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王孟源的部落格

事實與邏輯

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  • 2017-09-26 01:58

【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題

今天《觀察者網》的科技編輯又來信發問,剛好問到一些我仔細思考過的話題,尤其是如何創造研究熱點,所以洋洋灑灑地寫了一長篇回復。我也不知道他會不會用,但是這些討論對這個部落格的讀者來説,應該是合適的,所以先登在這裏了。

《觀察者網》問:

1今年中國大陸發射了量子衛星,量子力學的非定域性再次得到無漏洞驗證,具體報導見(http://www.guancha.cn/industry-science/2017_06_17_413719.shtml

附件http://blog.sciencenet.cn/blog-212815-1071359.html是一直致力於批評潘建偉實驗的北京大學王國文的文章,意思似乎是,引入潛波變量詮釋量子論和波函數,貝爾實驗也被否定了。

以我有限的了解,貝爾實驗的檢驗和量子論非定域性已經是被主流物理肯定的,雖然波函數坍縮理論很不完美,王國文這樣重新解釋波函數真的能消解貝爾不等式嗎?

2 Wilczek提出的“時間晶體”的概念,近年來很火,但也有很多爭議。似乎概念的含義本身也沒有統一,許多說找到了“時間晶體”的實驗,算不算王先生所說的迎合熱點,追救護車?

我的回答:

首先,你提到的那篇有關“量子衛星”的文章,引用自《墨子沙龍》(大概源自墨子衛星的團隊),內容是完全錯誤的。

量子力學是量子力學,哥本哈根解釋是哥本哈根解釋;兩者是獨立的理論,甚至不在同一個學科裡:前者是實驗可以驗證的,所以是物理,後者則是對前者的邏輯解釋,屬於物理數學。愛因斯坦的確對前者和後者都有質疑,但是我們不應該像《墨子沙龍》那樣把兩個分別的反對意見混為一談。

愛因斯坦對哥本哈根解釋的不滿,原因很簡單,就是哥本哈根解釋甚至無法有數學意義上的定義:“觀察者”(和《觀察者網》無關)是什麼?“觀察”是什麼?“實驗”是什麼?“測量”是什麼?它們和宇宙日常運行的其他無數個事件有什麼不同?所以哥本哈根解釋在邏輯上根本就沒有一個結構可以討論。正確的理論是量子去相干,這在30年前歐美的物理數學界就已經確定,但是因為是個冷門題目,沒有很多論文發表,而且不是發表在“主流”物理期刊上,中國物理界似乎只有極少數人注意到。

至於愛因斯坦在那篇EPR論文中對量子力學本身的質疑,則完全是另外一回事。從量子力學創立之初,就有實驗暗示著非局部性(Non-locality,也有翻成“非定域性“),但是局部性卻是愛因斯坦推導相對論的基本假設之一(做物理專業的人,可以仔細想想Equivalence Principle的設定條件是什麼?兩個”局部“的系統...),雖然相對論本身和量子力學的非局部性可以勉強達成共存,亦即後者不能以超光速傳遞信息或能量,但是為什麼會有這樣的邏輯衝突,為什麼一個勉強的共存會存在,卻不是愛因斯坦這種有嚴謹邏輯思維習慣和能力的人,會願意像波爾那樣,草率放到一邊的。

愛因斯坦的那篇EPR論文,就是為了解決相對論和量子力學的非局部性之間的邏輯衝突,所做的一個嘗試。他的出發點當然是前者,所以假設後者只是一個假象,來自量子力學內部的未知結構;也就是,比量子力學更基本一層的理論應該是服從局部性的。貝爾後來也考慮了這個問題,認為愛因斯坦的假設是錯的,寫下了他的定理,然後後世的實驗一而再,再而三地證實了貝爾的想法。換句話說,量子力學的非局部性是Irreducible(無可簡化的)。《墨子沙龍》裡,把這稱為哥本哈根解釋的勝利,真正是莫名其妙。就算他們忘記哥本哈根解釋不是物理,先天就不可能用實驗證實或證偽,也該知道玻爾根本就懶得討論非局部性和相對論之間的衝突,更對非局部性能否被簡化完全無感。貝爾則和愛因斯坦一樣,知道哥本哈根解釋是個胡扯,他相信的是與之敵對的Bohmian Mechanics。《墨子沙龍》的作者如此顛倒黑白,張冠李戴,用句中國常見的玩笑話來說,能壓得住貝爾祖師爺的棺材板嗎?

