物理规律并非客观存在?


物理规律到底是不是真实的客观存在?比如作为大统一理论候选者之一的弦理论一直不能被物理实验所证实,那么它是合格的物理理论吗?量子力学改变了我们对牛顿时代的经典物理规律的看法,在量子世界中呈现出来的概率性也暗示着物理规律与人的观测有关,这又是否说明,物理规律不能独立于人而存在?这篇原载《环球科学》10月的文章,将带领我们探讨物理与哲学的界限。


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物理似乎是人类生活中仅有的有明确真理的领域之一。物理定律描述着我们的现实,它们基于严谨的数学和实验的验证,给出的是明确的答案,而不是永无休止的哲学思辨,这样的物理不是只针对你或者我这样特定的某一个人才成立,而是针对每一个人在每一个角落都成立。物理学通常看起来是很奇怪的,但这同时也是一个好兆头——它不会受到人们先入为主的观念的影响。在一个同样的争论总是原地打转而毫无进展的幽闭世界里,物理为其生活注入了一些真正新奇的东西,使我们得以摆脱常规的思想。



物理学家的忧虑


物理学是我们寻找真理的一个基石。如果你沿着其他科学里的解释链追溯,最终会回溯到物理学的解释上。物理学的成功以及它在其他科学基础中所扮演的角色支持着自然主义或物理主义的世界观:所有的现象都有物理解释。因此,诸如生命力(élan vital)假说(由法国哲学家亨利伯格森于 1907 年在其哲学著作《创造进化论》中提出,关于生物进化和发展的一种假说)和“灵魂假说”之类的非物理概念就失去了严肃讨论的价值。物理并不能指导我们如何生活,也不能帮助我们解决道德窘境,但它给定了我们解决这些非物理问题的相关背景知识。



尽管物理学给大多数普通人留下的印象是对纯粹真理的寻找,但物理学家并不是这样认为的。尽管物理学家一般假定真理就在那里,并且认为自己有能力找到它,但这些物理真理到底存不存在,这些真理究竟代表什么意义?对此,他们一直有自己的疑问,这些疑问会在非正式的讨论中,或在学术会议上,或在面向公众出版的书籍中浮现出来,这实际上是一种对物理规律的担忧。这些担忧在基础物理学领域尤为严重——虽然基础物理学并不能代表整个物理学科,但在整个学科中有着举足轻重的作用。比如,许多物理学家担忧大型强子对撞机不能发现任何新的粒子或者新的物理现象,那么这个耗资巨大的对撞机就无法帮他们推导出下一级物理定律。


基础物理学家还担忧大统一理论(如弦理论),是否真能被实验所检验。有些人认为,弦论等大统一理论太过数学化,有些人则认为它在数学上并不严谨这种对新兴学科的担忧随处可见。不过,即使是在成熟的物理理论中,担忧也依然存在,因为物理的真理看起来是难以捉摸的,比如量子力学这样一个已经被多次实验验证的理论,对很多物理学家来说仍然是难以理解的。


与理论物理学家不同,一个实验科学家所面临的一般不是那么宏大的问题,而是像电线坏了吗?软件代码有漏洞吗?测量结果是统计上的偶然吗?诸如此类的问题。尽管如此,即使是这些看起来有点平淡无奇的担忧也可能是非常微妙的,因为本质上它们并没有完全脱离物理学的基础性大问题。


许多物理学家认为,他们的研究领域已经误入歧途,而他们的同事却因为过于盲目而没有注意到这点。对物理学的进展抱有疑虑并不是什么新鲜事了,只要有物理学家存在,就总会有人担忧自己的研究领域已遇到了不可逾越的障碍。当你深陷此种担忧的时候,你会发现研究总是一团糟。


