圖片來源：Wammes Waggel/wikipedia
在獲得了世界上最高獎金的科學獎之後，理論物理學大師Gerard ’t Hooft回顧了他的科學生涯並展望物理學的未來；他也分享了他思考問題的方法；特別地，他談到他對量子力學發展現狀的某些不滿。（譯者注：在訪談的後半部分，'t Hooft分享了他對量子力學的一些獨特見解。誠然，他的觀點建立在深入的學術思考基礎上，然而，我們希望讀者在閱讀時理解，這些觀點是't Hooft個人的學術探索，而非現階段科學界的共識。）
撰文 | Lee Billings
翻譯 | 李磐
審校 | 王昱
在現代物理學的殿堂中，鮮有人能和赫拉德·特·霍夫特（Gerard 't Hooft）的低調權威相比擬。這位來自荷蘭的理論物理學家，如今是荷蘭烏特勒支大學的榮休教授。在過去半個世紀中，他都在致力於重塑我們對現實世界中基本相互作用的理解。特霍夫特謙遜而溫和的談吐，往往掩蓋了他在科學界的崇高地位；他的聲譽，更多體現在他工作中展現出的嚴謹數學推理和深邃物理洞察力——以及他所獲得的一系列著名獎項：包括諾貝爾獎、沃爾夫獎、富蘭克林獎章等在內的眾多殊榮，無不見證了他的卓越成就。
4月5日，他獲得了科學界獎金最豐厚的大獎：基礎物理學特別突破獎，價值300萬美元，以表彰他在漫長的職業生涯中對物理學做出的諸多貢獻。
他最著名的發現——也是讓他和他的博士論文導師、已故的馬提努斯·維爾特曼（Martinus Veltman）一起獲得1999年諾貝爾物理學獎的發現——對理解非阿貝爾規範理論重整化的理解。
特霍夫特和維爾特曼共同證明了非阿貝爾規範理論是可重整化的——也就是說，在計算過程中出現的一系列看似無法處理的無窮大項，其實可以透過自洽且精確的方法加以規範和控制。這項成果不僅解決了理論物理中的重大難題，更深刻地改變了科學發展的方向，併為後來建立粒子物理的主導正規化——標準模型（Standard Model）奠定了堅實的基礎。
除此之外，特霍夫特還取得了許多其他重大突破，難以在此一一詳述。但其中幾項尤為突出，堪稱里程碑式的貢獻，包括：他對夸克如何被束縛在質子和中子內部的機制的深入研究；他揭示了磁單極如何在高能條件下自然地從基本力的統一框架中湧現；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世紀90年代，他在黑洞領域的研究促成了他提出“全息原理”（holographic principle）。這一理論認為，一個三維空間中的所有資訊，實際上可以被完整地編碼在其邊界的二維表面上，就像全息圖那樣。這一理念後來成為融合量子力學與愛因斯坦的廣義相對論、構建統一的“量子引力”理論的核心思想之一，至今在理論物理界仍具有深遠影響。
在接受《科學美國人》（Scientific American）的採訪中，特霍夫特談到了他獲得突破獎的感受、他對粒子物理未來發展的樂觀態度、他對量子力學現狀的某些不滿，以及他那些頗具爭議的理論所引發的科學與文化層面的深遠影響。
[以下是經過編輯的採訪實錄。]
採訪者：
看起來，您現在幾乎已經拿遍了所有物理學界的重要獎項了。
霍夫特：
還有一些我還沒拿到！不過，是的，我確實獲得了不少獎項。讓我稍微有點擔心的是，這些獎幾乎都是因為同一項成果頒發的。你會因為一項已經被廣泛認可的工作接連不斷地獲獎，而與此同時，我在科學上還做過其他一些事情——只是這些工作不太為人所知，至少大眾並不瞭解。不過無論如何，（基礎科學）突破獎基金會在授獎時對我整個學術生涯做了一個總結，幾乎把我所做過的所有工作都囊括進去了！