我稱貝爾為祖師爺,是有道理的。現在流行的所謂“量子通信”,其實就是貝爾實驗把兩個粒子的距離拉開到幾百或幾千公里的成果。在有這個工業應用之前的幾十年裡,潘建偉這樣的人都會被稱為貝爾實驗的專家。專門做了一輩子的貝爾實驗,卻始終沒有去讀懂貝爾的著作,以致至今仍然相信哥本哈根解釋,是件非常非常奇怪的事情。

至於王國文的文章,討論的是Bohmian Mechanics的一個引申,也就是把點粒子換成波包。這似乎是最近兩三年的一個新嘗試,我以前沒有注意到,王國文也沒有列舉這個新理論的出處和任何參考資料,所列的參考文獻都是早年量子力學的經典著作。他文章中提到的澤亞。梅拉利(參見https://www.nature.com/news/quantum-physics-what-is-really-real-1.17585)其實並不是牛津大學的教授,而是英國媒體界的一個科普作家,那篇《Nature》的文章,也不是專業論文,而是介紹牛津的Owen Maroney團隊的一個關於Bohmian Mechanics(王國文把它叫做德布羅意理論,其實是同一件事,Bohm繼承了de Broglie的思路而完善之)實驗(也就是觀察BM的數學模型在巨觀系統下的一個體現,邏輯上來說並不能證實或證偽BM,然而BM原本就是物理數學而不是物理)的新聞稿。不過除了前述無關宏旨的一些小毛病,他文章的主軸,也就是對貝爾實驗的詮釋,遵循愛因斯坦 - de Broglie-Bohm-貝爾一系的正統思想,沒有什麼可爭議的。

我對他所解釋的那個Bohmian Mechanics的引申,很有興趣,會繼續找資料來做深入了解。這是因為王國文宣稱把點粒子換成波包之後,就可以直接相對論化。Bohmian Mechanics唯一的大缺點就在於不能與量子場論相容;過去60多年,一直有人努力不懈地鑽研這個冷門的題目,想要突破這個難關。把點粒子換成波包,對我來說,是一個很有潛力的點子,有可能會讓BM和相對性量子力學(量子場論又更複雜)相容,那麼或許就能解答前面提到的為什麼相對論本身和量子力學的非局部性可以勉強達成共存的難題。

BM本身就是顯性的非局部(Explicitly Non-local),所以它的引申也同樣地會有顯性的非局部性。BM解釋貝爾實驗不但是小菜一碟,而且原本就是貝爾自己用的理論。貝爾實驗證偽的,不是潛變量(Hidden Variables),而是愛因斯坦的EPR論文裡面假想的遵守局部性的潛變量理論。

話題轉到Frank Wilczec。他所發明的這個所謂“時間晶體”(Time Crystals),其實只不過是一個周期穩定的多體系統,就像地球繞著太陽轉,也是周期性的多體系統,但是在微觀尺度下,因為量子效應,就有可能自我穩定,能抗拒一點擾動。如果我們誠實地只把它叫做“周期穩定的多體系統”(Periodically Stable Multibody System,PSMS),那麼它因為沒有任何實用性,而且聽起來像是PMS(Post Menstrual Syndrome,月經後症候群),就會理所當然地無人理睬,淪為千千萬萬個冷門的項目之一。

事實上,如果和上週我們談過的楊政寧被PRL拒稿的論文相比,楊先生所討論的一維多體系統,不但給出了詳細的確解,而且在數學上也有廣泛的可能應用,照理說應該比時間晶體重要而且熱門多了。那麼,為什麼實際現象是剛好相反的呢?