几代物理学家总是在胸有成竹和自我怀疑之间摇摆不定,周而复始地放弃对自然深层次结构的探索,进而将物理降低为只是对一些有实用价值的知识碎片的寻找。牛顿在向同时代的人解释引力如何工作时说:“我没有做出任何假设。”而尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)在评论量子力学时写道:“我们的任务不是去深入事物的本质,这些是我们不知道的,我们所做的是发展物理概念,这些物理概念能让我们以富有成效的方式去讨论自然现象。”这两个人的观点都是很复杂的,事实上牛顿给引力预设了好几个假设,而玻尔在其他时候也曾说过,量子理论抓住了现实。总的来说,他们之所以能取得进展,是因为他们将世界为何如此宏大的哲学问题放在了一边,他们只研究他们能够研究的物理问题。



物理学与哲学


历史告诉我们,物理学家终究还是会回到这些宏大的哲学问题上来,牛顿在解释引力的瞬时相互作用上失败了以后,经过几代人的不懈努力,最终迎来了爱因斯坦的广义相对论。在20世纪60年代,对量子力学的解释也再次回到了物理上,诞生了诸如量子密码学这样具有实际意义的想法,而不仅仅陷于量子力学的哲学争论。正如已故美国哲学家希拉里·普特南(Hilary Putnam)所说的,如果物理理论与现实是不相关的,那么它的成功是虚幻的,也是没有意义的。更进一步说,如果物理实验不能支持一些真实的物理理论,那么我们为什么要去做这些实验?这样的立场被称为实在论,它认为诸如原子、质点、时间和空间这样的实体都是真实存在的,理论也是真实的,因为理论反映了现实,尽管并不是很完美。


实在论与其对立面——反实在论在彼此压迫下都得到了发展,两种立场的相互对抗也会不断延续下去。


这样的竞争对于物理学是有好处的,反现实主义哲学家恩斯特·马赫(Ernst  Mach)启发了爱因斯坦去重新思考如何知道我们所知道的——或我们认为我们所知道的,这为物理所要遵循的一切打下了基础。当我们承认我们是带着有色眼镜去看这个世界时,我们可以对此进行弥补。现实世界的某些特征是相对于一部分观察者而言的,而其余的特征可能对所有观测者来说都是共同的。两个以不同速度运动的人对于两个地方之间的距离、某个事件持续的时间或者某些情况下两个事件哪一个先到,都是无法达成一致的,他们两人之间的争论是没法解决的。但距离和持续时间的算术组合——时空距离——对于他们来说却是共同的,这就是一个“不变量”,不变量才定义了客观的真理。


除了物理学家所共有的那些担忧以外,现代的物理学家也面临着许多具体和意料之外的知识极限。无论你选择哪种量子力学的解释,量子世界总有些东西超出我们的理解。例如,当你向一面镀上银的镜子发射一个光子,它有可能穿过去,也有可能反射回来,但你没有办法预测一定会是哪一种可能,结果是完全随机的。有些人认为光子的行为是没有原因的,这种随机性是内在的,而另一些人则认为这里面肯定有不为人知的原因,还有一些人认为光子既穿过了镜子也发生了反射,但我们只能看到其中的一个结果。无论是哪一种情况,其根本原因都被笼罩在迷雾之中。


粒子是很容易被操控的,这也是为什么量子物理通常都用粒子来描述,但大多数物理学家认为同样的规则也适用于其他的一切事物,甚至是生物。因此,如果光子真的在这个过程中做过选择,那么我们只是不清楚它是在什么时候选择要穿过去还是反射回来的。在光子打到镜子的时候,它与镜子所组成的系统会进入一个无法确定的状态。用测量设备去记录光子的路径时,它会陷入两种可能性之间。如果你让你的朋友去看看究竟发生了什么,对你来说,这两种可能性都能看到。物理学家现在知道的是,我们从未经历过让光子在同一时间做两件相互矛盾的事情,因此,物理学家在他们的理论中留下了这样一个主观要素。


对于美国马萨诸塞大学波士顿分校的克里斯托弗·A·福克斯(Christopher A. Fuchs)来说,他总结的经验是,观察者是大自然的积极参与者,会帮助大自然构建我们所观察的事物,想要做一个完全旁观的第三者是不可能的。量子理论把主观和客观的要素混在一起了。


