摘要：在现代物理学的神殿中，很少有人能比得上杰拉德·特·霍夫特的安静权威。这位荷兰理论物理学家，现在是荷兰乌得勒支大学的荣誉教授，在过去半个世纪的大部分时间里，他重新塑造了我们对联系现实的基本力量的理解。但特·霍特谦逊、温和的言谈方式掩盖了他崇高的科学地位，这一点通
由 李·比林斯 杰拉德·特·霍夫特。由普娅·索内维尔德提供
在获得世界最高奖金科学奖后，杰出的理论物理学家杰拉德·特·霍夫特反思了他的遗产和物理学的未来。
量子物理学
在现代物理学的神殿中，很少有人能比得上杰拉德·特·霍夫特的安静权威。这位荷兰理论物理学家，现在是荷兰乌得勒支大学的荣誉教授，在过去半个世纪的大部分时间里，他重新塑造了我们对联系现实的基本力量的理解。但特·霍特谦逊、温和的言谈方式掩盖了他崇高的科学地位，这一点通过定义其工作的数学严谨性和深厚的物理洞察力——以及他获得的众多著名奖项，包括诺贝尔奖、沃尔夫奖、富兰克林奖等，得到了更好的体现。
他的最新荣誉， 于4月5日宣布 ，是科学界最有利可图的奖项：基础物理学特别突破奖，价值300万美元，以表彰“t Hooft”在其漫长职业生涯中对物理学的无数贡献。
他最著名的发现——以及他与他的前博士论文导师、已故的Martinus Veltman一起获得的 1999年诺贝尔物理学奖 ——展示了如何理解 非阿贝尔规范理论 ，这是描述基本粒子如何相互作用的复杂数学框架。Together, 't Hooft和Veltman 展示了 这些理论可以被重整化，这意味着在计算中出现的难以处理的无限量可以用一种一致和精确的方式来驯服。这一壮举将改变科学历史的进程，为 标准模型 ，粒子物理的统治范式奠定基础。
但除此之外，图霍特还取得了 许多其他突破 ，这些突破数量众多，而且在大多数情况下过于技术化，无法在此进行详尽描述。然而，其中一些最值得注意的包括他的 贡献 对于我们对夸克被限制在质子和中子中的方式以及磁单极子自然 出现 的理解。 来自基本力量的高能量统一，以及 黑洞物理学 .特别是，他对后一领域的探索导致了 他的提议 属于 全息原理 20世纪90年代。这个概念是，三维空间体积内的所有信息都可以编码在周围的二维表面上，类似于全息图。这个想法自那时以来 已成为 许多 努力的核心，以将量子力学与爱因斯坦的广义相对论统一 成为 量子引力理论 .
在与 科学美国人的一次谈话中， 't Hooft 谈到了他的突破奖，他对粒子物理未来的乐观态度，他对量子力学的不满，以及从他的一些最具争议的想法中产生的科学和文化影响。
【 以下是经过编辑的采访记录 。】
看来到目前为止，你几乎已经赢得了所有的物理大奖。
有些仍然缺失！但是，是的，我已经赢得了很多奖项。让我有点担心的是，大多数奖项都是为了同一件事。你因为已经被认可的事情而获得一个又一个奖项，而我在科学领域做过其他不太出名的事情——至少不为公众所知。但无论如何，突破基金会已经总结了他们授予我这个奖项的工作，几乎包含了所有内容！
是的，基金会把这一切都包括在内！但考虑到你已经赢得了多少奖项，这一次是否感觉只是你腰带上的又一个档次？这一切对你来说已经成为惯例，还是仍然令人兴奋？
我可以向你保证:没有什么是常规的。所有这些事情都是不同的。真正的高潮是诺贝尔奖本身，每年只有少数人获奖。这是非常特别的事情。但这次也很特别。从字面上讲，这是一个大奖。
正如你提到的，这个奖项是对你整个科学生涯的肯定，而不仅仅是某个方面，比如你在20世纪70年代与Veltman合作解释导致你们共同获得1999年诺贝尔物理学奖的弱电相互作用。当然，这项工作对后来制定粒子物理学标准模型至关重要，现在被誉为有史以来最受验证和最成功的科学理论。但在某些方面，标准模型也变得 臭名昭著 ，因为它的无数实验验证导致了粒子物理学的危机 ， 进展已经放缓 ， 因为研究人员看到 没有明显的道路可以进一步取得突破 。标准模型几十年来的主导地位是否让你感到担忧？
