只信眼见为实，你会错过宇宙的大部分

哈佛的 Lisa Randall 研究理论物理与宇宙学，课题包括粒子物理、超对称（supersymmetry）、重子生成、宇宙暴胀，以及暗物质。大众一提“暗物质”，脑子里常浮现出玄秘的画面。她想让人明白的，远不止一个尚未找到的粒子。她跟 Lex Fridman 聊到，物理学一面揭示我们的边界，一面展示我们的本事：人能从间接线索推断出看不见的存在，这恰是人类智力的光荣；但它同样提醒人，别把感官当作唯一的依靠。

她说，如果只相信直接看到的东西，你会错过世界上发生的很多事情。暗物质是最典型的例子。我们看不见它，但它并不只是一条线索。在《暗物质与恐龙》一书中，她梳理了物理学家得出结论的八九种彼此独立的途径：不仅证明暗物质存在，还能判断它有多少，而且这些途径的结论彼此吻合。所依据的手段是引力。单个粒子的引力微乎其微，引力比自然界其他的力弱得多，但宇宙中暗物质的数量庞大，其能量约为原子所构成的普通物质的 5 倍。

那我们该怎样理解它？它是另一种不与光相互作用的物质，至少就我们所知是如此。它会发生引力相互作用，会聚集，会形成星系，只是不发光。在引力波探测器出现之前，我们探测到的几乎所有东西，都是借助它与光的相互作用才被发现的。Randall 说，我们看不见它，并不会让它的存在缺乏正当性，只意味着弄清楚它究竟是什么，要难得多。

Randall 的第一个修正是：不要把暗物质神秘化。在引力上，它的表现和其他物质一样，但它不参与电磁相互作用，所以分布也不同。在我们的银河系中，除非它有自己的相互作用，否则它大致呈球状分布。普通物质能够辐射、降温、失去能量，然后在角动量守恒的作用下坍缩成盘状，而不是一路落到中心。这就是我们看到银河系盘面的原因；而暗物质缺少这条辐射途径，于是一直以球状弥散地分布着。

不要想当然地认为普通物质是主角。暗物质更早、也更容易坍缩。普通物质受辐射力的影响，在小尺度上难以坍缩，所以推动星系形成的是暗物质，普通物质是之后才跟上的。暗物质的数量也更多，因此它的能量密度会比普通物质更早开始压过辐射。她在书里打趣说，我们看一座建筑时想到的是建筑师，却忘了那些干粗活的工人。宇宙形成时，暗物质就是那个干粗活的角色；我们之所以忘了它，是因为看不见它。

暗物质的能量是原子物质的五倍，这会让我们占 5% 的份额听起来像剩下的残羹冷炙。Randall 把这种比较反过来看。我们有局限，也是人类，而我们所知的物质只占宇宙能量密度的 5%，约为物质总能量密度的六分之一，这本身就很了不起。外面本可以是任何东西，我们看到的宇宙只是其中相当可观的一部分。她补充说，物理学在这里很有用，因为我们的很多词汇都建立在我们看世界的方式之上。物理学训练你建立跨越不同距离和尺度的直觉，超越那种能立刻想象出来的画面。

Fridman 提到一种说法：暗物质可能与灭绝事件有关，即位于太阳系边缘的奥尔特云（Oort Cloud）受到引力扰动，随后撞击地球的天体会更频繁。Randall 在欣赏这个想法之前，先保持了谨慎。这只是一种推测性的理论。物理学家通常假设，暗物质只是一种东西，除了引力之外基本不相互作用，或者相互作用极弱。她想跳出这种思维定式，问问那里还可能有什么。我们自己的世界并不是一个简单的模型：有原子核、电子，还有各种力。也许暗物质同样有某种结构。

这个设想是：一部分暗物质（并非全部）可能有自己的相互作用。如果其中一部分会辐射，她喜欢把这种辐射称为“暗光”，因为那是我们看不见、而暗物质能够看见的光。那么它就可能像普通物质坍缩成银河系那样降温，并坍缩成盘状。从理论上说，它可能是一个非常薄、非常致密的圆盘。此后，人们已经在恒星数据中寻找过这样的圆盘。这一目标的好处在于它可以测量：恒星的位置和速度，能告诉你银河系的结构。

