量子力学不应止步于随机性——2025基础物理学特别突破奖得主’t Hooft访谈
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图片来源：WammesWaggel/wikipedia
在获得了世界上最高奖金的科学奖之后，理论物理学大师Gerard’tHooft回顾了他的科学生涯并展望物理学的未来；他也分享了他思考问题的方法；特别地，他谈到他对量子力学发展现状的某些不满。（译者注：在访谈的后半部分，’tHooft分享了他对量子力学的一些独特见解。诚然，他的观点建立在深入的学术思考基础上，然而，我们希望读者在阅读时理解，这些观点是’tHooft个人的学术探索，而非现阶段科学界的共识。）
撰文|LeeBillings
翻译|李磐
审校|王昱
在现代物理学的殿堂中，鲜有人能和赫拉德·特·霍夫特（Gerard’tHooft）的低调权威相比拟。这位来自荷兰的理论物理学家，如今是荷兰乌特勒支大学的荣休教授。在过去半个世纪中，他都在致力于重塑我们对现实世界中基本相互作用的理解。特霍夫特谦逊而温和的谈吐，往往掩盖了他在科学界的崇高地位；他的声誉，更多体现在他工作中展现出的严谨数学推理和深邃物理洞察力——以及他所获得的一系列著名奖项：包括诺贝尔奖、沃尔夫奖、富兰克林奖章等在内的众多殊荣，无不见证了他的卓越成就。
4月5日，他获得了科学界奖金最丰厚的大奖：基础物理学特别突破奖，价值300万美元，以表彰他在漫长的职业生涯中对物理学做出的诸多贡献。
他最著名的发现——也是让他和他的博士论文导师、已故的马提努斯·维尔特曼（MartinusVeltman）一起获得1999年诺贝尔物理学奖的发现——对理解非阿贝尔规范理论重整化的理解。
特霍夫特和维尔特曼共同证明了非阿贝尔规范理论是可重整化的——也就是说，在计算过程中出现的一系列看似无法处理的无穷大项，其实可以通过自洽且精确的方法加以规范和控制。这项成果不仅解决了理论物理中的重大难题，更深刻地改变了科学发展的方向，并为后来建立粒子物理的主导范式——标准模型（StandardModel）奠定了坚实的基础。
除此之外，特霍夫特还取得了许多其他重大突破，难以在此一一详述。但其中几项尤为突出，堪称里程碑式的贡献，包括：他对夸克如何被束缚在质子和中子内部的机制的深入研究；他揭示了磁单极如何在高能条件下自然地从基本力的统一框架中涌现；以及他在黑洞物理方面的重要探索。
尤其值得一提的是，在20世纪90年代，他在黑洞领域的研究促成了他提出“全息原理”（holographicprinciple）。这一理论认为，一个三维空间中的所有信息，实际上可以被完整地编码在其边界的二维表面上，就像全息图那样。这一理念后来成为融合量子力学与爱因斯坦的广义相对论、构建统一的“量子引力”理论的核心思想之一，至今在理论物理界仍具有深远影响。
在接受《科学美国人》（ScientificAmerican）的采访中，特霍夫特谈到了他获得突破奖的感受、他对粒子物理未来发展的乐观态度、他对量子力学现状的某些不满，以及他那些颇具争议的理论所引发的科学与文化层面的深远影响。
[以下是经过编辑的采访实录。]
采访者：
看起来，您现在几乎已经拿遍了所有物理学界的重要奖项了。
霍夫特：
还有一些我还没拿到！不过，是的，我确实获得了不少奖项。让我稍微有点担心的是，这些奖几乎都是因为同一项成果颁发的。你会因为一项已经被广泛认可的工作接连不断地获奖，而与此同时，我在科学上还做过其他一些事情——只是这些工作不太为人所知，至少大众并不了解。不过无论如何，（基础科学）突破奖基金会在授奖时对我整个学术生涯做了一个总结，几乎把我所做过的所有工作都囊括进去了！
