诺贝尔奖得主、理论物理学家和作家弗兰克·维尔切克被宣布为 2022 年坦普尔顿奖的获得者，该奖项价值超过 130 万美元。约翰·坦普尔顿基金会的新闻稿称，该年度奖项旨在表彰那些“利用科学的力量来探索宇宙最深刻的问题以及人类在宇宙中的位置和目的”的人。之前的获奖者包括简·古道尔、马塞洛·格莱泽和马丁·里斯等科学家，以及特蕾莎修女和德斯蒙德·图图等宗教或政治领袖。
维尔切克获得诺贝尔奖的工作可以追溯到 1970 年代初期，当时他和两位同事设计了一种理论，描述了被称为夸克的基本粒子的行为——这一壮举对于建立粒子物理学的标准模型至关重要。他还提出了多种新粒子和实体的存在。其中一些，例如“时间晶体”和“任意子”，此后已被发现，并且似乎有望用于开发更好的量子计算机。维尔切克的另一个预测——“轴子”——尚未得到证实，但它是暗物质的主要候选者，暗物质是被认为构成宇宙中大部分质量的隐形物质。他也是一位多产的作家，在他最近的著作中，他将自己作为物理学家的工作与他对现实内在美的思考联系起来，认为我们的宇宙体现了最数学上优雅的结构。
大众科学 与维尔切克谈论了科学与灵性之间的相互作用、最近关于标准模型可能“被打破”的报道，以及他最新的研究，包括寻找假设粒子和下落的猫的物理学。
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[以下是采访的编辑稿。]
祝贺您获得坦普尔顿奖。这个奖项对您意味着什么？
我探索性的、基于科学的努力来解决通常被认为是哲学或宗教的问题正在产生共鸣。我对此非常感激，并且我已经开始思考这一切意味着什么。
对我来说，一种“精神”觉醒是体验到与自然对话的可能性——自然“回应”，有时会让你感到惊讶，有时会证实你所想象的。最初在纸上的模糊希望和概念变成了实验性建议，有时甚至是对世界的成功描述。
您现在不认同任何特定的宗教传统，但在您 2021 年出版的著作 Fundamentals: Ten Keys to Reality 中，您写道：“在研究世界如何运作时，我们正在研究上帝如何运作，从而了解上帝是什么。”您是什么意思？
在普通文化中，“上帝”这个词的使用非常随意。人们可以用它来表达完全不同的事物。对我来说，统一的主线是进行宏大的思考：思考世界如何运作，它是什么，它是如何产生的，以及所有这一切对于我们应该做什么意味着什么。
我选择学习这个部分是为了填补当我意识到我再也不能接受对我青少年时期意义重大的天主教会的教条时留下的空白。这些教条包括关于事物如何发生的说法，这些说法尤其难以与科学调和。但更重要的是，世界比圣经中的部落主义描述更大、更古老、更陌生。关于伦理和对社区的态度，我确实发现有些说法很有价值，但它们不能被视为来自“高处”的宣告。我认为我现在已经积累了足够的智慧和人生经验，可以真正洞察一切。
您能否给我举一些具体的例子，说明您现在拥有但在早期科学职业生涯中没有的智慧如何影响了您的观点？
“互补性”指出，您不能使用单一的画面来回答所有有意义的问题。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。这个概念对于理解量子力学绝对是必要的，例如，您无法同时预测电子的位置和动量。当我第一次接触玻尔关于将互补性扩展到量子力学之外的想法时，我并没有留下深刻的印象。我认为这简直是胡说八道。但我逐渐意识到，这是一个更普遍的智慧，可以促进宽容和思想扩展。还有一种科学态度，即开放和诚实可以让人们茁壮成长。增强科学家效率的方法是与他们正在做的事情建立一种充满爱的关系，因为这项工作可能会令人沮丧，并且需要投入精力学习一些相当枯燥的材料。然后是美的教训：当你允许自己发挥想象力时，世界会回报以美好的礼物。
您因在理解强相互作用力方面的工作而获得了 2004 年诺贝尔物理学奖 的一半，强相互作用力将亚原子粒子束缚在原子核内。这项工作构成了标准模型的支柱的一部分。但标准模型当然是不完整的，因为它没有解释引力或暗物质或似乎正在推动宇宙加速膨胀的“暗能量”。因此，包括您自己在内的许多物理学家认为，我们最终会找到证据，使我们能够构建标准模型的后继者或扩展。今年 4 月，伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的物理学家宣布，他们已测量出基本粒子 W 玻色子的质量 明显重于标准模型的预测。这是否是一个令人兴奋的迹象，表明 标准模型的统治即将结束？