接下来是更有趣的设想。太阳系绕着银河系运行，同时会像旋转木马上的马一样上下轻微起伏。每当它穿过一个致密的暗物质盘，就更有可能把奥尔特云中的天体扰动出来。在那些时刻，发生大灾难的可能性会更高，其中就包括那次我们确知的最近一次大灭绝，发生在 6600 万年前。Fridman 指出，这对恐龙和地球上三分之二的物种来说并不妙，但对哺乳动物和我们而言，却是件了不起的事。

她喜欢这个故事，是因为它听起来像五岁孩子编出来的：也许恐龙是被一块撞上地球的大石头杀死的。之后，严肃的科学解释在它的基础上慢慢长了出来，把地质学，以及当时还很新颖、认为变化来自剧烈灾变的想法都引了进来。她喜欢暗物质盘，也出于同样的理由。它听起来再离谱，也有可以去检验的观测后果，能够验证它是否属实。后来有批评者说，这个理论让暗物质变得比本来更怪。她的回答是，我们根本不知道暗物质有多怪。它原本并没有什么固定的“样子”，也没有标准可以比照。人们以为自己知道暗物质是什么，其实并不知道。

Randall 说，这本书的主要观点之一，也是她写这本书的原因之一，是她认为我们正在滥用这颗星球，改变它的速度太快了。改变一样东西之前，最好先想想它是怎样走到今天的：先要形成结构，然后是星系，然后是太阳系，接着是地球，最后才是人类。我们在一定程度上，是一颗大天体撞击地球、恐龙灭绝、哺乳动物兴起之后的结果。这是一段令人难以置信的历史。她对 Fridman 说，或许还会有别的东西从中诞生，但如果我们把它搅乱得太厉害，那就不会是我们了。

对检验而言，形状依然重要。我们能看到的银河系是一个圆盘，在干燥、漆黑的地方就能看见。人们认为暗物质大致呈球状分布；正因为是球体，即便盘面中的暗物质很少，球体中仍然堆积着大量暗物质。据我们所知，它之所以不发生坍缩，是因为它不能用同样的方式辐射。前面的设想是，其中某些成分或许可以。人们已经看到了某些特定密度圆盘的证据。这些问题值得追问：既然能用现有的测量来弄清楚，为什么不去试试？

暗物质未必都是同一种东西，但这只是一种可能。我们不知道它的大部分是什么，也不知道其中哪一部分是什么，因为我们看不见它。她描述的那类探测依靠的是引力。其他候选者有各自的特征，轴子（axion）就是其中之一。直到不久前最受青睐的候选者是弱相互作用大质量粒子（WIMP），之所以如此，是因为至今没有人找到它。它们的质量与希格斯玻色子相近，由此得出的暗物质密度大致合理；如果它们与标准模型有联系，探测的机会也更大。但这也意味着，它更有机会被排除。地下的 XENON 探测器仍在不断收紧对它的限制。大型强子对撞机原本也被寄予厚望。考虑到它已经取得的成果，她现在认为，在那里发现它的可能性很小。

被问到大型强子对撞机对人类最大的启示是什么时，Randall 给出了两面的评价。它是一项重大胜利：希格斯玻色子在五十年前被提出，随后被发现。希格斯机制似乎是解释基本粒子质量的唯一途径，结果证明它是对的。另一方面，她在这个领域待得够久，因此也把它当作一则警示。她刚入行时，美国正在推进超导超级对撞机。许多物理学家，尤其是欧洲的物理学家，都说大型强子对撞机的能量足以发现标准模型背后的东西。很多人以为，那里会出现的正是超对称。

她认为，正是这种笃定，让大型强子对撞机成为唯一的选择。如果超导超级对撞机能达到预定目标，它对这一领域的检验会更有力：能量更高，事件更多，也更有把握找到下一层结构，或者将其排除。对人类而言，这样的对撞机既是对发现的致敬，也是对“相信，就去探寻”这种精神的致敬。它同时也是一种警示。你要相信自己的理论，同时也要以那种更有可能让你发现真相的方式去质疑它。不要在东西被找到之前，就先下结论。

