物理學家一直在尋求能夠統(tǒng)一所有物理學的那個終極理論,F(xiàn)在看來,他們或許不得不止 步于一組理論,無法將它們合為一體。
撰文 斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)
萊昂納德·蒙洛迪諾(Leonard Mlodinow)
翻譯 龐瑋
幾年前,意大利蒙扎市議會通過了一項法案,禁止市民將
金魚養(yǎng)在圓形魚缸里觀賞。提案者解釋說,把金魚關(guān)在圓形魚缸里非常殘忍,因為彎曲的表面會讓金魚眼中的“現(xiàn)實” 世界變得扭曲。拋開這一法案給可憐的金魚帶來的福祉不談,這個故事還提出了一個有趣的哲學問題:我們怎么知道我們感知到的“現(xiàn)實”是真實的?金魚看見的世界與我們所謂的“現(xiàn)實”不同,但我們怎么能肯定它看到的就不如我們真實?據(jù)我們所知,就連我們自己說不定終其一生,也在透過一塊扭曲的鏡片打量周遭的世界。
在物理學中,這個問題并非純理論空想。實際上,物理學家和宇宙學家發(fā)現(xiàn)他們自己眼下的處境和金魚差不多。數(shù)十年來,我們一直上下求索,渴望得到一個終極的萬有理論,可以用一套完備自洽的基本定律來解釋“現(xiàn)實”的方方面面。但現(xiàn)在看來,最后我們得到的或許不是一個單一的理論,而是一大家族相互關(guān)聯(lián)的理論,每個理論對于“現(xiàn)實”都有一套自己的描述,就像透過它自己滴魚缸觀察世界一樣。對許多人來說,這個觀點或許難以接受,其中還包括一些圈內(nèi)的科學家。大多數(shù)人都相信存在一個客觀的“現(xiàn)實”,無論是我們的感知還是我們的科學,都在直接表達有關(guān)這個物質(zhì)世界的信息。經(jīng)典科學就以這樣一個信念為基礎(chǔ),即有一個外部世界獨立存在,它的屬性是確定的,與感知這個世界的觀測者無關(guān)。在哲學上,這種信念被稱為唯實論(realism)。
不過,對蒂莫西·利里(Timothy Leary)和上世紀60年代記憶猶新的人應該知道另一種可能:“現(xiàn)實”的概念也可以取決于感知者的心靈。這類觀點大同小異,有的稱為反唯實論 (antirealism),有的則稱為工具主義(instrumentalism)或唯心論(idealism)。按照這些“主義”,我們所知的世界是由人類心智以感官信息為原料構(gòu)建的,是由我們大腦中的解釋結(jié)構(gòu)塑造的。這種觀點或許難以接受,卻不難理解。你不可能將觀測者,也就是我們自己,從我們對這個世界的感知中抹去。
隨著物理學的逐漸發(fā)展,唯實論的地位正變得岌岌可危。在經(jīng)典物理學中,牛頓體系能非常準確地描述我們的日常體驗,對“物體”、“位置”之類術(shù)語的詮釋也在很大程度上與我們的常識(即我們對那些概念的“現(xiàn)實”理解)相符。然而,作為測量工具,我們?nèi)祟愂欠浅4植诘。物理學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn),平常所說的 “物體”以及令我們看到它們的光,都是由我們無法直接感知到的物體(如電子和光子)構(gòu)成的。這些物體遵循的不是經(jīng)典物理,而是量子論。
量子論的“現(xiàn)實”與經(jīng)典物理的“現(xiàn)實”截然不同。在量子論體系中,粒子既沒有確定的位置,也沒有確定的速度,只有當一個觀測者去測量那些量時,它們的值才會確定。有些情況下,單獨的物體甚至無法獨立存在,只能作為整體的一部分出現(xiàn)。量子物理還極大地挑戰(zhàn)了我們對“過去”的認識。在經(jīng)典物理中,所謂的“過去”就是一系列已成為歷史的明確事件,而在量子物理中,“過去”是不確定的,僅僅是一系列事件發(fā)生的可能性,跟“未來”沒什么兩樣。甚至連作為一個整體的宇宙,都沒有一個明確的過去,或者說歷史。因此,量子物理暗含了不同于經(jīng)典物理的另一種“現(xiàn)實”——雖然經(jīng)典物理與我們的直覺相符,而且在我們設(shè)計建筑、橋梁之類的東西時仍然可以幫上大忙。