除了Wilczec的朋友門徒眾多,在美國物理界的政治能量遠高於現在的楊先生之外,他為自己論文所取的“時間晶體”這個名字,真正是行銷學裡的經典之作。雖然沒有什麼深刻的內涵,而且Wilczec自己只不過是籠統地做了個提議,不但沒有做出詳解,而且連有什麼限制和性質都必須等其他人研究出來,例如後續的研究才發現時間晶體不可能處於平衡態(Equilibrium)。但是晶體正是整個凝態物理一貫的核心研究對象,人人都熟悉;而從空間扯到時間則暗示著凝態物理也可以搞相對論了,所以光是這個名字就極為高大上,一看就是熱門流行的品牌。更妙的是,只須要把凝態物理既有的技巧從空間轉到時間,真正是任何一個專家(愛因斯坦對專家的定義是訓練有素的狗)都不費什麼心思就可以出論文的題目。

有了響亮的品牌名稱和基本盤(即Wilczec的朋友門徒),一個新產品要成功,只需要有初始的市場能量(Market Momentum)。在這方面,Wilczec自己什麼真正的研究也沒做,就反而是關鍵了。正是因為真正的研究完全沒有開始,隨便一搞一大堆成果,所以論文特別容易寫。一旦大家被吸引進來,又自然有網絡效應,保證互相引用(Citations)數量極大。這樣一來行銷的能量就會自行累積,很快成為現象級的產品。我在前一陣子討論有關“天使粒子”的炒作,其實那些人背後的考慮也是一樣的,只不過那個名字太牽強,宗教意味太濃,反而對行內人沒有吸引力;再加上出論文還不到時間晶體這麼容易,所以雖然也搞了起來,熱度就差了一個數量級。如果像楊先生那樣,喜歡在一篇論文内就涵括所有可能做的出來的研究結果,那麼除非他剛好解答了一個古老的極為困難又極大的問題(例如Yang-Mills),後續論文數量自然很接近零,引用的數量也不會太多,結果就只能是冷門中的冷門。

所以Frank Wilczec成功而楊振寧失敗的關鍵,就在於後者只懂得做科學研究,而前者卻是當代物理界自我炒作、建立品牌方面的絕對大師。Wilczec不但和楊先生一樣有諾貝爾獎,而且他是古今中外、獨一無二、絕無僅有、獨步天下的高中科學展全國金牌獎(美國的原本叫做西屋科學展,後來改由Intel資助)兼諾貝爾物理獎雙料得主。這些科學展每年都有金牌獎得主宣稱已經治愈癌症,或者解決全球暖化,或者能提供無限廉價而清潔的能源等等,但是他們一旦拿著獎牌進了大學,就從來沒有任何一個研究結果真正進入人類社會。換句話說,這些科學展評比的,不是研究本身,而是如何炒作假大空的研究結果。所以Wilczec的確有世界級的過人天賦,從小就在自我炒作方面脫穎而出。

這些科學展金牌獎得主不但高中時代的研究結果沒有下文,而且後來也不可能自己做出諾貝爾獎級別的創新。那麼Wilczec的諾貝爾物理獎是怎麼來的呢?他21歲那年,剛進研究所不久,拿著科學展金牌獎得主的光環,得以成為名教授David Gross的學生。當Gross證明Yang-Mills方程式可以產生強作用力的已知特性,從而確立QCD為標準模型的一部分時,他自然成為第二作者。也就是他運氣極佳;若是早五年或晚五年生,David Gross的學生和第二作者就會是另一個人,Wilczec也就不可能得諾貝爾獎了。這樣的運氣當然是罕見的;而且近年的Intel科學展金牌獎得主在進了名校(一般是Stanford或MIT)之後,往往很誠實地轉行學商,準備到矽谷去創業。如此一來,要有後輩重複Wilczec的雙料得獎,可能性就越來越低。

你所懷疑的,時間晶體是迎合熱點的一個例子,不但正確,而且它其實是創造熱點的經典範例,商學院應該把它列入教科書才對。不過,當理學院的大師搞的其實是商學院的高招時,他們出版的研究結果自然就很可疑了。我最早是在高能物理注意到這類運作(Wilczec也是高能物理出身的):這樣的教授通常廣收門徒,以便結黨成派;在做Brainstorming時,討論也會非常關注如何,1)為題材選擇響亮的名字,和2)留下空檔,以方便後續論文發表。30年下來,高能物理不這麼幹的都退了,只剩下這些職業政治家兼營銷大師當權;與此同時,整個領域的實際進展也完全停滯,從科學轉化為玄學。我不能確定,這兩個現象,那個是因,那個是果,但是凝態物理現在也開始轉變為營銷專業戶,這對整個行業來說,不可能是個好現象。