采访者：
是的，突破奖基金会总结了您的所有成果。但考虑到您已经获得了这么多奖项，这次的突破奖对您来说，是否只是锦上添花？您现在还会感到兴奋吗，还是说这一切已经变得有些习以为常了？
霍夫特：
我可以向你保证：没有“习以为常”这一说。每一个奖项都有不同的意义。最重要的当然还是诺贝尔奖，那是每年只授予极少数人的荣誉，确实非常特殊。但这一次的突破奖同样意义非凡——从字面上来说，这也是一个“很大”的奖项。
采访者：
正如您所提到的，这次奖项是对您整个科学生涯的认可，而不仅仅是某一方面的成就，比如您和维尔特曼在1970年代合作解释电弱相互作用的工作，这项成果让你们共享了1999年的诺贝尔物理学奖。当然，这项工作对后来的标准模型（StandardModel）的建立至关重要，标准模型如今被誉为人类迄今为止最经得起验证且最成功的科学理论。
不过，从某种程度上来说，标准模型也变得有些“令人失望”，因为它的多次实验验证促成了粒子物理学的危机，即研究进展放缓，科学家们似乎找不到突破的明显路径。标准模型在过去数十年中一直占据主导地位，这一点会让您感到担忧吗？
霍夫特：
完全不是这样。我认为，科学的发展中，我们不可能总是持续不断地产生无限的发现和新见解，这是很自然的。像我们现在在粒子物理学中所经历的这种时期，似乎一切都比较平静。举个例子，我刚看到欧洲核子研究中心（CERN）的新闻，他们在大型强子对撞机上，在新通道中检测到了CP对称性缺失的现象。这是一个非常重要的发现，但并不是颠覆性的。看起来，我们正处于这样一个时期，科学家在我所研究的领域做出了许多小的发现，这些发现本身非常令人高兴，因为它们让我们对事物的理解更加完整。但我认为，历史告诉我们，情况不会一直如此。将来会有更多根本性的发现，这些发现将再次改变我们对现象的认知。
几百年前，当麦克斯韦将电学与磁学结合起来时，以及后来马克斯·普朗克首次提出能量量子化的观点时，有过很长一段时间，看起来似乎并没有太多新的进展。但实际上，其他领域，如统计物理学和其他基础科学分支，仍然在不断发展。而无论是在过去还是现在，这些领域一直在稳定进步。看看现在的天文学，天文学家几乎时时都有重大发现，绝不能说是沉闷乏味的！随着望远镜变得更大更精确，以及他们运用越来越多的基础科学技术来提升分辨率，天文学家正在不断发现宇宙中的新奇事物。生物物理学和医学也是如此，几乎每天都有新的发现。
但在我的领域，您说得对，看上去似乎没有什么重大进展。我倒不这么认为。实际上，进展一直在发生，只不过进展的规模相对较小。
采访者：
那么，您是否乐观地认为这种情况会发生变化，我们将看到粒子物理学领域重大的发现复兴呢？
霍夫特：
这是一个非常好的问题，因为看起来我们似乎无能为力。如果情况发展成每一次新的突破都需要十倍甚至更大规模的实验设备、功率和成本的提升，那么显然我们不会超越现在的进展。我不能排除这样的困难会成为阻碍进步的可能性，但科学史表明，如果真是这样，进步将会在不同的方向进行。我们不仅可以考虑精度的提升，也可以探索完全不同的途径，比如宇宙学和黑洞物理学。
我想对新一代科学家们提个建议：不要为此担心，因为目前没有新进展的真正原因是，大家的思维方式都一样！