採訪者：
是的，突破獎基金會總結了您的所有成果。但考慮到您已經獲得了這麼多獎項，這次的突破獎對您來說，是否只是錦上添花？您現在還會感到興奮嗎，還是說這一切已經變得有些習以為常了？
霍夫特：
我可以向你保證：沒有“習以為常”這一說。每一個獎項都有不同的意義。最重要的當然還是諾貝爾獎，那是每年只授予極少數人的榮譽，確實非常特殊。但這一次的突破獎同樣意義非凡——從字面上來說，這也是一個“很大”的獎項。
採訪者：
正如您所提到的，這次獎項是對您整個科學生涯的認可，而不僅僅是某一方面的成就，比如您和維爾特曼在1970年代合作解釋電弱相互作用的工作，這項成果讓你們共享了1999年的諾貝爾物理學獎。當然，這項工作對後來的標準模型（Standard Model）的建立至關重要，標準模型如今被譽為人類迄今為止最經得起驗證且最成功的科學理論。
不過，從某種程度上來說，標準模型也變得有些“令人失望”，因為它的多次實驗驗證促成了粒子物理學的危機，即研究進展放緩，科學家們似乎找不到突破的明顯路徑。標準模型在過去數十年中一直佔據主導地位，這一點會讓您感到擔憂嗎？
霍夫特：
完全不是這樣。我認為，科學的發展中，我們不可能總是持續不斷地產生無限的發現和新見解，這是很自然的。像我們現在在粒子物理學中所經歷的這種時期，似乎一切都比較平靜。舉個例子，我剛看到歐洲核子研究中心（CERN）的新聞，他們在大型強子對撞機上，在新通道中檢測到了CP對稱性缺失的現象。這是一個非常重要的發現，但並不是顛覆性的。看起來，我們正處於這樣一個時期，科學家在我所研究的領域做出了許多小的發現，這些發現本身非常令人高興，因為它們讓我們對事物的理解更加完整。但我認為，歷史告訴我們，情況不會一直如此。將來會有更多根本性的發現，這些發現將再次改變我們對現象的認知。
幾百年前，當麥克斯韋將電學與磁學結合起來時，以及後來馬克斯·普朗克首次提出能量量子化的觀點時，有過很長一段時間，看起來似乎並沒有太多新的進展。但實際上，其他領域，如統計物理學和其他基礎科學分支，仍然在不斷發展。而無論是在過去還是現在，這些領域一直在穩定進步。看看現在的天文學，天文學家幾乎時時都有重大發現，絕不能說是沉悶乏味的！隨著望遠鏡變得更大更精確，以及他們運用越來越多的基礎科學技術來提升解析度，天文學家正在不斷發現宇宙中的新奇事物。生物物理學和醫學也是如此，幾乎每天都有新的發現。
但在我的領域，您說得對，看上去似乎沒有什麼重大進展。我倒不這麼認為。實際上，進展一直在發生，只不過進展的規模相對較小。
採訪者：
那麼，您是否樂觀地認為這種情況會發生變化，我們將看到粒子物理學領域重大的發現復興呢？
霍夫特：
這是一個非常好的問題，因為看起來我們似乎無能為力。如果情況發展成每一次新的突破都需要十倍甚至更大規模的實驗裝置、功率和成本的提升，那麼顯然我們不會超越現在的進展。我不能排除這樣的困難會成為阻礙進步的可能性，但科學史表明，如果真是這樣，進步將會在不同的方向進行。我們不僅可以考慮精度的提升，也可以探索完全不同的途徑，比如宇宙學和黑洞物理學。
我想對新一代科學家們提個建議：不要為此擔心，因為目前沒有新進展的真正原因是，大家的思維方式都一樣！
我對此有些困惑和失望。許多人依然沿用相同的思維方式——而現在人們嘗試提出新理論的方式似乎效果並不好。我們有很多關於量子引力、統計物理、宇宙學的新理論，但它們在基本結構上並不“新”。人們似乎不敢於邁出那些我認為真正必要的大膽步伐。例如，我們看到每個人都將自己的新想法首先提交到arXiv預印本伺服器，然後再投向期刊進行發表。在arXiv上，每年都有成千上萬的論文出現，但沒有一篇論文真正帶來了那種偉大、閃亮的、能夠改變局面的新洞見。當然，確實有一些啟發性的見解，但它們並不是我們領域所需要的、能夠帶來基礎性突破的見解。