Fridman 补充说，这也是一项宏大的工程，而且给了人们一个教训：还可以做得更大。她很高兴他这么说。大型强子对撞机在技术上令人印象深刻，在工程层面令人印象深刻，而且许多国家共同推进了一个长期项目，并且真正兑现了承诺。它证明，人一旦下定决心，就能做成惊人的事。官僚体系、政治和经济，都能让一台机器加速，也能让它放慢。科学是推动进展的途径，政治则常常是让进展放慢的途径。她不想把这一点说得太过，因为没有政治，大型强子对撞机也同样不会建成。

她说，有时候，让人们一起做一个项目，本身就很好。她提到 SESAME，那是一个让巴勒斯坦人和以色列人在科学领域合作的项目。把政治放在一边，专注于某个具体项目，有时候是行得通的。欧洲核子研究中心（CERN）本身就是在二战之后成立的。当时许多欧洲物理学家已经离开了欧洲，他们希望看到欧洲人重新合作、重建家园。这件事做成了。她常常觉得，一个主要问题是我们见到的人太少。当某个人看起来像是“他者”时，就更容易忘记他也是人。这一类的联结很重要。

考虑到导致恐龙灭绝的那些尺度，她会担心未来还会有类似的事件吗？如果按物种被灭绝的数量来定义，她确实认为我们现在可能正处在一场灭绝之中。这一点很微妙，因为系统非常复杂。有时候物种会进化，有时候动物只是迁移。我们开发地球的方式，让物种很难迁移到别处，而人类身上也能看到类似的情形。我们很少去想未来，只考虑眼下在做什么，却很少顾及我们正在毁掉的那些动物，以及那些处在人类演化前端、而我们仍然依赖着的物种。

Fridman 想知道，真正的威胁是我们看着它慢慢逼近的那种，还是几乎来不及察觉、突然降临的那种：比如小行星、核战争，或者几天之内就会展开的事情。她指出，人们对灾难的认识总是滞后，这也是为什么过了很久，人们才弄清上一次大灭绝的成因。许多人以为事情是渐进的。灭绝这个概念本身，一度也是新颖的想法。这类事件，除非在很大的尺度上，否则通常难以预测。人们曾经相当清楚核武器的危险。她不确定现在的人们是否还像二三十年前那样清醒，这让她担忧。

她以前对 AI 没有其他人那么担心，现在她明白了。一旦你创造出无法掌控的东西，就会令人害怕。她说，当下还给我们上了另一课：只需要少数坏人。要让事情运转良好，需要所有人共同努力；要让事情出错，却不需要那么多东西。疾病也是如此：找到病因，并不等于让情况变好。要保持健康，许多环节都得正常运转；要出错，只需要一个环节出错。民主也一样。我们依赖的许多东西，都处于脆弱的平衡之中。我们努力让它们更有韧性，但少数极端事件仍可能改变局面。她认为，人们对核武器的恐惧程度不够，而核武器的危险比人们意识到的更严重。人们对流行病的恐惧比以前多了一些，但仍然不够。

她曾获得美国西南部一家核历史与技术博物馆颁发的奖项。前去参观后她发现，那里主要是一座核武器博物馆。可怕的是，这些东西看上去非常酷。你会同时产生“这很可怕”和“这很酷”两种感觉，而我们必须绕过这种矛盾。她听取了几位冷战时期在那里工作过的人的讲解，还有一两位曾参与曼哈顿计划的人的讲解，这才意识到，东西本身是怎样让人兴奋的。你不会去想它的整体后果。这有点像早期的硅谷：人们只想着“如果我们做这个会怎样？”，却不去追踪外围的后果。她看到现在的 AI 也在全速前进。她引用 Rilke 的话：美，不过是我们仍能勉强承受的恐怖的开端。这句话也适用于核武器。放到更日常的层面，它也描述了科学家所处的边缘：不知道答案，也不知道能否找到答案。这令人沮丧，但还不至于毁灭地球，直到某些想法带来的后果比你预想的大得多。

Fridman 问，光是事物的规模本身，比如暗物质的数量、银河系中心的黑洞，难道不让人害怕吗？Randall 的回答几乎是对自己性情的一番剖白。也许这正是她成为物理学家的原因，也是她与别人不同的地方。在某些方面，她对人类并不那么推崇。要是我们就是一切，那会非常无聊。她喜欢这样的想法：外面还有更多东西，宇宙更大，有许多东西等待发现，而我们并不是全部。如果我们就是全部，那难道不令人失望吗？我们根本不知道外面有多少东西，我们只知道目前能观测到的部分。还有很多尚待弄清的东西，这让人兴奋，谈不上令人恐惧。