不，一点也不。我认为，对于科学来说，我们不可能总是有无限连续的发现和新的见解。会有一些时期，比如我们现在在粒子物理学中所处的时期，事情似乎会变得更安静。例如，我刚刚看到了来自欧洲核子研究中心（CERN）的消息，在大型强子对撞机（Large Hadron Collider）上，他们在新通道中检测到 CP（电荷宇称）对称性的缺失 。这没问题。这没什么惊天动地的。如今，我们正处于一个时期，我所在领域的科学家们做出了许多小发现，这些发现本身就非常令人愉快，因为它们使我们的理解更加完整。但我认为历史表明，情况不会一直如此。
几个世纪前，当（詹姆斯·克拉克）马克斯韦尔加入电学和磁学时，以及之后，当马克斯·普朗克首次观测到能量的量子化时，有很长一段时间似乎几乎没有发生什么。实际上，在其他领域确实发生了许多事情，比如统计物理学和其他基础科学分支。无论是当时还是现在，这些领域都在稳步进展。看看现在的天文学；天文学家们总是有他们伟大的时刻，你不能说有一个无聊的时刻！随着他们的望远镜变得更大更精确，并且他们使用越来越基本的科学技术来提高分辨率，他们在宇宙中发现了许多新事物。你也可以在生物物理学或医学上说同样的事情，几乎每天都有发现。
但在我的领域，你是对的，它 似乎 没有什么发生。不过，我不同意这一点。事情 正在 发生，只是规模较小。
那么，你是否乐观地认为这种情况会改变，我们将看到大粒子物理学发现的复苏？
这是一个非常好的问题，因为看起来我们无能为力。如果情况发展到每一次新的突破都需要机器的尺寸、功率和成本增加10倍，甚至更大，那么显然我们不会超过现在的水平。我不能排除这些阻碍进步的障碍，但科学史表明，在这种情况下，进步只会朝不同的方向发展。人们不仅可以考虑精度的提高，还可以考虑完全不同的发现途径，如宇宙学和黑洞物理学。
但我想建议新一代的科学家们:别担心这个，因为没有新进展的真正原因是每个人的想法都一样！
我对此有些困惑和失望。许多人继续以同样的方式思考——而现在人们试图引入新理论的方式似乎并不奏效。我们有很多关于量子引力、统计物理学、宇宙和宇宙学的新理论，但它们在基本结构上并不真正“新”。人们似乎不愿意迈出我认为真正必要的新一步。例如，我们看到每个人首先将他们的新想法发送到[预印服务器]arXiv.org，然后再发送到期刊上发表。在arXiv。org，你可以看到每年有成千上万的论文，但没有一个真正有这种伟大、明亮、新颖、优秀的见解来改变事情。当然，有一些见解，但不是在我们的领域取得基本新突破所需的。
我认为我们必须开始以不同的方式思考。我一直以来的态度是，我 正在 以一种不同的方式思考。特别是在20世纪70年代，有一种非常有效的方法可以取得进一步进展：与你的朋友所做的事情不同地思考，然后你就会发现一些新的东西！
我认为这仍然是事实；然而，我现在年纪大了，不再每周都能得到精彩的新想法。但原则上，有些方法——关于量子力学、宇宙学、生物学——不是传统的看待事物的方式。在我看来，人们以如此新颖的方式思考是不够的。
你能举例说明你所说的新奇或不同之处吗？
当然。我对世界、对物理学、对与物理学相关的其他学科的看法是，一切都应该更合理、更直接、更“贴近实际”。
许多写量子力学论文的人喜欢对它保持某种神秘感，好像这门学科有某种奇怪的东西，近乎宗教的东西。我认为这是完全错误的。量子力学的依据是一种用来描述非常普通的物理效应的数学方法。我认为物理世界本身是一个非常普通的、完全古典的世界。但在这个完全古典的世界里，仍然有太多我们今天不知道的事情，在我们更深入理解的道路上，有一些我们基本上缺失的“步骤”。
什么样的步骤？
我说的是利用整个世界非常简单和直截了当这一事实的步骤。问题是，世界现在对我们来说仍然显得复杂，这就是我们处于这种情况的原因。