我認為我們必須開始以不同的方式思考。而我一直保持著這樣的態度——我在用不同的思維方式思考。特別是在70年代，有一種非常有效的方式可以推動進一步的進展：去用和你的朋友們不一樣的方式思考，這樣你就能找到新的發現！
我認為這依然是對的；然而，我現在年紀大了，不再能每週都有巧妙的新想法了。但從原則上講，在進行量子力學、宇宙學或生物學等領域的探討時，仍然存在一些脫離傳統的方式。在我看來，人們的思考方式還不夠新穎。
採訪者：
您能舉一個您所說的“新穎性”或“不同”的例子嗎？
霍夫特：
當然。我對世界、對物理學、以及與物理學相關的其他學科的思考方式是，所有的東西應該更加合乎邏輯，更加直接，更加“接地氣”。
許多人在寫一些關於量子力學的論文時，喜歡在其中保留一些神秘感，好像這個領域有些奇異的東西，甚至近乎宗教般的性質。我認為這是完全錯誤的。量子力學是基於一種數學方法，用來描述非常普通的物理效應。我認為，物理世界本身是一個非常普通的、完全經典的世界。但即便是在這個完全經典的世界中，我們今天仍然有很多不知道的事情，在通往更深層次理解的道路上，我們還缺少一些關鍵的“階梯”。
採訪者：
什麼樣的“階梯”？
霍夫特：
我說的這些“階梯”是指利用這樣一個事實——整個世界其實是非常簡單和直接的。問題在於，世界在我們眼中依然顯得複雜，這也是我們現在處於這種困境的原因。
您已經提到了標準模型，這個來自上個世紀的偉大發現。它是一個很有啟發性的例子，因為從根本上來說，它非常簡單，但如果深入觀察，就會發現它缺少了一些非常重要的東西。標準模型是基於量子力學的，而量子力學告訴我們，當粒子彼此接近併發生散射時會發生什麼。然而，它們可以以許多不同的方式散射；而標準模型在這方面並沒有給出明確的預測。它只給出統計結果。標準模型是一個非常出色的理論，它給出了事物執行的統計學規律。但這個理論從未完全精確地告訴你自然界到底做出了哪種選擇；它僅僅告訴你這些不同的可能性存在，並且有某種機率幅度。這就是我們所知道的世界。這就是我們知道如何表述自然法則的方式，但它並不是自然法則本身。
缺失的部分是我們對某些粒子為什麼有時走這條路，有時走那條路的理解。你可以很容易地主張說，粒子可以在極小的距離上相撞。它們並不是直接正面碰撞，而是以某個角度碰撞，然後從某個角度散射出去。這可能是對的。但當前的理論沒有告訴我們，如果兩個粒子相互接近，我應該實際觀察什麼，以便提前預測它們將如何散射。
想象一下，如果你能像知道兩架鋼琴相撞時會發生什麼一樣，精確地知道粒子之間的相互作用過程。原則上，對於鋼琴，你可以確切地知道哪根琴絃會與另一根琴絃碰撞；你可以預測兩架鋼琴碰撞時會發生什麼。那麼，粒子是不是也可以這樣呢？在實際操作中，這種對粒子的預測被認為太過困難，因此我們轉向統計學，得出的結論是：鋼琴粒子可以在各個方向上散射，除此之外就沒有什麼可以說的了。
然而，對於鋼琴，或許你可以說得更多。如果你知道它們會在什麼位置、什麼角度碰撞，你可以提前預測它們會如何散射。而這本應當出現在我們對基本粒子的理論中——但它卻沒有。
我在說的是，我們應該開始以這樣的方式思考。而人們拒絕這樣做，因為他們認為量子力學太美妙以至於不可能是錯的。而我則相信，量子力學並不是最終解釋物體相互碰撞時遵循的基本法則的正確方式。
採訪者：