【後註】Bell定理其實還有一個邏輯上的小漏洞,是John Bell自己在1977年討論過的;有興趣者,請自行搜尋他的論文《Free Variables And Local Causality》。簡單來説,就是邏輯上不能完全排除整個宇宙的歷史都是環環相扣的可能性,也就是我們直覺認爲是明顯獨立的不同隨機事件,其實可能在最深的理論層次都是連鎖的,那麽實驗儀器的設定(例如量子通訊裏的偏光方向)就不是真正的隨機。不過這個可能性實在是太牽强,只有一點數學上的意義,Bell認爲沒有追究的必要;我也同意。

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  • 作者:王孟源

引用

迴響(8)

# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
我個人對理論物理(高能,凝聚態等)的未來發展前景持悲觀立場,我認為理論上經過過去60年左右的探討,可知的東西已經不多了,剩下的,主要是不可知。這或許有些哲學的味道,對我這樣一個學物理的人有些不地道。

我一直懷疑暗物質是否真的存在。我認為,所有的物資都應有可知的物理屬性,力學屬性也好,電磁屬性也好,如果沒有這些屬性,人類無法用已知方法來探測和感知。如果不存在,或者是不可知,人類沒有能力證實或者證偽。

整個物理領域的未來發展,能夠做出一些成果的方面,主要可能集中在應用領域,可能出成果的可能是以下幾個方面:第一,超低溫現象(超導等),第二,微粒子現象(納米粒子等),第三,超遠程和天文。

量子的應用剛剛開始,據潘建偉自己講,其實他也沒有真正弄明白,為什麼會有量子糾纏?也就是說,人類並沒有弄清楚量子糾纏的機制,只是發現了這樣一個現象並加以利用。

學術造假和學術營銷,其實是近年幾乎所有科學類學科的生存之道,而以理論物理最為嚴重。原因很清楚,前面根本無路可走。一大堆的大學院系,研究機構養著眾多博士,教授,研究生,本科生都要謀生,總得想辦法化到緣才能維持這些廟宇的正常運作吧,不忽悠,不營銷都不行。

各種學術熱門也就在這些營銷手段下應運而生,目的就是忽悠資金和爭取名譽,還有就是忽悠更多精英加入其中。忽悠到資金,爭取到名譽的危害有限,但是忽悠到稀缺精英人才加入其中卻會造成極大的浪費,特別是中國這種本來就容易被忽悠的民族,危害極大。
我也認爲理論物理的Low-hanging Fruit已經被摘采殆盡,未來的進展只有越來越慢。偏偏世界的潮流是躋身工業化經濟行列的國家越來越多,他們一旦解決了溫飽問題,自然會開始投資在基礎科研上,所以全球整體來看,進入這些行業的人才也只能是越來越多。

在正文裏,我說我不知學術營銷和進展停滯,哪個是因,哪個是果。但其實最可能的是互爲因果:因爲進展停滯,行業人口卻增加,粥少僧多,競爭過於激烈,所以只有懂營銷的才能成功出名;但是出名、主導的都是營銷專家,結果是大家跟著一窩蜂追求無實際意義的流行題目,進展就更慢了。

暗物質從重力的觀點是必須存在的,但是若要能夠對它做任何進一步的研究,只能假設它參與弱作用力,這個假設我估計成立的機率在1/4以下,換句話說,那幾萬篇論文有75%以上的機率是集體做夢。若是果然如此,那麽暗物質就是你説的“不可知”項目的最佳範例。
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
時間晶體這个名讓人一聽眼睛就亮了,令人好奇心大起。
這還只是對行外人的吸引力;對行内人更加像是蒼蠅聞到腐尸一般。所以我說它是行銷學的經典之作。

像是“天使粒子”,純粹只對部分行外人有效,相形之下,只能算是業餘級別的行銷口號。
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
王國文的大名在幾年前g o o g l e潘建偉時看過,王對潘的批評有相當的不理性的成份。
天使粒子這名取的真爛,一聽到就反感,不過這可能是宣傳對像的不同,天使粒子也許是針對一般大眾。
我只看了王國文一篇文章,不足以對他的個性置評。