你已经提到了标准模型，这个上个世纪的惊人发现。这是一个有教育意义的例子，因为基本上它非常简单，但如果你深入研究，你会发现缺少一些非常重要的东西。标准模型基于量子力学，量子力学的理论告诉你当粒子接近并散射时会发生什么。但它们可以以多种不同的方式散射；它们有大量选择的散射方式，而标准模型在这方面没有给出任何可靠的预测。它只给你统计数据。标准模型是一个奇妙的理论，处理了事物在做什么的统计数据。但这个理论 从不 告诉你自然做出了哪个选择；它只是告诉你，这些不同的可能性以某种概率振幅存在。这就是我们所知道的世界。这就是我们如何措辞自然法则的方式。但这并不是自然法则本身。
我们缺少的是我们对有时使粒子这样或那样运动的理解。嗯，你可以很容易地辩称粒子可以在很短的距离内互相撞击。它们不会直接正面撞击对方，而是以某个角度撞击，然后从某个角度散开。这可能是对的。但今天的理论没有说的是，如果两个粒子互相靠近，我实际上应该研究什么，以预测它们会提前散开。
想象一下，如果你知道这种互动将如何进行，就像你能知道两架大钢琴碰撞时会发生什么一样精确。原则上，对于钢琴来说，你可以准确地说出哪根线会撞到另一根线；你可以准确地预测两架大钢琴相撞时会发生什么。粒子也会这样吗？在实践中，这种对粒子的预测被认为太难了，你会求助于统计学，得出结论，你的钢琴粒子可以向各个方向散射，这就是所有要说的。嗯，对于欣赏钢琴的人，也许你可以多说点什么。如果你确切知道它们会在何处、以何种角度相互碰撞，你就可以提前预测它们将如何散射。这应该在我们的基本粒子理论中，并且 并不是 。
我是说我们应该开始用这些方式思考。人们拒绝这样做，因为他们认为量子力学太美了，不可能是错的。而我认为，量子力学的正确方式并不是最终说物体在相互撞击时遵循什么基本定律。
顺便说一句，在我准备这次采访的时候，我找到了 一段对话 你在2013年和我的一位前任在这里 科学美国人， 乔治·穆塞。你们讨论的一件事是 物理学家约翰·贝尔的工作 和 其对现实本质的影响 。你说你考虑到了地域性“是任何管理宇宙的简单、终极法则的基本成分。”听起来这仍然是你的观点。
非常地，绝对。我认为，事实上，如果你只假设这些定律是 局部 定律，你就能很好地理解和解释量子力学。让我们说，这些粒子在碰撞时所做的事情取决于它们的位置，即它们互相碰撞的地点。也就是说，在宇宙的其他地点发生的事情，原则上不应该重要。如果它 确实 重要，那么你就有我们所说的“非局域性”。但对于大多数坚实的科学理论来说，非局域性将是一场灾难！
我不认为非局域性是必要的。当两个粒子碰撞时，我们不知道该怎么做，因为我们不知道粒子看起来像三角钢琴还是像纯粹的点。但是，话又说回来，它们 不能 是纯点，因为纯点不能 做 任何事情。有 一些 里面，我们应该能够写下所有关于这些粒子的定律：它们是如何相互碰撞的？为什么他们有时走这条路，有时走那条路？它们如何表现出自旋？
我们应该能够将这类事情表述为坚实的法律，但我们甚至没有 接近 这一点。这就是为什么我认为其他突破仍然应该是可能的——很多！——帮助我们更接近我们今天无法达到的对粒子的理解水平，甚至不是近似水平。
你知道，在我与理论物理学家的交谈中，我注意到，个人越伟大，成就越高，他们就越有可能说，“真正的挑战不是回答旧问题，而是找到新的、更好的问题来解决你正在解决的问题。我认为这是因为人们对已知的事物有一种乐观的诱惑——这种感觉是，通过提出“正确的”问题，必然会出现有意义的答案。你真的认为问题是我们没有问正确的问题，还是我们一直在问正确的问题，而它们的答案，与我们的期望相反，只是 超出我们的能力范围 ？
你刚才说，这些问题超出了我们的能力范围，这正是十年前、一个世纪前和一千年前人们所说的话。当然，每次都是错误的答案。我们 可以 回答这些问题，但要做到这一点需要大量的科学。在麦克斯韦之前，没有人理解电场和磁场到底是如何结合在一起的，他们认为，“哦，这是不可能发现的，因为它很奇怪！”但后来麦克斯韦说，不，你只需要这个术语，然后一切就都明朗了！现在我们确切地了解了电和磁的相互作用。你不能回答这样的问题，这是根本不正确的。不，你可以，但你必须从头开始，就像我说过关于量子力学的。