順便提一下，在我準備這次採訪時，我找到了您與《科學美國人》前任記者喬治·穆瑟（George Musser）在2013年的一次對話。你們討論的內容之一是物理學家約翰·貝爾（John Bell）的工作及其對現實本質的啟示。您當時表示，您認為“局域性是任何簡單的、支配宇宙的最終法則的基本組成部分。”聽起來您的看法依然如此。
霍夫特：
完全是的，絕對如此。事實上，我認為，如果你僅僅假設這些法則是局域性的，你就能很好地理解和解釋量子力學。假設當這些粒子相撞時，它們的行為是由它們相撞時所在的位置決定的。也就是說，宇宙中其他地方發生的事情，原則上不應當影響到它們的行為。如果它們有影響，那就會出現我們所說的“非局域性”。但非局域性對於大多數堅實的科學理論來說將是災難性的！
我不認為非局域性是必要的。我們之所以不知道當兩個粒子碰撞時該怎麼做，是因為我們不知道粒子到底是像大鋼琴那樣，還是像純粹的點一樣。但是，再說一遍，它們不可能是純粹的點，因為純粹的點什麼也發生不了，粒子內部一定有某些東西，我們應該能夠寫下所有關於它們內部結構的法則：它們是如何相互碰撞的？為什麼有時候它們走這條路，有時候又走那條路？它們是如何表現出自旋的？
我們應該能夠將這些問題表述為堅實的法則，但我們離這個目標還太過遙遠。這也是為什麼我認為其他突破仍然是可能的——而且是許多突破！——它們將幫助我們更接近這種對粒子的理解水平，而這種理解今天我們甚至連一個大致的概念都沒有。
採訪者：
在我與理論物理學家的交談中，我注意到，越是偉大且成就卓著的人，他們越傾向於說：“真正的挑戰不在於回答舊問題，而在於為你所研究的方向找到新的、更好的問題。”我認為這是因為人們總是傾向於對“可知”的範圍抱有樂觀態度——這種感覺認為透過提問“正確”的問題，就一定能得到有意義的答案。你真的認為困局在於我們沒有問對問題，還是說我們一直在問對的問題，而這些問題的答案，儘管我們寄予厚望，卻超出了我們的能力範圍？
霍夫特：
你剛才說的，問題超出了我們的能力範圍，正是人們在十年前、百年前甚至千年前所說的。當然，每次這樣說都是錯的。我們是能夠回答這些問題的，但要做到這一點需要大量的科學探索。在麥克斯韋之前，沒人理解電場和磁場究竟是如何聯絡在一起的，他們認為：“哦，這個問題是無法解決的，因為它太奇怪了！”但是麥克斯韋說，不，你只需要這個公式，一切就能弄明白！現在我們完全理解了電磁相互作用的原理。認為你無法回答這樣的問題是完全錯誤的。不，你是可以的，但你必須從頭開始，就像我說的關於量子力學的那樣。
如果你從一開始就認為量子力學只是給出統計答案的理論，而永遠無法提供更精確的答案，那麼我認為你走錯了方向。人們拒絕放下這樣的觀念——認為量子力學是粒子的某種奇怪的、超自然的特性，以至於我們永遠無法理解。錯！我們是能夠理解的，但我們需要先退一步，這一直是我在科學中的信條：在你理解某件事情之前，先退後幾步。也許你需要進行一次漫長的回溯，甚至要回到一切的起點。
想象一下：如果沒有量子力學，基本法則可能是什麼樣的？要回答這個問題，當然需要先解釋量子力學到底是什麼。
採訪者：
好的，所以什麼是量子力學？
霍夫特：
量子力學的核心在於你可以考慮狀態的疊加。這就是它的全部。我會爭辯說，狀態的疊加並不是真實存在的。如果你仔細觀察，事物從來不會疊加。[厄爾溫]薛定諤問了一個很好的問題：比如說，我的貓可能死了，但也可能活著。它能處於疊加狀態嗎？這沒有意義！
