科學賞︱霍金:「萬物理論」不存在

2015-10-17 07:44

撰文︱史蒂芬·霍金  萊昂納德·蒙洛迪諾

翻譯︱龐瑋

幾年前，義大利蒙扎市議會通過了一項法案，禁止市民將金魚養在圓形魚缸裡觀賞。提案者解釋說，把金魚關在圓形魚缸裡非常殘忍，因為彎曲的表面會讓金魚眼中的「現實」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：我們怎麼知道我們感知到的「現實」是真實的？

霍金

金魚看見的世界與我們所謂的「現實」不同，但我們怎麼能肯定它看到的就不如我們真實？據我們所知，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，這個問題並非純理論空想。實際上，物理學家和宇宙學家發現他們自己眼下的處境和金魚差不多。

數十年來，我們一直上下求索，渴望得到一個終極的萬物理論，可以用一套完備自洽的基本定律來解釋「現實」的方方面面。

但現在看來，最後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聯的理論，每個理論對於「現實」都有一套自己的描述，就像透過它自己的圓形魚缸觀察世界一樣。

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的科學家。

大多數人都相信存在一個客觀的「現實」，無論是我們的感知還是我們的科學，都在直接表達有關這個物質世界的信息。經典科學就以這樣一個信念為基礎，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。在哲學上，這種信念被稱為唯實論 （realism）。

不過，對蒂莫西·利裡（Timothy Leary）和上世紀60年代記憶猶新的人應該知道另一種可能：「現實」的概念也可以取決於感知者的心靈。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建的，是由我們大腦中的解釋結構塑造的。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展，唯實論的地位正變得岌岌可危。在經典物理學中，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「現實」理解）相符。

然而，作為測量工具，我們人類是非常粗糙的。物理學家已經發現，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）構成的。這些物體遵循的不是經典物理，而是量子論。

量子論的「現實」與經典物理的「現實」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。量子物理還極大地挑戰了我們對「過去」的認識。在經典物理中，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生的可能性，跟「未來」沒什麼兩樣。

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於經典物理的另一種「現實」——雖然經典物理與我們的直覺相符，而且在我們設計建築、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論，為詮釋現代科學提供了一個重要框架。在我們看來，「現實」不可能脫離圖景或者理論而獨立存在。相反，我們採納了一種新觀點，稱之為「取決於模型的唯實論」（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（通常本質上是一個數學模型），是一套將模型中的要素與觀測聯繫起來的法則。按照取決於模型的唯實論，追問一個模型本身是否真實沒有意義，有意義的只在於它是否與觀測相符。

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

另類現實（alternative realities）已經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實境中，計算機通過這種方式讓人類保持安定並心滿意足，以便從他們的肉身實體上抽取生物能量（姑且相信有這麼種能量）。

我們怎麼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、想像的世界中，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爭實現世界和平——可是這種事情從來沒有發生過。

如果外星人堅決不肯違背自洽規律，那我們就沒有任何辦法確定在這個虛擬實境的背後還存在另一個現實了。

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，生活在虛擬世界裡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並非「現實」。

金魚的處境也是如此。它們在圓形玻璃缸裡看到的景象與我們在魚缸外看到的顯然不同，但這並不妨礙它們發展出一套科學定律，來描述它們觀察到的魚缸外物體的運動。

比方說，由於光在由空氣進入水中時會發生偏折，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。儘管身處一個扭曲的參考系，金魚仍然可以從中總結出一套始終都很正確的科學規律，讓它們能夠對魚缸外的物體未來的運動做出預言。

它們的規律會比我們的規律複雜得多，但簡單與否只與品味有關。如果金魚能夠發展出這樣一套理論，我們就必須承認金魚的觀點也是對「現實」的一個有效描述。

有一個發生在真實世界裡的著名例子，同樣說明對「現實」可以有不同的描述，那就是託勒密的地心說和哥白尼的日心說之爭。儘管人們通常都說，哥白尼證明了託勒密是錯的，但事實並非如此。

哥白尼和託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宇宙本質的哲學爭論上所起的作用不論，它的真正優勢只不過在於運動方程在太陽靜止不動的參考系中更為簡潔而已。

取決於模型的唯實論不僅對科學模型適用，對我們創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接收原始信息，將來自雙眼的信息綜合起來，增強細節並填補諸如視覺盲點之類造成的信息缺失。

不僅如此，大腦還從視網膜接收到的二維信息中創造出了三維空間感。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建，如果給人帶上一副特殊眼鏡，讓呈現在他眼睛裡的圖像上下顛倒，大腦會改變這個模型讓他看到上下不顛倒的物體——但願在他想坐下來之前，這種改變就已經完成。

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一到同一個理論框架中去——確切地說，是要把引力併入量子物理體系。

然而到了20世紀90年代初，物理學家發現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。

對於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，研究者開始發覺，這些不同的理論，以及後來才出現的所謂超引力論（supergravity），其實都是在描述同一個現象。

這給了他們一些希望，認為這些理論最終可以統為一體。確實，這些理論通過物理學家所說的「對偶性」（duality）彼此關聯，這種對偶性就像是在不同概念之間來回變換的某種數學詞典。

但很可惜，每種理論只能很好地描述某一特定條件範圍內的現象——比如說低能現象。沒有哪個理論能夠描述宇宙的方方面面。

弦論學家現在相信，這5種不同的弦論只是對更基本的一種理論的不同近似，後者被稱為M理論。

儘管人們還在努力參詳M理論的本質，但看上去長期以來期待的單一終極理論或許不會出現，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絡。這有點類似於地圖。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域。這些地圖會互有重疊，在這些重疊的區域，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，在適用範圍相互重疊之處，它們都會預言相同的現象，但沒有哪個理論能夠涵蓋所有情況。

只要我們發展出一個描述世界的模型，並且發現它大獲成功，我們就會說這個理論描述了「現實」，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。或許，要描述整個宇宙，我們必須在不同情況下使用不同的理論。

每個理論對於「現實」或許都有各自不同的理解，但根據基於模型的唯實論，「現實」的這種多樣性是可以接受的，不可以說哪一種「現實」比其他「現實」更真實。

這不是物理學家傳統意義上期待的大統一理論，跟我們日常對「現實」的理解也相去甚遠。但這或許正是宇宙的本來面目。

據賽先生微信公眾號

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