如果你从一开始就认为量子力学是一种只给你统计答案的理论，从来没有比这更好的东西，那么我认为你走错了路。人们拒绝放弃量子力学是我们永远无法理解的粒子的某种奇怪的超自然特征的观点。不！我们 将会 理解，但我们首先需要后退一步，这通常是我对科学的一般看法：在你理解某些东西之前，只需要后退几步。也许你必须大踏步地往回走，一路回到起点。
试想一下:如果你没有量子力学，你的基本定律可能是什么？答案当然需要说出量子力学的概念。
好的。那么什么是 量子力学 ？
量子力学是你可以考虑状态叠加的可能性。事情就到此为止。我认为国家叠加不是真的。如果你仔细观察，事物 永远不会 叠加。薛定谔在这里提出了正确的问题:你知道，拿我的猫来说，它可以是死的；也可以是活的。它能以叠加态存在吗？那是胡说八道！
他说得很正确。人们不应该继续坚持认为死猫和活猫是重叠的。这完全是胡说八道——然而，在这种水平上，准确地说出粒子的位置、速度、自旋等似乎是唯一正确的答案。然而，必须有不同种类的变量随着时间演变，例如整数值变量或离散移动变量，仅举两种可能性。这些变量意味着你不能移动一只猫，你不能说它是死的还是活的，除非你做更多的非局部更改。一定有方法来描述 所有 活猫的状态 和 死猫的状态，但这些状态将与根本不描述猫的状态混合在一起。
使用叠加只是最初奏效的伎俩，但无法触及我们想要理解的状态。我们必须后退一步。
跟我讲讲这个吧。如果 叠加 是虚幻的，因为它们纯粹是数学概念，在物理现实中没有基础，这如何与 量子信息科学 和 量子计算 的持续成功相一致？ ，似乎叠加是一种真实的物理现象，可以被利用，例如，去做 那些经典上无法完成的事情 ？
嗯，我认为，如果你假定存在重叠系统，那么量子技术就是你所能得到的。我这么说是什么意思？我们知道宏观世界中的叠加是胡说八道。这很清楚。我相信，在微观世界中，这显然也是无稽之谈，尽管我们似乎除了叠加之外没有其他东西可以用来理解原子。我认为量子技术领域的人可能没有意识到，他们正在做的事情与他们认为的完全相反。他们认为他们理解了量子力学。相反，我认为他们应该做的是，从描述中去掉量子力学，尝试使用更基本的自由度，就像我提到的那些离散态。
他们没有提出正确的问题，而未能这样做会让事情看起来越来越复杂——越来越具有量子力学性——而在现实中，不应该这样解释。
我们刚才不是在讨论著名理论家谈论不问正确问题的倾向吗？
好吧，让我说，是的，他们做了正确的实验。是的，它们试图制造正确的东西。是的。在某些应用中，他们的量子计算机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的实际作用，因为这实际上是通过研究量子世界而来的。是的我们知道小物体如何反应和相互作用。但我们的问题是，目前我们只能做出统计预测。一旦量子计算机给你统计分布而不是正确的答案，那么你的“计算机”就完了；你不能再在大多数应用中使用它了。
对于大多数事情，你希望以这样一种方式使用计算机 避免 产生叠加-因为你想得到一个尖锐的答案。例如，你想破译一个秘密代码之类的。您想得到确切的答案：" 这个 是它的意思，而不是 那个！ "让我们不要把这个答案等同于这两个可能性的叠加——再一次，这是无稽之谈。
我的意思是：我们必须解开量子力学，可以说，以便看到下面发生了什么。在量子技术专家开始这样做之前，我相信他们不会取得真正的重大进展。例如，量子计算机总是会出错，而它们的设计者和操作者会试图纠正这些错误。如果你试图纠正这些错误，那对我来说意味着：你想进入更基本的自由度，这些自由度永远不会包含任何错误，因为它们 精确 -它们只是经典。但意识到这一点显然是非常困难的。
这就是我对我们为什么没有突破的感受。我们应该用不同的方式思考问题。