他完全是對的。人們不應該繼續堅持說一隻死貓和一隻活貓可以疊加。那完全沒有意義——然而，在那個層面上，似乎唯一正確的答案是明確說出粒子的位置、速度、自旋等。而且，必定存在不同型別的變數隨時間演化，比如整數值變數或離散運動變數，僅舉兩種可能。根據這些變數的描述方式，你不能使貓移動，也不能說它是死的還是活的，除非你引入的某些非局域的變化。一定有方法來描述所有的活貓狀態和死貓狀態，但這些狀態會與那些根本不描述貓的狀態混合在一起。
使用疊加狀態不過是一種巧妙的技巧，一開始是有效的，但並沒有觸及我們真正想要理解的程度。我們必須退一步。
採訪者：
如果疊加態是虛幻的，僅僅是數學概念，並沒有物理現實基礎，那它是如何與量子資訊科學和量子計算領域不斷取得的成功相一致的呢？在這些領域，疊加態似乎是一個可以利用的真實物理現象，並且能夠做一些經典計算無法做到的事情。
霍夫特：
好吧，我認為量子技術只是你假設疊加系統真實存在時的結果。我的意思是，我們知道在宏觀世界中，疊加態是沒有意義的，這是顯而易見的。我相信在微觀世界中，疊加態同樣是沒有意義的，儘管看起來我們似乎除了疊加態之外沒有別的方式來理解原子。我認為，量子技術領域的人們可能沒有意識到，他們正在做的實際上與他們認為自己所做的事情的完全相反。他們認為自己在理解量子力學，而我認為他們應該做的是嘗試去除量子力學來進行描述（現象），嘗試使用更基本的自由度，比如我提到的那些離散狀態。
他們沒有提出正確的問題，而這種錯誤使得事情看起來越來越複雜——越來越像量子力學的樣子——但實際上，事情不應該被這樣解釋。
採訪者：
我們不是才剛討論過一個趨勢嗎？就是那些傑出的理論學家們往往會強調，人們沒有問出正確的問題？
霍夫特：
好吧，確實，他們做了正確的實驗，確實，他們試圖做出正確的事情。而且，是的，他們的量子計算機在某些應用中可能比其他任何東西都更強大，因為他們理解“量子力學”——我的意思是，他們非常詳細地理解這些微觀系統如何實際運作，因為這是透過研究量子世界得出的結果。是的，我們知道小物體是如何反應和相互作用的。但我們的問題是，目前我們只能做出統計預測。一旦量子計算機給出的只是統計分佈，而不是精確的答案，那麼，“計算機”就走到頭了；你再也不能在大多數應用中使用它了。
對於大多數情況，你希望以一種避免產生疊加態的方式使用計算機——因為你想要得到一個明確的答案。例如，你想解密一個秘密程式碼之類的東西。你想要得到確切的答案：“這就是它的意思，而不是那個！”我們不要把這個答案等同於這兩種可能性的疊加——再說一次，那沒有意義。
我想說的是：我們必須“解開”量子力學，看看其背後的真實面貌。除非量子技術專家開始這樣做，否則我相信他們不會取得真正重大的進展。例如，量子計算機總是會出錯，而設計師和操作員試圖糾正這些錯誤。如果你正在試圖糾正這些錯誤，那麼對我來說，這意味著：你想要回到更基本的自由度，這些自由度永遠不會攜帶任何錯誤，因為它們是精確的——它們就是經典的。但要有這種認識顯然是非常困難的。
這就是我對我們為什麼不能取得突破的感覺。我們應該換一種方式思考問題。
採訪者：
你似乎在說我們必須生活在一個機械宇宙中，一個在最基本層面上事物必須是完全確定的宇宙，因此幾乎沒有任何神秘之處。這樣的一種結果似乎會是神秘感的某種消解。你之前提到過，在科學界內部，對於量子力學的某些看法仍被頑固地堅持著，幾乎近似一種宗教信仰般的態度。也許這種態度之所以經久不衰，是因為對許多人來說，它保留了一種“難以言喻”的東西，那種關於我們所經歷的一切的神秘感，而不是假設一切都可以透過找到正確的方程式來了解。
因此，如果你真的相信這種機械宇宙的觀念，我想知道你會說它最神秘的方面是什麼。
霍夫特：