我对此有些困惑和失望。许多人依然沿用相同的思维方式——而现在人们尝试提出新理论的方式似乎效果并不好。我们有很多关于量子引力、统计物理、宇宙学的新理论，但它们在基本结构上并不“新”。人们似乎不敢于迈出那些我认为真正必要的大胆步伐。例如，我们看到每个人都将自己的新想法首先提交到arXiv预印本服务器，然后再投向期刊进行发表。在arXiv上，每年都有成千上万的论文出现，但没有一篇论文真正带来了那种伟大、闪亮的、能够改变局面的新洞见。当然，确实有一些启发性的见解，但它们并不是我们领域所需要的、能够带来基础性突破的见解。
我认为我们必须开始以不同的方式思考。而我一直保持着这样的态度——我在用不同的思维方式思考。特别是在70年代，有一种非常有效的方式可以推动进一步的进展：去用和你的朋友们不一样的方式思考，这样你就能找到新的发现！
我认为这依然是对的；然而，我现在年纪大了，不再能每周都有巧妙的新想法了。但从原则上讲，在进行量子力学、宇宙学或生物学等领域的探讨时，仍然存在一些脱离传统的方式。在我看来，人们的思考方式还不够新颖。
采访者：
您能举一个您所说的“新颖性”或“不同”的例子吗？
霍夫特：
当然。我对世界、对物理学、以及与物理学相关的其他学科的思考方式是，所有的东西应该更加合乎逻辑，更加直接，更加“接地气”。
许多人在写一些关于量子力学的论文时，喜欢在其中保留一些神秘感，好像这个领域有些奇异的东西，甚至近乎宗教般的性质。我认为这是完全错误的。量子力学是基于一种数学方法，用来描述非常普通的物理效应。我认为，物理世界本身是一个非常普通的、完全经典的世界。但即便是在这个完全经典的世界中，我们今天仍然有很多不知道的事情，在通往更深层次理解的道路上，我们还缺少一些关键的“阶梯”。
采访者：
什么样的“阶梯”？
霍夫特：
我说的这些“阶梯”是指利用这样一个事实——整个世界其实是非常简单和直接的。问题在于，世界在我们眼中依然显得复杂，这也是我们现在处于这种困境的原因。
您已经提到了标准模型，这个来自上个世纪的伟大发现。它是一个很有启发性的例子，因为从根本上来说，它非常简单，但如果深入观察，就会发现它缺少了一些非常重要的东西。标准模型是基于量子力学的，而量子力学告诉我们，当粒子彼此接近并发生散射时会发生什么。然而，它们可以以许多不同的方式散射；而标准模型在这方面并没有给出明确的预测。它只给出统计结果。标准模型是一个非常出色的理论，它给出了事物运行的统计学规律。但这个理论从未完全精确地告诉你自然界到底做出了哪种选择；它仅仅告诉你这些不同的可能性存在，并且有某种概率幅度。这就是我们所知道的世界。这就是我们知道如何表述自然法则的方式，但它并不是自然法则本身。
缺失的部分是我们对某些粒子为什么有时走这条路，有时走那条路的理解。你可以很容易地主张说，粒子可以在极小的距离上相撞。它们并不是直接正面碰撞，而是以某个角度碰撞，然后从某个角度散射出去。这可能是对的。但当前的理论没有告诉我们，如果两个粒子相互接近，我应该实际观察什么，以便提前预测它们将如何散射。
想象一下，如果你能像知道两架钢琴相撞时会发生什么一样，精确地知道粒子之间的相互作用过程。原则上，对于钢琴，你可以确切地知道哪根琴弦会与另一根琴弦碰撞；你可以预测两架钢琴碰撞时会发生什么。那么，粒子是不是也可以这样呢？在实际操作中，这种对粒子的预测被认为太过困难，因此我们转向统计学，得出的结论是：钢琴粒子可以在各个方向上散射，除此之外就没有什么可以说的了。
然而，对于钢琴，或许你可以说得更多。如果你知道它们会在什么位置、什么角度碰撞，你可以提前预测它们会如何散射。而这本应当出现在我们对基本粒子的理论中——但它却没有。
我在说的是，我们应该开始以这样的方式思考。而人们拒绝这样做，因为他们认为量子力学太美妙以至于不可能是错的。而我则相信，量子力学并不是最终解释物体相互碰撞时遵循的基本法则的正确方式。