美国亚利桑那大学的哲学家理查德·希利(Richard Healey)有一个“实用主义”的观点:量子理论不是这个世界的一个表示,而是对人与这个世界之间相互交融关系的一种刻画,我们可以用它来判断某个可能发生的事情的概率,就像一个股票交易者是基于市场趋势而不是经济基础来进行买卖那样,这样的股票交易者也可以在对公司毫不知情的情况下买卖股票并且变得富有起来。


相反,如果你真的把量子理论当作这个世界的表示,你就会把它看作一个有许多可能性同时共存的概率理论,这样的多世界或平行宇宙的观点似乎也是宇宙学理论的一个结论:产生我们现在这个宇宙的过程应该也能导致其他宇宙的产生。额外的平行宇宙可能存在于我们看不见的更高维的空间,这些宇宙都是由我们宇宙的变体组成的,并不存在单一明确的现实。


虽然推测多重宇宙的理论是完全客观的——在基本方程中没有观察者或观察者依赖的量出现——但它们并没有抹除观察者的作用,而是重新定义了观察者的作用。这些理论认为,我们对现实的看法被严重地过滤了,当我们在应用理论的时候应该考虑到这一点。如果我们没看到光子同时做了两件相互矛盾的事情,这不意味着光子真的没有这么做,而可能只是我们只能看到这两件事情中的一件。同样地,在宇宙学里面,仅仅是我们的存在就会使我们的观察产生偏差,我们必须生活在一个能够支持人类生命存在的宇宙里,所以我们对宇宙的测量也许并不完全具有代表性。


平行宇宙并不会改变我们所经历的现实。假如你正在这个宇宙受苦,即使另一个版本的你在其他宇宙过着幸福生活也与你无关因为其他宇宙是不可观测的,它代表了我们直接认知的一个极限。如果这些宇宙与我们的宇宙完全不同,那我们的那些经验知识不仅是有限的,还是具有欺骗性的,物理定律就有陷入混乱的危险:它们并没有说某一件事情发生了而另外一件没发生,因为两者都发生了,而我们能看到哪一个只能全凭运气,现实与虚拟之间的区别仅仅是位置的问题。


即使是那些看似已牢固确立的基础物理也可能变得微妙。物理学家通常会提到粒子和场:一些物质在空间上形成局域化的微粒以及连续的、像流体一样的场,比如电场或磁场。然而,物理学家的理论同时表明了这样的东西其实并不存在量子理论和相对论的结合直接将粒子这种概念排除了,在量子场论中没有像传统的粒子这样的局域化概念,观察者看到的粒子数量依赖于粒子本身的运动状态,粒子的数量(比如一束激光内的光子个数)并不是不变的,因此不能作为客观的现实。而且,一群粒子的集体行为具有凝聚态物理的性质,这些性质都不是单个粒子所拥有的(比如超导就不是一个粒子就能有的性质)。


场也不像看起来的那样。现代的量子理论早就不把电和磁作为某种实在的结构来看,取而代之的是非常难以解释的抽象化的场。在场的许多古怪特征中,抽象化是非常多余的,这让场比它所要表示的真实现象复杂得多。物理学家已经在寻找一种能与现实一致的替代结构,但这些结构已经不再是场了。现在,物理学家仍然用粒子和场来描述世界,并意识到建立一个更完整的物理图像离他们还很遥远。


整个物理学都有一种奇怪的趋势。当物理学家深入到现实中,却发现更多的现实似乎消失了。弦理论就反应映了这种趋势。在弦论中,所有粒子都是不同的弦振动产生的激发态。但弦到底是什么,从逻辑的角度来看,这种把粒子换成弦的推理就好像是一种“换名游戏”。


大统一理论的提出带来了新的复杂性,特别是弦理论,一直饱受争议,它和它所有的奇怪结论都把希望寄托在平行宇宙这个概念上。弦理论也严重依赖所谓的对偶性:不同的数学表示给出相同的物理预言,也就是这些数学表示都只是用来描述同一个状况的不同方式。这种对偶性之所以强大,是因为它能提供一种横向的思考方式,如果一个方程太过于难以求解,你可以利用对偶把它转变为一个更简单的方程。但是,如果有多种数学表示是等价的,我们如何知道哪一种(如果有的话)是对应真正的现实呢?