Fridman 提出了一个天马行空的问题：地球上的生命是复杂性的一个局部，它需要大量条件和达尔文式的进化。暗物质内部会不会也有这样的局部，化学与生物以我们看不见的方式演化？她说有可能。如果前面提到的那些相互作用确实存在，这就是可能成立的情形之一，不过那需要更复杂的相互作用，而我们并不知道是否如此。产生生命和复杂性的条件本身就复杂而罕见，所以机会并不大。但也没有理由断定它不会发生。值得探究的是，暗物质领域中是否还存在其他的力。

据我们所知，那个领域不具备标准模型中的那些力。也许在很低的程度上有。它可能有自己的力，正如暗物质可能无法接收我们的光，也可能有我们感受不到的光。即便在我们这个领域内，也可能存在其他种类的力，它们太弱，至今尚未被发现，或者作用在我们所不了解的尺度上。我们只能探测到那些与探测器有足够强相互作用的东西。这也是我们建造大型对撞机的原因之一：去看看在更高的能量和更短的距离尺度上，是否存在其他的力和粒子，那是我们尚未探索过的领域。这不只是一个暗物质的问题。即便在我们这一侧，也可能还有大量我们尚未了解的东西。

Randall 说，粒子物理的标准模型告诉我们自然界最基本的组成部分及其相互作用：原子核与电子、质子与中子、由强相互作用束缚的夸克、弱核力、电磁力，以及现在的希格斯玻色子，它与基本粒子如何获得质量有关。质量的组合十分奇特：不仅有上夸克和下夸克，还有粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克；不仅有电子，还有 μ 子和 τ 子；中微子仍在被大量研究。在粒子实验中，通常可以忽略引力。暗物质不在这份清单之内。它不通过这些力相互作用，因此，除了它的数量极其庞大之外，我们通常看不到它的效应。标准模型取得了极其出色的成功，并经受了高精度检验。物理学家的一项工作，就是希望它在某个层面上失效。他们寻找那个精度或能量的临界点，在那里标准模型不再适用，因为这些偏差能告诉我们其背后是什么。

那么该往哪里找？一是更高的能量，包括大型强子对撞机之外更高的能量，因为能量越高，距离就越短，也就能产生那些以前能量不够、无法产生的粒子。另一个方向是精度。如果模型已经在 1% 的精度上得到检验，那就去看千分之一的水平。有些过程在标准模型中本不该发生，或者只能以极度压低的概率发生，这些也值得去找。重大的未解问题包括：粒子为什么具有现在的质量；以及，希格斯玻色子为什么比按相对论和量子力学可能预期的质量轻得多。她指出，一个结构中有多少来自环境、有多少来自初始信息，几乎是每个领域都面临的大问题，其中也包括我们的宇宙是否只是许多彼此独立、我们甚至无法与之相互作用的引力系统之一。

Fridman 接着读到了她与 Carlo Rovelli 的分歧。Rovelli 写道，电子并不总是存在：只有在相互作用时它们才存在，与别的东西碰撞时才在某个地方“具现”出来。Randall 的回应是：股票在被交易之前，也许没有一个精确的价值，但这并不意味着我们无法估算它的价值。电子也许没有确定的性质，但它确实存在。的确，在位置被测量之前，电子并不是一个位置确定的经典物体。它在那里，物理学家用波函数来描述它。她喜欢这样想：无论她是否在看，宇宙都在那里。如果事物只有在她看到时才存在，那就太奇怪了。她也可以因为自己现在不在中东，就认为中东不存在，但那太荒谬了。我们能归于自身观察能力的东西，其实是有限的。