采访者：
顺便提一下，在我准备这次采访时，我找到了您与《科学美国人》前任记者乔治·穆瑟（GeorgeMusser）在2013年的一次对话。你们讨论的内容之一是物理学家约翰·贝尔（JohnBell）的工作及其对现实本质的启示。您当时表示，您认为“局域性是任何简单的、支配宇宙的最终法则的基本组成部分。”听起来您的看法依然如此。
霍夫特：
完全是的，绝对如此。事实上，我认为，如果你仅仅假设这些法则是局域性的，你就能很好地理解和解释量子力学。假设当这些粒子相撞时，它们的行为是由它们相撞时所在的位置决定的。也就是说，宇宙中其他地方发生的事情，原则上不应当影响到它们的行为。如果它们有影响，那就会出现我们所说的“非局域性”。但非局域性对于大多数坚实的科学理论来说将是灾难性的！
我不认为非局域性是必要的。我们之所以不知道当两个粒子碰撞时该怎么做，是因为我们不知道粒子到底是像大钢琴那样，还是像纯粹的点一样。但是，再说一遍，它们不可能是纯粹的点，因为纯粹的点什么也发生不了，粒子内部一定有某些东西，我们应该能够写下所有关于它们内部结构的法则：它们是如何相互碰撞的？为什么有时候它们走这条路，有时候又走那条路？它们是如何表现出自旋的？
我们应该能够将这些问题表述为坚实的法则，但我们离这个目标还太过遥远。这也是为什么我认为其他突破仍然是可能的——而且是许多突破！——它们将帮助我们更接近这种对粒子的理解水平，而这种理解今天我们甚至连一个大致的概念都没有。
采访者：
在我与理论物理学家的交谈中，我注意到，越是伟大且成就卓著的人，他们越倾向于说：“真正的挑战不在于回答旧问题，而在于为你所研究的方向找到新的、更好的问题。”我认为这是因为人们总是倾向于对“可知”的范围抱有乐观态度——这种感觉认为通过提问“正确”的问题，就一定能得到有意义的答案。你真的认为困局在于我们没有问对问题，还是说我们一直在问对的问题，而这些问题的答案，尽管我们寄予厚望，却超出了我们的能力范围？
霍夫特：
你刚才说的，问题超出了我们的能力范围，正是人们在十年前、百年前甚至千年前所说的。当然，每次这样说都是错的。我们是能够回答这些问题的，但要做到这一点需要大量的科学探索。在麦克斯韦之前，没人理解电场和磁场究竟是如何联系在一起的，他们认为：“哦，这个问题是无法解决的，因为它太奇怪了！”但是麦克斯韦说，不，你只需要这个公式，一切就能弄明白！现在我们完全理解了电磁相互作用的原理。认为你无法回答这样的问题是完全错误的。不，你是可以的，但你必须从头开始，就像我说的关于量子力学的那样。
如果你从一开始就认为量子力学只是给出统计答案的理论，而永远无法提供更精确的答案，那么我认为你走错了方向。人们拒绝放下这样的观念——认为量子力学是粒子的某种奇怪的、超自然的特性，以至于我们永远无法理解。错！我们是能够理解的，但我们需要先退一步，这一直是我在科学中的信条：在你理解某件事情之前，先退后几步。也许你需要进行一次漫长的回溯，甚至要回到一切的起点。
想象一下：如果没有量子力学，基本法则可能是什么样的？要回答这个问题，当然需要先解释量子力学到底是什么。
采访者：
好的，所以什么是量子力学？
霍夫特：
量子力学的核心在于你可以考虑状态的叠加。这就是它的全部。我会争辩说，状态的叠加并不是真实存在的。如果你仔细观察，事物从来不会叠加。[厄尔温]薛定谔问了一个很好的问题：比如说，我的猫可能死了，但也可能活着。它能处于叠加状态吗？这没有意义！