這些例子讓我們得出一個結(jié)論,為詮釋現(xiàn)代科學提供了一個重要框架。在我們看來,“現(xiàn)實”不可能脫離圖景或者理論而獨立存在。相反,我們采納了一種新觀點,稱之為“取決于模型的唯實論”(model-dependent realism)。這種觀點認為:每一個物理理論或世界圖景都是一個模型(通常本質(zhì)上是一個數(shù)學模型),是一套將模型中的要素與觀測聯(lián)系起來的法則。按照取決于模型的唯實論,追問一個模型本身是否真實沒有意義,有意義的只在于它是否與觀測相符。如果兩個模型都與觀測相符,那就不能認為其中一個比另一個更加真實。誰都可以根據(jù)具體情況選取
更方便的那個模型來用。
別去評判真實
另類現(xiàn)實(alternative realities)已經(jīng)成為今日大眾文化的主流。例如在科幻電影《黑客帝國》(The Matrix)中,人類就毫無察覺地生活在一個由智能計算機生成的虛擬現(xiàn)實中,計算機通過這種方式讓人類保持安定并心滿意足,以便從他們的肉身實體上抽取生物能量(姑且相信有這么種能量)。我們怎么能知道自己不是一個由計算機生成的角色,此刻就生活在一個黑客帝國那樣的世界中呢?如果我們生活在一個虛擬的、想象的世界中,事件之間就沒有必要存在任何邏輯,不必自圓其說,也不用遵循任何規(guī)律。掌控這個虛擬世界的外星人說不定僅僅因為有趣或者好玩,純粹為了看看我們的反應,就會讓全世界突然對巧克力深惡痛絕,或者一夜之間消除戰(zhàn)爭實現(xiàn)世界和平——可是這種事情從來沒有發(fā)生過。如果外星人堅決不肯違背自洽規(guī)律,那我們就沒有任何辦法確定在這個虛擬現(xiàn)實的背后還存在另一個現(xiàn)實了。你當然可以說,外星人生活的那個世界是“真實”的,計算機生成的世界是假的。然而,生活在虛擬世界里的生物無法從外部觀察他們的宇宙(我們也一樣),也就沒有理由懷疑自己生活的世界并非“現(xiàn)實”。
金魚的處境也是如此。它們在圓形玻璃缸里看到的景象與我們在魚缸外看到的顯然不同,但這并不妨礙它們發(fā)展出一套科學定律,來描述它們觀察到的魚缸外物體的運動。比方說,由于光在由空氣進入水中時會發(fā)生偏折,在我們看來做直線運動的一個不受外力的物體,在金魚看來就應該沿曲線運動。盡管身處一個扭曲的參考系,金魚仍然可以從中總結(jié)出一套始終都很正確的科學規(guī)律,讓它們能夠?qū)︳~缸外的物體未來的運動做出預言。它們的規(guī)律會比我們的規(guī)律復雜得多,但簡單與否只與品味有關(guān)。如果金魚能夠發(fā)展出這樣一套理論,我們就必須承認金魚的觀點也是對“現(xiàn)實”的一個有效描述。
還有一個發(fā)生在真實世界里的著名例子,同樣說明對“現(xiàn)實”可以有不同的描述,那就是托勒密的地心說和哥白尼的日心說之爭。盡管人們通常都說,哥白尼證明了托勒密是錯的,但事實并非如此。哥白尼和托勒密就好比我們和金魚,選擇任何一種描述作為宇宙模型都可以,因為無論假設(shè)是地球不動還是太陽不動,我們都能很好地解釋我們觀察到的天象變化。拋開哥白尼的日心說在有關(guān)宇宙本質(zhì)的哲學爭論上所起的作用不論,它的真正優(yōu)勢只不過在于運動方程在太陽靜止不動的參考系中更為簡潔而已。
取決于模型的唯實論不僅對科學模型適用,對我們創(chuàng)造出來表述和理解周圍世界的意識和潛意識心智模型也同樣有效。例如,人類大腦從視覺神經(jīng)接收原始信息,將來自雙眼的信息綜合起來,增強細節(jié)并填補諸如視覺
盲點之類造成的信息缺失。不僅如此,大腦還從視網(wǎng)膜接收到的二維信息中創(chuàng)造出了三維空間感。你覺得自己看到了一把椅子,實際上不過是利用椅子上散射的光,建立起了一個心智圖像,或者說是椅子的模型。人類大腦非常擅長這種模型構(gòu)建,如果給人帶上一副特殊眼鏡,讓呈現(xiàn)在他眼睛里的圖像上下顛倒,大腦會改變這個模型讓他看到上下不顛倒的物體——但愿在他想坐下來之前,這種改變就已經(jīng)完成。
管窺深層理論
在追尋終極物理理論的探索中,從未有哪個理論像弦論(string theory)這樣讓人滿懷希望,又如此飽受質(zhì)疑。弦論是20 世紀70 年代被首次提出的一種嘗試,目的就是要將自然界中所有的作用力都統(tǒng)一到同一個理論框架中去——確切地說,是要把引力并入量子物理體系。然而到了20 世紀90 年代初,物理學家發(fā)現(xiàn)弦論遇到了一個尷尬的問題,那就是同時存在5 種不同的弦論。對于鼓吹弦論是唯一可行萬有理論的那些人來說,這確實相當難堪。到了90 年代中期,研究者開始發(fā)覺,這些不同的理論,以及后來才出現(xiàn)的所謂超引力論(supergravity),其實都是在描述同一個現(xiàn)象,這給了他們一些希望,認為這些理論最終可以統(tǒng)為一體。確實,這些理論通過物理學家所說的“對偶性” (duality)彼此關(guān)聯(lián),這種對偶性就像是在不同概念之間來回變換的某種數(shù)學詞典。但很可惜,每種理論只能很好地描述某一特定條件范圍內(nèi)的現(xiàn)象——比如說低能現(xiàn)象。沒有哪個理論能夠描述宇宙的方方面面。