争论的焦点与标准模型关系不大，关键在于如何理解量子力学。她会说，那些波函数是真实的。量子场论说电子可以被产生，也可以被湮灭，对撞机中正是这样发生的，但这并不意味着原子中的电子就不存在。它的电荷是存在的。最底下还有没有一只乌龟托着？她看上去不像会这样问，但她认为自己比许多物理学家更谦逊。她不确定我们能否抵达那个最底层。她确实认为，我们会继续穿透一层层结构。距离这个概念本身，也可能会失效。当她说我们已经测量了一切时，那只是有所保留的说法：指的是日常生活中，已知组分的层面。意识以及许多其他现象，处于更高的层次。她扔出一个球时，并不会告诉你每个原子的位置，她只会说那里有一个球。对于泛心论这类离奇的理论，比如把意识当作一种基本力，正确的做法是先在已有框架内检验各种可能性，不要直接跳到最离奇的选项上。你当然可以这样做，但那就需要证据，或者证明没有它就无法解释这一现象。我们离那一步还很远。

科学的边界在哪里？她说，自己足够聪明，所以知道自己并不知道答案，而且甚至不清楚“科学”究竟指什么。粒子物理寻找的是基本的东西，生物学则在更高的层次上提出不同的问题。在一个更依赖数字的时代，或者有了 AI 之后，回答一个问题可能意味着预测或复现，这会改变“科学”的定义。现在就宣布科学的局限，还为时过早。二十世纪初，人们还不知道宇宙在膨胀，也不了解量子力学和狭义相对论。在相对较短的时间里，这已是巨大的变化。过去也有人宣称一切都已解决，结果都错了。

自上而下（top-down）的理论物理，是从一个你认为非常完美的理论出发，由它预测一切，或者至少预测其中的主要特征。自下而上更接近他们刚才提出的那些大问题：我们测量事物，然后想办法把它们串起来。通常，好的做法是在某个具体问题上把两者结合起来。这个群体往往会分裂成只做其中一种的人。她最好的一些合作，就是与比她更偏自上而下的人一起完成的，因为双方都想出了单凭自己想不到的点子。Fridman 问，真正的重大飞跃，是不是像爱因斯坦那样，自上而下完成的？她说，爱因斯坦一开始并不是自上而下的人。狭义相对论，是他在思考麦克斯韦方程组在它们看似具有的对称性之下，怎样才能说得通。他非常自下而上，而且很长时间里都抵触自上而下的方法。

当他想把引力纳入广义相对论、需要反馈时，一位发展了微分几何的数学家帮他把方程写了出来。在那之后，他认为自上而下才是正道，但实际上他并没有取得多少进展。她说，认为这只能二选一，那是天真的。许多真正取得进展的人，都扎根于实际测量。物理和数学的重叠比外行想象的更多，但两者关心的问题不同。数学家喜欢结构本身，物理学家则专注于它对世界的影响。洞见可以很美。如果你看到爱因斯坦的方程按分量一项项展开写出来，未必会觉得它很美；用紧凑的形式写出来，它才显得漂亮。

弦理论的成功与失败？用这种方式谈论任何科学，往往都抓不住重点，因为并不存在一个绝对的终点。她确实认为，弦理论学家在一开始有些过于傲慢，以为自己能解决许多其实解决不了的问题。这并不是说没有方法和进展，只是他们并没有能立刻解决所有原本以为能解决的问题。这一理论提供了工具和洞见，但它几乎变成了一个社会学问题：朝哪个方向投入多少精力才算合适。人们可能会陷进问题本身或方法之中，只去做别的例子。真正的物理洞见，往往来自那些既想着物理、又懂数学的人。

AI 有没有可能找到有价值的洞见？人类在发现世界新事物方面究竟有多特别？她说，这取决于洞见的种类，而这一点我们终将弄清楚。想象一个还没有完全存在的东西，本来就很难。她用互联网作为一个低维类比。互联网有了自己的生命，我们也确实在某些地方能驾驭它。如果没有互联网，她就写不出那些书，因为她没有时间一趟趟跑图书馆、把一切都查一遍。它对她帮助极大。在一个理想的世界里，AI 可以成为这样的工具：更高效地帮我们再前进一步。它在某种程度上已经做到了这一点。但它也可能像互联网中那些我们无法控制的部分一样，破坏政治。有大量迹象表明，它确实可能这样做。