他完全是对的。人们不应该继续坚持说一只死猫和一只活猫可以叠加。那完全没有意义——然而，在那个层面上，似乎唯一正确的答案是明确说出粒子的位置、速度、自旋等。而且，必定存在不同类型的变量随时间演化，比如整数值变量或离散运动变量，仅举两种可能。根据这些变量的描述方式，你不能使猫移动，也不能说它是死的还是活的，除非你引入的某些非局域的变化。一定有方法来描述所有的活猫状态和死猫状态，但这些状态会与那些根本不描述猫的状态混合在一起。
使用叠加状态不过是一种巧妙的技巧，一开始是有效的，但并没有触及我们真正想要理解的程度。我们必须退一步。
采访者：
如果叠加态是虚幻的，仅仅是数学概念，并没有物理现实基础，那它是如何与量子信息科学和量子计算领域不断取得的成功相一致的呢？在这些领域，叠加态似乎是一个可以利用的真实物理现象，并且能够做一些经典计算无法做到的事情。
霍夫特：
好吧，我认为量子技术只是你假设叠加系统真实存在时的结果。我的意思是，我们知道在宏观世界中，叠加态是没有意义的，这是显而易见的。我相信在微观世界中，叠加态同样是没有意义的，尽管看起来我们似乎除了叠加态之外没有别的方式来理解原子。我认为，量子技术领域的人们可能没有意识到，他们正在做的实际上与他们认为自己所做的事情的完全相反。他们认为自己在理解量子力学，而我认为他们应该做的是尝试去除量子力学来进行描述（现象），尝试使用更基本的自由度，比如我提到的那些离散状态。
他们没有提出正确的问题，而这种错误使得事情看起来越来越复杂——越来越像量子力学的样子——但实际上，事情不应该被这样解释。
采访者：
我们不是才刚讨论过一个趋势吗？就是那些杰出的理论学家们往往会强调，人们没有问出正确的问题？
霍夫特：
好吧，确实，他们做了正确的实验，确实，他们试图做出正确的事情。而且，是的，他们的量子计算机在某些应用中可能比其他任何东西都更强大，因为他们理解“量子力学”——我的意思是，他们非常详细地理解这些微观系统如何实际运作，因为这是通过研究量子世界得出的结果。是的，我们知道小物体是如何反应和相互作用的。但我们的问题是，目前我们只能做出统计预测。一旦量子计算机给出的只是统计分布，而不是精确的答案，那么，“计算机”就走到头了；你再也不能在大多数应用中使用它了。
对于大多数情况，你希望以一种避免产生叠加态的方式使用计算机——因为你想要得到一个明确的答案。例如，你想解密一个秘密代码之类的东西。你想要得到确切的答案：“这就是它的意思，而不是那个！”我们不要把这个答案等同于这两种可能性的叠加——再说一次，那没有意义。
我想说的是：我们必须“解开”量子力学，看看其背后的真实面貌。除非量子技术专家开始这样做，否则我相信他们不会取得真正重大的进展。例如，量子计算机总是会出错，而设计师和操作员试图纠正这些错误。如果你正在试图纠正这些错误，那么对我来说，这意味着：你想要回到更基本的自由度，这些自由度永远不会携带任何错误，因为它们是精确的——它们就是经典的。但要有这种认识显然是非常困难的。
这就是我对我们为什么不能取得突破的感觉。我们应该换一种方式思考问题。
采访者：
你似乎在说我们必须生活在一个机械宇宙中，一个在最基本层面上事物必须是完全确定的宇宙，因此几乎没有任何神秘之处。这样的一种结果似乎会是神秘感的某种消解。你之前提到过，在科学界内部，对于量子力学的某些看法仍被顽固地坚持着，几乎近似一种宗教信仰般的态度。也许这种态度之所以经久不衰，是因为对许多人来说，它保留了一种“难以言喻”的东西，那种关于我们所经历的一切的神秘感，而不是假设一切都可以通过找到正确的方程式来了解。
因此，如果你真的相信这种机械宇宙的观念，我想知道你会说它最神秘的方面是什么。
霍夫特：