弦論學家現(xiàn)在相信,這5 種不同的弦論只是對更基本的一種理論的不同近似,后者被稱為M 理論。[似乎沒有人知道這里的M 代表什么,可能是Master(統(tǒng)領(lǐng)),可能是Miracle (奇跡),也可能是Mystery(神秘),或者兼而有之。]盡管人們還在努力參詳M 理論的本質(zhì),但看上去長期以來期待的單一終極理論或許不會出現(xiàn),要描述宇宙萬物,我們必須針對不同情況選擇不同的理論。因此,M 理論不是通常意義上的單個理論,而是眾多理論組成的一個網(wǎng)絡。這有點類似于地圖。要將整個地球如實記錄在二維平面地圖上,人們必須使用一套地圖,其中每一張只覆蓋一個有限區(qū)域。這些地圖會互有重疊,在這些重疊的區(qū)域,不同地圖都展示出相同的地貌。與此類似,M 理論大家族中的不同理論看上去可能千差萬別,但都可以看成是同一個底層理論的某種版本,在適用范圍相互重疊之處,它們都會預言相同的現(xiàn)象,但沒有哪個理論能夠涵蓋所有情況。
只要我們發(fā)展出一個描述世界的模型,并且發(fā)現(xiàn)它大獲成功,我們就會說這個理論描述了“現(xiàn)實”,或者說絕對真理。但就像金魚那個例子一樣,M 理論表明同樣的物理場景可以用不同的模型來描述,每個模型都有一套不同的基本要素和基本概念;蛟S,要描述整個宇宙,我們必須在不同情況下使用不同的理論。每個理論對于“現(xiàn)實”或許都有各自不同的理解,但根據(jù)基于模型的唯實論,“現(xiàn)實”的這種多樣性是可以接受的,不可以說哪一種“現(xiàn)實”比其他“現(xiàn)實”更真實。這不是物理學家傳統(tǒng)意義上期待的大統(tǒng)一理論,跟我們?nèi)粘Α艾F(xiàn)實”的理解也相去甚遠。但這或許正是宇宙的本來面目。(本文來自科學美國人雜志中文版《環(huán)球科學》11月號:原題:真實世界的“真實”)
-----------讓霍金同學跳一次樓就可以了,如果我們在“母體”里面,那么,他就會在2096年的機器城人類養(yǎng)殖場里面醒來。
做學問,不要做出心魔來。
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木炭 發(fā)表于 2011/3/23 19:35
讓霍金同學跳一次樓就可以了,如果我們在“母體”里面,那么,他就會在2096年的機器城人類養(yǎng)殖場里面醒來。 ...
可憐的霍金同學 自出生就受到上帝的詛咒成了那樣 還不思悔改 還不明白------天意不可違!
-----------美國物理學家費曼的書中說,世界對人來說可以看作是一個不全知道的棋類游戲,人類所作的事情很多都是在觀察游戲從而猜想其規(guī)則.這恐怕是關(guān)于模型論的相當易于人理解的一個比喻了.然而我印象深刻的一句話是,"有時這些探索也將有結(jié)束的一刻,何不把它像杯美酒一樣舉起,在燈光中欣賞,輕輕感受酒香,一飲而盡." 此處感到的是天才處于眾人難以想象的巔峰處所有的那種藝術(shù)感. 此刻這不再是科學. 思緒淡淡的跨過思維的樊籬,難以言表.大道似乎有可通處
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天津何氏 發(fā)表于 2011/3/23 19:44
可憐的霍金同學 自出生就受到上帝的詛咒成了那樣 還不思悔改 還不明白------天意不可違!
霍金同學是21歲得的“漸凍癥”(肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥 盧伽雷氏癥)不知道中醫(yī)怎么認識這個病??
-----------我好像記得紀錄片里說到霍金大學生活,和一般的年輕大學生并無兩樣,酗酒、濫交。
然后就“萎縮”了,說穿了就是元陽虧損,先天就不夠好,后天再濫用,只能以輪椅為伴了。