似乎你在说我们必须生活在一个钟表宇宙里，在这个宇宙中，事物必须 在一个非常基本的水平上纯粹是决定性的 ，因此几乎没有空间进行任何 准神秘的推测 。这样做的后果之一似乎是在某种程度上消除了神秘感。你之前提到科学界对量子力学的近乎宗教式的顽固坚持，更别提 大众文化 了。 。也许这种态度之所以经久不衰，是因为对于很多人来说，它保留了我们在这个世界上所经历的一切不可言喻的东西，而不是通过填入正确的方程式来假设一切都可以被知晓。
所以如果你 确实 相信这种机械宇宙，我想知道你会说它最神秘的方面是什么。
嗯，仍然有很多谜团让我们的问题变得非常非常困难。我们讨论的这个确定性宇宙，只有比我大得多的人才能完全理解，因为他们需要考虑所有可能性。一旦你做出错误的假设，你就会再次遇到这种量子力学的情况，在这种情况下，事物会相互叠加。
一个更简单的问题是：你能制定量子力学 而不 使用叠加原理吗？我的答案是肯定的。在我的最后一篇 【预印本】 论文中 关于 arXiv.org ，我写了一个简单的模型，太简单了，在现实世界中没有用。但这个模型只是一个钟表，一个钟表有一个摆锤，摆锤以非常有组织的方式移动，摆锤驱动一个显示时间的轮子，指针显示分钟和秒。正因为如此，我称它为我祖父的钟表模型。从钟摆，你可以推断出手应该显示的时间。这些手是确定的。比如说，他们只是以无限的精确度显示时间。钟摆实际上是一个量子钟摆；它可以被量子化；我们可以为它写出量子方程。
我发现了这个钟摆的数学和这只显示时间的手的数学之间的联系。记住，显示时间的手是完全古典的，而钟摆是完全量子机械的，但它们是相互关联的——它们只是一台机器。
但我对此几乎没有反应。我本以为人们会说，“哦，是的，当然。现在我们明白该怎么继续了！”但他们却说，“好吧，对，霍夫特还有另一个热门的想法，另一个疯狂的想法。他有很多疯狂的想法。让他开心吧；我们会做我们自己的事。”这是我得到的最常见的反应。
我怀疑这种反应的原因，在某种程度上，不是科学的，而是更“文化”的，对吗？我从arXiv.org和其他地方的新预印论文的消防水龙头中喝水的信号噪声比的角度来考虑这个问题。它可以 非常困难 知道应该关注什么以及如何评估任何引起人们注意的事情。
这就引出了另一个问题。我很好奇你对你的科学贡献的文化影响有什么感觉，特别是 全息原理 ，你最早在20世纪90年代初提出。
可以说，正是因为这个想法，有些人——我想主要是非科学家——真正相信宇宙实际上 存在于一个黑洞内 或者 这一切都是某种模拟 在 一个更高维的计算机 中。 。这个“模拟假设”的想法是，除了 信息本身 ，可能没有什么东西是“真实的”，因为其他一切都是可观测宇宙最外层边界上编码的1's和0's模式的投影。我想知道您如何看待这种现象，即您在30多年前提出了一个挑衅性的理论见解，它不知何故导致了世界上最富有的人 严肃地在一个受欢迎的播客中建议 “我们很可能”都是某种宇宙规模视频游戏中的化身。
嗯，我确实有一些保留意见。也许我从来不应该谈论全息原理，因为，是的，有些人正在胡说八道，把这个概念与超自然特征和定义不佳的维度联系起来，听起来非常神秘。我对此有一个很大的问题。我认为你不应该用严格必要的更复杂的措辞来表达自然法则。你应该尽可能简化。甚至爱因斯坦也曾说过类似的话，你必须尽可能简化的事物，但不能超出现实，不能超出真相。我们应该尽量不超自然；如果我们作为科学家只留下一堆谜团，我们就不是在做正确的事情。
我有点担心，全息原理只会让人们变得更加神秘，因为我想要极端的反面。我希望人们尽量变得超级理性。对我来说，即使是量子力学也已经离理性太远了。而且你知道，如果你把量子力学重新表述为Hilbert空间（一种允许无限维的向量空间）作为实际用途，而不是Hilbert空间作为自然界的一个基本属性，你甚至不需要这种全息术了！我希望更多的人能理解这一点。我们必须尝试更准确地措辞，以避免公众误解对科学造成严重破坏。
来源：人工智能学家