就真正弄清事物而言，我们还处于早期阶段。Fridman 把这个领域分成两类：一类是精确的定理证明工具，另一类是大语言模型，它们会提出看上去很有说服力、但我们并不知道是否属实的东西，这对物理学来说是个大问题。她表示同意。大语言模型或多或少是对已有内容的概括。AI 中仍有突破等待发生，也许它们正在发生。也许在某些情况下，正是模式识别带来了重要的成果。有时候，它可能比这更有洞见，只是她也说不清那究竟是什么。我们其实并不真正了解自己有多聪明，也不了解我们是如何思考的。有一件事是确定的：目前在提出想法方面，我们比计算机高效得多，耗费的能量也少得多。如果计算机能学会这一点，那就完全是另一码事了。

还有一些不那么抽象的问题：在一个以资本主义和某种政治体制为基础的世界里，AI 会被如何使用，全球政治会如何应对它，我们会把它用来做什么，研究者又能在多大程度上自由地提出不同类型的问题。在起步阶段，人们做的大多是玩具式的小问题。它究竟会被用在哪里，又会被优化去做什么？她说，这些问题我们真的必须开始正视。就目前而言，她并不认为人们已经用这种方式发现了新的物理定律。将来会不会？也许会。

所谓“最美的未解难题”，要看是指最美的，还是指她认为我们能取得进展的那个最美的。大多数重大问题都与事物的根本、起源、科学能走多远、我们实际看到了多大比例、是否存在其他的力或其他看世界的方式，以及是否存在我们宇宙之外的其他宇宙有关。如果那些宇宙完全不同，我们甚至不知道该如何理解或探测它们。她希望我们能更多了解暗物质、暗能量、额外维度，也就是她真正在研究的那些东西。《Warped Passages》中的一个结果仍让她兴奋：可能存在更高的维度，但只在局部，我们感受到的引力才像是低维的。我们或许只是在局部意义上觉得自己生活在三维之中。对于可观测宇宙，物理学的面貌是一致的。在那之外，谁知道呢。

对于高中或大学阶段的年轻人，她会给出什么建议，帮助他们拥有一份值得骄傲的事业和人生？作为科学家，或者更广义地说作为学者，有件很奇怪的事：你必须非常坚定地相信自己在做的事，同时又要时时刻刻质疑它。这是一种很难的平衡。有时候，合作会有所帮助。既真心相信自己能有好的想法，又明白这些想法可能全都是错的，这是一条艰难的钢丝。但你仍然必须走下去，否则你就无法真正检验它们。还有另一点：有时候你向外望去，会觉得外面有那么多东西。有时候，把目光收回到自身，问问自己：我能不能想出和身边这个人一样好的点子？别去跟历史上最伟大的物理学家比。

外面有许多重大议题，要在它们和物理学的作用之间取得平衡并不容易。Robert Wilson 在建造费米实验室（Fermilab）时说过一句很到位的话：这东西不会保卫国家，但会让这个国家值得被保卫。在这一切混乱之中，我们仍然需要在这些事情上取得进展。当重大的世界事件发生时，人们很容易忘记这一点。这些事件同样重要。你不想忘记它们，但仍要努力保持平衡，因为我们不想失去那些让人类与众不同的东西。她确实会沉醉于解谜的单纯乐趣。大家都喜欢解谜。

驱动她做研究的，是那些互相矛盾的地方。事情说不通时，这会让她很恼火，于是她会朝不同方向去尝试，看它们怎样才能拼在一起。这种恼火本身就是动力，因为她内心相信事情应该说得通，尽管世界以各种方式向你呈现，还似乎在告诉你，本来就不该说得通。如果你相信它说得通，就会去寻找背后的逻辑。她认为，这对所有事情都是好建议：试着弄清楚事情为什么是现在这个样子。在《叩响天堂之门》中，她花了大量篇幅谈有效理论。有时候，与其只问大问题，不如先问那些眼下可以测量的问题。有时候你能提前看出，某个方向注定会失败。我们去接近大问题时，最好从有效理论的视角切入，同时心里仍装着那些大问题，一小步一小步地走。

我们觉得身边的世界很美。她不确定，如果我们拥有不同的感官，还会不会这么觉得。不过她还是要说，无论看过多少次日落，她总觉得它很美。有些东西显然与我们作为人类的感受产生共鸣，也许我们的进化正是朝这个方向发展的，但那关乎的是我们自己。就弄清宇宙而言，我们已经走了多远，令人惊叹。我们已经发现了许多美好的东西，外面还有更多。她希望我们有机会继续走下去。