物理學定律的謊言——質疑物理定律的普適性

2020-12-14 老胡說科學

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物理定律是普遍的嗎?也就是說,物理定律是否適用於整個宇宙?

如果物理定律不是普遍的,那麼它不僅會對物理本身產生深遠的影響,還會對人們對物理的追求產生深遠的影響嗎?這是最近許多(理論)物理學家和宇宙學家的擔憂。

現在人們可以問,物理學家是否需要他們的定律具有普適性。有些人可能會說,為了讓物理定律存在;另一些人可能會說,為了使事情更簡單,需要普遍規律。然而,有沒有這樣自然法則,隨著時間的推移而改變而不適用於整個宇宙嗎?

宇宙本身是普遍的,但是為什麼物理定律也應該是普遍的呢?當然,我們可以說,「物理定律」這個詞包含了普遍性的概念。然而,這難道不是一個偶然的語義事實,沒有任何深刻或必要的含義嗎?

儘管陳述了以上所有內容,許多物理定律的定義甚至沒有提及它們的普遍性。

看看下面的定義:

科學定律或科學原理是描述或預測自然中出現的一系列現象的陳述。

還有這一個:

科學規律總結和解釋了大量由實驗確定的事實,並根據它們預測未來實驗結果的能力進行檢驗。

此外,一些物理定律的定義確實提到了它們的普遍性。例如:

物理定律是普遍的。它們似乎適用於宇宙中的任何地方……宇宙中的一切顯然都必須遵循它們(根據觀測)。

具體到物理常數(或「自然常數」),也有這樣的定義:

一個物理常數,有時是基本物理常數,是一個物理量,通常被認為是普遍的,在時間上有恆定的值

倫納德·蘇斯金德談宇宙法則

如果物理定律不是普遍的,那麼它們是什麼?讓美國物理學家倫納德·蘇斯金德來解釋一種可能性:

如果這些事情被證明是正確的,那麼物理定律的一些特徵(可能是大部分)將是局部的環境事實,而不是寫在石頭上的定律——否則不可能是定律。

儘管蘇斯金德說過,物理定律總是意味著(歷史上、哲學上和科學上)是普遍的。也就是說,所有的物理定律都要在所有的情況下被實例化——無論是在所有類似的實驗中,還是在類似的條件下,當涉及到所有的行星/恆星時,等等。因此,有些人可能會說:

如果自然法不是普遍存在的,它們怎麼可能存在呢?

另一方面,政治法律是「地方性的」。在思維哲學或經濟學中也沒有「真正的規律」。這是因為沒有任何精神或經濟現象是例外的,也不包括所謂的其他不平等的法律。另一種說法是,為了使這些法律成為法律,各種其他的不平等條款總是被硬塞進「精神法則」或經濟學法則中。然而,一些科學家和哲學家也對物理定律說過同樣的話!(參見南希·卡特萊特的《物理學定律的謊言》。

因此,如果自然法則在物理學中具有終極重要性(而且這些法則應該是普遍適用的),那麼任何從根本上挑戰這一點的東西,都會在物理學家圈子內外引起一定程度的恐慌。

同樣,如果我們沒有定律因為我們沒有普適性,那麼我們有什麼?蘇斯金德這樣表達了他的擔憂:

令物理學家們擔心的是,這裡的地貌可能太過豐富,幾乎什麼都能找到——任何物理常數、粒子質量等的組合。他們擔心,這將消除物理學的預測能力。他們擔心,如果一切皆有可能,就沒有辦法證明這個理論是錯的——或者更確切地說,沒有辦法證實它。

如果蘇斯金德的「景觀」是無限的,那麼「什麼都能找到」。如果我們以哲學家大衛·劉易斯的可能性世界理論來思考,那麼在這些世界中任何事情都是可能的——只要它們不涉及邏輯矛盾。然而,這些可能的世界可能確實涉及不同的物理定律,因此涉及不同的自然常數。因此,就像澳大利亞哲學家大衛·阿姆斯特朗所說的那樣,我們有可能擁有這樣一個「組合主義」的世界:在這個世界裡,屬性和事實不僅以無數種方式組合在一起,自然的常數也以無數種方式組合在一起。

在蘇斯金德的理論中物理學家們又該怎麼辦呢?如果定律是「地方性的」,那麼它們究竟是什麼意義上的定律呢?話雖如此,有什麼東西,能阻止定律地方化嗎?

以這個假設的場景為例

物理學家曾經知道一個宇宙,他們說這個宇宙「由同樣的物理定律支配」。然而,事實證明情況並非如此。相反,宇宙實際上被劃分為四個部分。

現在,在這四個部分中,定律被認為是「通用的」——或者至少它們在每個部分中(全面)適用。那麼,怎樣才能阻止這四部分的存在規律呢?畢竟,每一個部分都有它自己適用的法律。

這裡有一個問題:怎樣才能阻止這一進程的繼續?

也就是說,也許這四個部分中的每一部分都被分成另外四個部分(現在總共有16個部分)。原則上,這是可能發生的!事實上,這可能會無窮無盡地發生。雖然也可以說它不一定會發生。這是有可能發生的。

那麼,這個思維實驗與2020年我們對宇宙的實際了解相比如何呢?就我們所知的宇宙的任何可能的亞時空部分而言,這種情況有意義嗎?

定律使預測成為可能

倫納德蘇斯金德還將自然法則與他所稱的「物理學的預測能力」聯繫起來。換句話說,需要定律主要是為了預測。所以,如果我們所堅持的規律不是普遍的,那麼預測不是會更困難甚至不可能嗎?換句話說,如果所有的定律都不適用,那麼預測怎麼可能呢?

也許物理定律仍然適用於我們以前假設的宇宙的各個子區域。因此,這些法律可能仍然在這些假設中起作用。

那麼關於我們從未觀測到的宇宙部分的預測呢?那些我們所知有限的部分呢?同樣,大多數物理學家希望他們的定律和預測都是普遍的。如果事實並非如此,那麼一些物理學家可能會說:這有什麼意義?有很多科學並不涉及普遍定律,比如經濟學,社會學,心理學等等。然而,這些學科是「軟科學」。物理學應該是一門「硬科學」。

這些推測的真實性是否意味著所有的科學(包括物理學)實際上都是軟的——至少相對而言是這樣?

保羅·斯坦哈特:物理形態

讓我們再問一遍前面的問題:物理定律是普遍的嗎?

普林斯頓大學的阿爾伯特·愛因斯坦科學教授保羅·斯坦哈特問了我們一個簡單的問題,這個問題與我們自己的問題有關:

如果多元宇宙的大多數都如此不同,那麼在我們這個多元宇宙的小小角落裡,進一步探索隨機選擇的物理特性又有什麼意義呢?

上面斯坦哈特說的很多話在措辭上都有問題。儘管如此,這可能取決於斯坦哈特希望他的話在多大程度上被理解。

首先,「隨機」這個詞在「隨機選擇的物理特性」中是什麼意思?如果這些物理性質不是隨機選擇的,那麼另一種選擇是什麼?這些物理特性是必要的嗎?上帝選擇了他們?而且他這麼做是必然的?

那麼,為什麼要用「選擇」這個詞呢?即使物理性質不是隨機的,為什麼還要選擇它們呢?即使它們被選擇了,它們仍然是隨機的,因為選擇者很可能選擇了不同的物理性質。

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