弦理论的许多批评者都抱怨,现在没有实验设备可以去检验这个理论到底正不正确,因为理论涉及的物理效应都是在极高的能量下发生的。但这种批评也适用于弦论的竞争者,比如说圈量子引力理论,因此这可以说是一种诅咒吧。现有的理论没留太多的缝隙让我们窥探到更深层的东西,由于缺少实验的引导,物理学家们不得不从数学上去发展这些理论。量子力学和相对论有非常严格的约束,以至于它们本身就几乎足以决定大统一理论的形式,然而,所有理论都严重依赖于所谓美学和优雅的判断,尽管有可能是错误的。


一些哲学家的结论是,“事物”这整个范畴都是错误的。根据一种称为结构现实主义的哲学观点来看,关系才是自然的主要组成成分,那些我们视为事物的东西就是关系的中心。



意识与大脑


不仅仅是物理上的难题让物理学家怀疑自己是不是走在正确的道路上。许多人通过所谓的意识难题对意识产生了兴趣。科学方法似乎天生就无法用来描述主观经验,我们的内在精神生活是隐藏的,所以意识是在观测之外的,似乎无法用数学描述去还原。意识给许多物理学家留下的印象就是,它在事物的物理体系内就是不必要的。通过这一个论点,要理解意识的产生需要一些新的科学原理或新的思维方式。物理学家对此很感兴趣,他们对世界的基本图像描绘可能缺少了一些重要的东西。


这不是物理学家一直在思考意识的唯一原因。多重宇宙是一个例子,这个理论可以说明我们如何去理解一个被过滤过的现实,并且一旦你开始去思考真理是如何被扭曲的,你可能就会接受多重宇宙也不是奇谈怪论。伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)认为,我们的大脑结构影响着我们感知到的东西。受此影响,维也纳量子光学与量子信息研究所的物理学家马库斯·米勒(Markus Müller)和加利福尼亚大学欧文分校的认知科学家唐纳德·霍夫曼(Donald Hoffman)等人也认为,我们所感知到的世界被具象为在空间中和时间中的物体,其实未必是因为它们具有这样的结构,而只是因为这是我们唯一可以感知这个世界的方式。


不能因为我们的大脑能够成功驾驭这个世界,就认为我们的大脑捕捉到了这个世界的结构。在机器学习中,物理学家发现当他们回避对这个世界的直接表示时,电脑在预测和控制设备上做得比人脑更好。类似地,现实也许和我们大脑或者理论展示给我们的完全不同。英国哲学家科林·麦金(Colin McGinn)和哈佛大学认知科学家史蒂文·平克(Steven Pinker)等学者认为,我们独特的推理方式导致我们觉得意识是如此难以理解。也许有一天我们能够构建出人造大脑,来看透那些困扰我们的难题,尽管人造大脑可能会在那些我们认为很简单的东西上纠结。


如果有什么东西能让我们恢复掌握真理的信心,那就是我们可以分而治之。尽管“真实”有时候等价于“基本”,但在科学中,描述多个级别的物理现象里的每一级都有一个被视为真实的东西。因此,即使在自然的根源上事物不复存在,我们也有权力去思考日常生活中的事物。


如果我们发现我们的理论扑了个空,那也不是坏事,这提醒我们要保持谦虚。物理学家有时候很自以为是,但他们里面多数有经验和有成就的人通常都会变得很谨慎。他们往往是第一个指出自己想法中存在问题的人,这是为了避免别人替他们指出这些问题的尴尬,没有人说过找出真理是一件很容易的事情。


撰文:乔治·穆瑟(George Musser)

本文译者:陈崇斌是南昌大学物理系研究生,研究方向为广义相对论。

本文审校:舒富文是南昌大学物理系教授、博士生导师,他担任南昌大学相对论天体物理与高能物理中心主任,研究方向为广义相对论。



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