嗯，确实，仍然有许多谜团使得这个问题非常非常困难。而我们讨论的这个决定论宇宙，只有一个比我更聪明的大脑才能完全理解，因为他们必须考虑所有的可能性。只要你做出一些错误的假设，就会再次陷入量子力学那种事物相互叠加的情况。
一个更简单的问题是：你能否在没有叠加原理的情况下表述量子力学？我的回答是肯定的。在我最近的一篇预印本论文中，我研究了一个简单的模型——这个模型极度简单，以至于在现实世界中无法实际应用。这个模型只是一个钟，一只钟摆以非常有序的方式运动，这个钟摆驱动一个指示时间的轮子，表盘上的指针显示时间，因为这个原因，我称它为“祖父钟模型”。通过钟摆，你可以推导出指针应该指向的时间。这些指针是决定性的，它们以无限精度显示时间。这个钟摆其实是一个量子钟摆；它是可以量子化的，我们可以为它写出量子方程。
我发现了这个钟摆的数学原理和显示时间的指针的数学原理之间的联系。请记住，显示时间的指针是完全经典的，而钟摆是完全量子力学的，但它们之间是相互关联的——它们属于同一个机械系统。
但是我几乎没有得到人们的回应。我本以为人们会说：“哦，当然了。现在我们明白如何继续下去了！”但是相反，他们说：“好吧，’tHooft又有了一个新想法，又是一个疯狂的想法。他有很多这样的疯狂想法。让他高兴就好了，我们继续做我们的事情。”这是我得到的最常见反应。
采访者：
我猜这种反应的原因，在某种程度上，并非科学上的，而是更“文化”层面的，对吗？我从信号与噪声的比率角度来考虑这个问题，尤其是在面对像arXiv等地方源源不断的新预印本论文时，确实很难知道该关注什么，如何评估引起自己注意的东西。
这让我想到一个问题。我很好奇你如何看待你的科学贡献对文化的影响，尤其是你在90年代初提出的全息原理。
可以说，正是因为这个观点，才让一些人——我猜大多数是非科学家——真的相信宇宙实际上处于一个黑洞之中，或者一切只是某种高维计算机中的模拟。这个“模拟假说”的观点是，也许除了信息本身，其他一切都不“真实”，因为其他一切可能只是编码在可观测宇宙最外层边界上的1和0的模式的投影。我想知道你对这种现象有什么看法：你提出了一个大胆的理论见解，已经有30多年了，但它某种程度上导致了世界上最富有的人（埃隆马斯克）在一个流行播客中严肃地提出“我们很可能”只是在某种宇宙级电子游戏中的化身。
霍夫特：
嗯，我确实有一些保留意见，也许我不该谈论全息原理。因为，确实，有些人已经将这个概念无限延伸到一些无稽之谈上，把这个观点与超自然特征和模糊定义的维度联系起来，听起来非常神秘。对此我有很大的意见。我认为你不应该用比超过绝对必要的更复杂的术语来表达自然法则。你应该尽可能简化。即使是爱因斯坦也曾说过类似的话——你必须尽可能简化，但不能超越现实，不能超越真理。我们应该尽量避免神秘化；如果我们作为科学家只留下一串谜团，那我们就没有做对事。
我有点担心，全息原理只会促使人们变得更加向往神秘，而我恰恰想要的是极端的相反方向。我希望人们变得非常的理性。对我来说，甚至量子力学都已经离理性太远了。你知道，如果你重新阐述量子力学，把希尔伯特空间[一种允许无限维度的向量空间]当作一个实际的工具，而不是将其视为自然的基本特性，那么你甚至不再需要这种全息性！我希望更多人能够理解这一点。我们必须尽量精确地表达事物，以避免公众的误解对科学造成混乱。
（本文英文原标题为QuantumPhysicsIsontheWrongTrack,SaysBreakthroughPrizeWinnerGerard’tHooft）
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