他的這篇文章條理不太完美:該列的參考文獻沒有列;花了半個篇幅講相對論,最後卻並沒有用上,一旦開始談非局部性這個主題,相對性公式就先被簡化為原本的非相對性版本了。很明顯的,他的邏輯思維能力和楊先生不在同一個水平上,但是世界上又有多少人能達到那個標準?
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
同意王兄的觀點,許多現在的學術研究並非在研究內容上追求更扎實,更完美的理論,實驗或觀察,而是增加研究者自己的知名度,影響力.

這幾天看到浙江大學的新聞,真的快昏倒: "未來浙江大學职教职工及在校学生若在《人民日报》、《光明日报》和《求是》杂志刊发,并形成重大网络传播的作品,可申报认定为等同于国内权威学术期刊. 在中央级报刊、电视新闻媒体刊发或播报,并形成较大网络传播的作品,...可申报认定为等同于国内一级学术期刊..."未來在中國的網傳作品也可以被認可為学术期刊,這真是一大創舉. 如此下來,學術與宣傳的界線今後將更為模糊.

www.news.zju.edu.cn/2017/0916/c775a639473/page.htm

我從四五年前,就注意到浙江大學特別喜歡搞忽悠炒作。記得那次是一個類似魔術的鏡面和棱鏡組合,當攝影頭設在某一個特定角度,會只看到背景,而不是棱鏡系統中心的一個物品。這種東西,江湖術士玩了幾百年了,浙江大學居然宣稱是發明了可見光隱身系統!

後來又有好幾次相似的新聞,都是拿初中科學展水準的玩具來號稱世界第一。現在我一看到浙江大學就搖頭。
  • 2017-09-27
  • Kun
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
唉,不止浙大,国内不少大学都不缺这种炒作。比如那些做生物学研究的,有些喜欢搞一些吸引眼球的噱头,比如检测天才基因,音乐基因等,接受一些三四流媒体采访,然后募资开公司,公开忽悠老百姓的钱。中国急速发展的经济,网络时代的特性,加上中国大学研究机构过分集中在经济发达的地区,给很多人提供了钻空子的动机和机会。研究人员都集中在一线城市,生活压力使科研人员无法一门心思做研究,成天想着怎样赚钱快,这样的心态对待科学,难免急功近利,不守诚信。

陈平建议中国在中西部,远离城市喧嚣的地方建立十几个产学研一体的科研中心,我很赞成,但这种举动在前期需要政府极大的干预和投入,而且需要对抗的利益集团十分庞大,需要十几年的耕耘才能初见成效。新近公布的双一流大学名单,我一看也是直摇头,北京以不到5%的人口占去了超过30%的一流大学和学科。清北这样的大学早就不需要国家如此大力度的投入了,中国应该把更多的资源投入到二三线城市的大学,一线城市中慕名而来的年轻科学家都快挤破头了,国家还不断加码,真是不把地方高校逼死不罢休啊。
所以我說學術管理是中共最大的弱點之一。如果我的建議能獲采納,會有很大的差別。
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
“隐身衣”的炒作,是从伯克利的一篇所谓超材料(这也是炒作忽悠重灾区)的文章开始的,国内中科院、浙大跟的风。
其实内行一看就知道,这种所谓光子晶体(即便比浙大那个简单的镜子组合高级得多)的思路,在频谱和观察角度上肯定是极其受限的,除了炒一波,基本没啥实用价值。
你説的是那個在微波頻段上用微結構(Meta-material)來產生負的Refractive Index的實驗嗎?那至少是真的物理,不是江湖把戲。
# re: 【基础科研】如何创造研究热点和一些其他物理话题
不知博主是否了解EmDrive?据称这种推进装置在空间中无需化学物质就可以推进器,defy了牛顿定律?目前还在实验室阶段。我不是物理专业出身,没有能力理解相关原理。
自欺欺人的傻事,以前評論過了。
# re: 【基礎科研】如何創造研究熱點和一些其他物理話題
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