我对此表示怀疑。这是一项令人印象深刻的工作，但它试图高精度测量不稳定的粒子的质量，这种粒子以奇异的方式快速衰变。而且由于 W 玻色子具有有限的寿命，根据量子力学，它的质量存在不确定性。仅仅是测量如此复杂就令人怀疑。然后，更严重的是，结果不仅与理论计算不符，而且与之前的实验测量结果也不符。如果有一个令人信服的理论假设表明 W 玻色子质量应该存在这种差异，但所有其他测试都没有其他差异，那将是太棒了。但事实并非如此。因此，对我来说，结论尚未确定。
您最近最成功的例子之一是 预测了 一种新型量子物质状态的存在，您将其称为“时间晶体”，因为它的粒子表现出重复性行为——就像摆动的钟摆——但不消耗能量。您是如何想到这个想法的？
大约 10 年前，我准备教授一门关于对称性的课程，我想，“让我们不仅仅考虑 3-D 中的晶体对称性；让我们考虑在时间上具有周期性的晶体。”基本上，时间晶体是自组织的时钟，它们不是人为构建的，而是自发产生的，因为它们想成为时钟。现在，如果你有自发想要移动的系统，这听起来很危险，就像永动机一样，这让物理学家望而却步。但我的职业生涯中曾多次被注入信心，所以我并不害怕，并在天使不敢涉足的地方跳了进去。我最初想称之为“时间平移对称性的自发破缺”，但我的妻子贝齐·德瓦恩说：“什么鬼？！”所以它们就变成了时间晶体。
时间晶体现在已经在 实验室中 和 量子计算机中 创建出来。它们可能有什么用？
最有希望的应用是制造更新、更好、更便携、更坚固的时钟。制造精确的时钟是物理学中的一个重要前沿领域；例如，[它们] 用于 GPS。制造对量子力学友好的时钟也很重要，因为量子计算机需要兼容的时钟。
您有一种起朗朗上口的名字的习惯。早在 1970 年代，您就提出了一个 假设的新粒子，您称之为“轴子”——灵感来自洗衣粉——因为它的存在将清理粒子物理学工作中一个混乱的技术问题。从那时起，其他物理学家提出，轴子如果存在，就具有构成暗物质的合适特性。寻找轴子的进展如何？
轴子超级令人兴奋。一开始我完全没想到该理论被完美地设计用来解释暗物质，但这种可能性越来越受到重视。部分原因是，对其他主要暗物质候选者（所谓的 WIMP（弱相互作用大质量粒子））的搜索一无所获，因此相比之下，轴子看起来更好。在过去几年中，出现了一些真正有希望的探测暗物质轴子的想法。我与斯德哥尔摩大学的研究人员亚历克斯·米勒和马特·劳森共同提出了一个想法，该想法 使用了一种“超材料”——一种经过工程设计以特定方式处理光的材料——作为轴子的“天线”。ALPHA 合作组织 已经测试了原型，我持乐观态度，甚至接近确信，在 5 到 10 年内，我们将获得明确的结果。
“轴子”现在已收录在牛津英语词典中。当你进入 OED 时，你就知道你成功了。
您还创造了另一种新粒子“任意子”的名称。标准模型允许两种类型的基本粒子：“费米子”（包括电子）和“玻色子”（例如光子）。任意子是第三类“准粒子”，它通过某些量子系统中电子群体的集体行为而出现。您 早在 1984 年就预测了这一点，但直到最近几年才 被证实。关于任意子的最新消息是什么？
我以为验证你可以拥有任意子只需要几个月的时间，但实际上花了将近 40 年。在那段时间里，实际上有成千上万篇关于任意子的论文，但实验性的论文却很少。人们也意识到任意子可以用作存储信息的方式——并且这有可能在工业规模上生产——从而产生了“拓扑量子计算”领域。中国已经进行了 原型实验，微软也进行了认真的投资。上个月，微软 宣布 他们已经 制造出我们需要的任意子类型 ，以便以认真的方式启动量子计算应用。因此，所有这些成千上万篇理论论文最终都与实际现实甚至技术建立了联系。
您显然有创造物理学领域突破性概念的天赋。您还有其他正在酝酿的革命性想法吗？
是的，但我不想通过在这里随意提及它们来破坏它们的运气！不过，我会告诉你一些我正在做的有趣的事情：有一个抽象的数学概念叫做“规范对称性”，它是粒子物理学的基础。这是一个强大的工具，但它为什么存在仍然是个谜。一个有趣的观察是，当你尝试计算猫从树上掉下来如何设法用脚着地，或者潜水员如何避免腹部着地时，也会出现规范对称性。我和 [物理学家] 艾尔·沙佩尔 在 30 年前就意识到了这一点，但在最近的工作中，我一直在几个方向上推广它。这非常有趣——而且它可能会变得深刻。
最后，您对社会未来有什么长期的希望？
纵观宏大的历史，这增强了宇宙乐观主义。我喜欢说上帝是“正在进行中的工作”。从日常来看，你可能会遇到倒退——疫情、战争——但如果你看看总体趋势，它们是非常积极的。事情可能会出错，例如核战争或生态灾难，但如果我们作为一个物种保持谨慎，我们就能拥有真正辉煌的未来。我认为，在我余生中，我的使命之一是努力引导人们走向值得我们机遇的未来，而不是偏离轨道。