尚代表著弦論；幻想代表著各種宇宙圖景，主要指的是暴脹宇宙（它假設(shè)在大爆炸之后很短的時間內(nèi)宇宙經(jīng)歷了一次指數(shù)式的膨脹）。這些東西在現(xiàn)代理論物理中都占有極重要的地位，攻擊它們幾乎都成了大不敬的事情了。而另一個更加夸張的則是量子力學(xué)，它在各個方面都不容侵犯，它已經(jīng)成了信仰。不知何故，人們認(rèn)為它是不能受到質(zhì)疑的。
Q：幾年前你說是引力分離了經(jīng)典世界和量子世界。有沒有人對量子力學(xué)做過這類檢驗(yàn)？
彭羅斯：雖然這個想法聽起來挺令人振奮的，似乎應(yīng)該有很多人會著手研究它，但是事實(shí)上沒有。它被認(rèn)為是一個不切實(shí)際的想法，是人們在老了退休后可以考慮的另類的想法。好吧，我現(xiàn)在老了，退休了！但是這個想法沒能成為物理學(xué)的主流，占據(jù)中心地位，我感到挺遺憾的。
Q：在牛頓和愛因斯坦之后，人們思考宇宙的方式都發(fā)生了改變。當(dāng)人們解決量子力學(xué)謎團(tuán)之時，會不會帶來一場新的思維上的革命？
彭羅斯：這個很難說。歐內(nèi)斯特·盧瑟福當(dāng)時還說他的原子模型不會有什么作用（但是，它后來導(dǎo)致了核物理和原子彈）。但是，我很肯定，解決量子力學(xué)謎題將會產(chǎn)生巨大的影響，諸如量子力學(xué)是如何應(yīng)用在生物學(xué)中等。最終，它很可能以各種我們想象不到的方式，導(dǎo)致一個完全不同的理論。
Q：在你寫的《皇帝新腦》中，你認(rèn)為意識是大腦細(xì)胞內(nèi)部的量子行為。20年過去了，你現(xiàn)在還是那么認(rèn)為嗎？
彭羅斯：我認(rèn)為有意識的大腦活動并不遵循經(jīng)典物理。它甚至不依照傳統(tǒng)的量子力學(xué)活動。描述它活動方式的理論我們現(xiàn)在仍不知道。這話聽起來口氣有點(diǎn)大，但是我覺得這與威廉·哈維（William Harvey）發(fā)現(xiàn)血液循環(huán)系統(tǒng)時的情況有點(diǎn)相像。他通過計算發(fā)現(xiàn)血液必須循環(huán)的，但是靜脈和動脈在其末端越變越細(xì)，漸漸消失，那么血液是如何從動脈流向靜脈的呢。哈維說，“好的，一定有一些極小的血管。我們無法發(fā)現(xiàn)它們，但它們一定存在?！蹦菚r并沒有人相信。所以我仍然希望能發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)自洽的東西，因?yàn)槲蚁嘈潘鼞?yīng)該存在。
Q：當(dāng)最終物理學(xué)家了解量子物理核心的時候，你認(rèn)為這個理論看起來應(yīng)該是什么樣子的？
彭羅斯：我想這個理論應(yīng)該很美。

本文原載于《世界科學(xué)》（2009.12），原文譯自Discover, Susan Kruglinski and Oliver Chanarin, Roger Penrose Says Physics Is Wrong, From String Theory to Quantum Mechanics原文地址：https://www.discovermagazine.com/the-sciences/discover-interview-roger-penrose-says-physics-is-wrong-from-string-theory?！斗禈恪房l(fā)時對譯文進(jìn)行了修訂，埃舍爾作品圖為編者所加。