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“真实”世界的真实

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物理学家一直在寻求能够统一所有物理学的那个终极理论。现在看来,他们或许不得不止步于一组理论,无法将它们合为一体。

撰文 斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)

莱昂纳德·蒙洛迪诺(Leonard Mlodinow)

翻译 庞玮

几年前,意大利蒙扎市议会通过了一项法案,禁止市民将金鱼养在圆形鱼缸里观赏。提案者解释说,把金鱼关在圆形鱼缸里非常残忍,因为弯曲的表面会让金鱼眼中的“现实” 世界变得扭曲。抛开这一法案给可怜的金鱼带来的福祉不谈,这个故事还提出了一个有趣的哲学问题:我们怎么知道我们感知到的“现实”是真实的?金鱼看见的世界与我们所谓的“现实”不同,但我们怎么能肯定它看到的就不如我们真实?据我们所知,就连我们自己说不定终其一生,也在透过一块扭曲的镜片打量周遭的世界。

在物理学中,这个问题并非纯理论空想。实际上,物理学家和宇宙学家发现他们自己眼下的处境和金鱼差不多。数十年来,我们一直上下求索,渴望得到一个终极的万有理论,可以用一套完备自洽的基本定律来解释“现实”的方方面面。但现在看来,最后我们得到的或许不是一个单一的理论,而是一大家族相互关联的理论,每个理论对于“现实”都有一套自己的描述,就像透过它自己的圆形鱼缸观察世界一样。对许多人来说,这个观点或许难以接受,其中还包括一些圈内的科学家。大多数人都相信存在一个客观的“现实”,无论是我们的感知还是我们的科学,都在直接表达有关这个物质世界的信息。经典科学就以这样一个信念为基础,即有一个外部世界独立存在,它的属性是确定的,与感知这个世界的观测者无关。在哲学上,这种信念被称为唯实论(realism)。

不过,对蒂莫西·利里(Timothy Leary)和上世纪60年代记忆犹新的人应该知道另一种可能:“现实”的概念也可以取决于感知者的心灵。这类观点大同小异,有的称为反唯实论(antirealism),有的则称为工具主义(instrumentalism)或唯心论(idealism)。按照这些“主义”,我们所知的世界是由人类心智以感官信息为原料构建的,是由我们大脑中的解释结构塑造的。这种观点或许难以接受,却不难理解。你不可能将观测者,也就是我们自己,从我们对这个世界的感知中抹去。

随着物理学的逐渐发展,唯实论的地位正变得岌岌可危。在经典物理学中,牛顿体系能非常准确地描述我们的日常体验,对“物体”、“位置”之类术语的诠释也在很大程度上与我们的常识(即我们对那些概念的“现实”理解)相符。然而,作为测量工具,我们人类是非常粗糙的。物理学家已经发现,平常所说的“物体”以及令我们看到它们的光,都是由我们无法直接感知到的物体(如电子和光子)构成的。这些物体遵循的不是经典物理,而是量子论。

量子论的“现实”与经典物理的“现实”截然不同。在量子论体系中,粒子既没有确定的位置,也没有确定的速度,只有当一个观测者去测量那些量时,它们的值才会确定。有些情况下,单独的物体甚至无法独立存在,只能作为整体的一部分出现。量子物理还极大地挑战了我们对“过去”的认识。在经典物理中,所谓的“过去”就是一系列已成为历史的明确事件,而在量子物理中,“过去”是不确定的,仅仅是一系列事件发生的可能性,跟“未来”没什么两样。甚至连作为一个整体的宇宙,都没有一个明确的过去,或者说历史。因此,量子物理暗含了不同于经典物理的另一种“现实”——虽然经典物理与我们的直觉相符,而且在我们设计建筑、桥梁之类的东西时仍然可以帮上大忙。

这些例子让我们得出一个结论,为诠释现代科学提供了一个重要框架。在我们看来,“现实”不可能脱离图景或者理论而独立存在。相反,我们采纳了一种新观点,称之为“取决于模型的唯实论”(model-dependent realism)。这种观点认为:每一个物理理论或世界图景都是一个模型(通常本质上是一个数学模型),是一套将模型中的要素与观测联系起来的法则。按照取决于模型的唯实论,追问一个模型本身是否真实没有意义,有意义的只在于它是否与观测相符。如果两个模型都与观测相符,那就不能认为其中一个比另一个更加真实。谁都可以根据具体情况选取更方便的那个模型来用。