嗯，確實，仍然有許多謎團使得這個問題非常非常困難。而我們討論的這個決定論宇宙，只有一個比我更聰明的大腦才能完全理解，因為他們必須考慮所有的可能性。只要你做出一些錯誤的假設，就會再次陷入量子力學那種事物相互疊加的情況。
一個更簡單的問題是：你能否在沒有疊加原理的情況下表述量子力學？我的回答是肯定的。在我最近的一篇預印本論文中，我研究了一個簡單的模型——這個模型極度簡單，以至於在現實世界中無法實際應用。這個模型只是一個鐘，一隻鐘擺以非常有序的方式運動，這個鐘擺驅動一個指示時間的輪子，錶盤上的指標顯示時間，因為這個原因，我稱它為“祖父鐘模型”。透過鐘擺，你可以推匯出指標應該指向的時間。這些指標是決定性的，它們以無限精度顯示時間。這個鐘擺其實是一個量子鐘擺；它是可以量子化的，我們可以為它寫出量子方程。
我發現了這個鐘擺的數學原理和顯示時間的指標的數學原理之間的聯絡。請記住，顯示時間的指標是完全經典的，而鐘擺是完全量子力學的，但它們之間是相互關聯的——它們屬於同一個機械系統。
但是我幾乎沒有得到人們的回應。我本以為人們會說：“哦，當然了。現在我們明白如何繼續下去了！”但是相反，他們說：“好吧，’t Hooft又有了一個新想法，又是一個瘋狂的想法。他有很多這樣的瘋狂想法。讓他高興就好了，我們繼續做我們的事情。”這是我得到的最常見反應。
採訪者：
我猜這種反應的原因，在某種程度上，並非科學上的，而是更“文化”層面的，對嗎？我從訊號與噪聲的比率角度來考慮這個問題，尤其是在面對像arXiv等地方源源不斷的新預印本論文時，確實很難知道該關注什麼，如何評估引起自己注意的東西。
這讓我想到一個問題。我很好奇你如何看待你的科學貢獻對文化的影響，尤其是你在90年代初提出的全息原理。
可以說，正是因為這個觀點，才讓一些人——我猜大多數是非科學家——真的相信宇宙實際上處於一個黑洞之中，或者一切只是某種高維計算機中的模擬。這個“模擬假說”的觀點是，也許除了資訊本身，其他一切都不“真實”，因為其他一切可能只是編碼在可觀測宇宙最外層邊界上的1和0的模式的投影。我想知道你對這種現象有什麼看法：你提出了一個大膽的理論見解，已經有30多年了，但它某種程度上導致了世界上最富有的人（埃隆馬斯克）在一個流行播客中嚴肅地提出“我們很可能”只是在某種宇宙級電子遊戲中的化身。
霍夫特：
嗯，我確實有一些保留意見，也許我不該談論全息原理。因為，確實，有些人已經將這個概念無限延伸到一些無稽之談上，把這個觀點與超自然特徵和模糊定義的維度聯絡起來，聽起來非常神秘。對此我有很大的意見。我認為你不應該用比超過絕對必要的更復雜的術語來表達自然法則。你應該儘可能簡化。即使是愛因斯坦也曾說過類似的話——你必須儘可能簡化，但不能超越現實，不能超越真理。我們應該儘量避免神秘化；如果我們作為科學家只留下一串謎團，那我們就沒有做對事。
我有點擔心，全息原理只會促使人們變得更加嚮往神秘，而我恰恰想要的是極端的相反方向。我希望人們變得非常的理性。對我來說，甚至量子力學都已經離理性太遠了。你知道，如果你重新闡述量子力學，把希爾伯特空間[一種允許無限維度的向量空間]當作一個實際的工具，而不是將其視為自然的基本特性，那麼你甚至不再需要這種全息性！我希望更多人能夠理解這一點。我們必須儘量精確地表達事物，以避免公眾的誤解對科學造成混亂。
（本文英文原標題為Quantum Physics Is on the Wrong Track, Says Breakthrough Prize Winner Gerard ’t Hooft）
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