别去评判真实

另类现实(alternative realities)已经成为今日大众文化的主流。例如在科幻电影《黑客帝国》(The Matrix)中,人类就毫无察觉地生活在一个由智能计算机生成的虚拟现实中,计算机通过这种方式让人类保持安定并心满意足,以便从他们的肉身实体上抽取生物能量(姑且相信有这么种能量)。我们怎么能知道自己不是一个由计算机生成的角色,此刻就生活在一个黑客帝国那样的世界中呢?如果我们生活在一个虚拟的、想象的世界中,事件之间就没有必要存在任何逻辑,不必自圆其说,也不用遵循任何规律。掌控这个虚拟世界的外星人说不定仅仅因为有趣或者好玩,纯粹为了看看我们的反应,就会让全世界突然对巧克力深恶痛绝,或者一夜之间消除战争实现世界和平——可是这种事情从来没有发生过。如果外星人坚决不肯违背自洽规律,那我们就没有任何办法确定在这个虚拟现实的背后还存在另一个现实了。你当然可以说,外星人生活的那个世界是“真实”的,计算机生成的世界是假的。然而,生活在虚拟世界里的生物无法从外部观察他们的宇宙(我们也一样),也就没有理由怀疑自己生活的世界并非“现实”。

金鱼的处境也是如此。它们在圆形玻璃缸里看到的景象与我们在鱼缸外看到的显然不同,但这并不妨碍它们发展出一套科学定律,来描述它们观察到的鱼缸外物体的运动。比方说,由于光在由空气进入水中时会发生偏折,在我们看来做直线运动的一个不受外力的物体,在金鱼看来就应该沿曲线运动。尽管身处一个扭曲的参考系,金鱼仍然可以从中总结出一套始终都很正确的科学规律,让它们能够对鱼缸外的物体未来的运动做出预言。它们的规律会比我们的规律复杂得多,但简单与否只与品味有关。如果金鱼能够发展出这样一套理论,我们就必须承认金鱼的观点也是对“现实”的一个有效描述。

还有一个发生在真实世界里的著名例子,同样说明对“现实”可以有不同的描述,那就是托勒密的地心说和哥白尼的日心说之争。尽管人们通常都说,哥白尼证明了托勒密是错的,但事实并非如此。哥白尼和托勒密就好比我们和金鱼,选择任何一种描述作为宇宙模型都可以,因为无论假设是地球不动还是太阳不动,我们都能很好地解释我们观察到的天象变化。抛开哥白尼的日心说在有关宇宙本质的哲学争论上所起的作用不论,它的真正优势只不过在于运动方程在太阳静止不动的参考系中更为简洁而已。

取决于模型的唯实论不仅对科学模型适用,对我们创造出来表述和理解周围世界的意识和潜意识心智模型也同样有效。例如,人类大脑从视觉神经接收原始信息,将来自双眼的信息综合起来,增强细节并填补诸如视觉盲点之类造成的信息缺失。不仅如此,大脑还从视网膜接收到的二维信息中创造出了三维空间感。你觉得自己看到了一把椅子,实际上不过是利用椅子上散射的光,建立起了一个心智图像,或者说是椅子的模型。人类大脑非常擅长这种模型构建,如果给人带上一副特殊眼镜,让呈现在他眼睛里的图像上下颠倒,大脑会改变这个模型让他看到上下不颠倒的物体——但愿在他想坐下来之前,这种改变就已经完成。

管窥深层理论

在追寻终极物理理论的探索中,从未有哪个理论像弦论(string theory)这样让人满怀希望,又如此饱受质疑。弦论是20 世纪70 年代被首次提出的一种尝试,目的就是要将自然界中所有的作用力都统一到同一个理论框架中去——确切地说,是要把引力并入量子物理体系。然而到了20 世纪90 年代初,物理学家发现弦论遇到了一个尴尬的问题,那就是同时存在5 种不同的弦论。对于鼓吹弦论是唯一可行万有理论的那些人来说,这确实相当难堪。到了90 年代中期,研究者开始发觉,这些不同的理论,以及后来才出现的所谓超引力论(supergravity),其实都是在描述同一个现象,这给了他们一些希望,认为这些理论最终可以统为一体。确实,这些理论通过物理学家所说的“对偶性” (duality)彼此关联,这种对偶性就像是在不同概念之间来回变换的某种数学词典。但很可惜,每种理论只能很好地描述某一特定条件范围内的现象——比如说低能现象。没有哪个理论能够描述宇宙的方方面面。

弦论学家现在相信,这5 种不同的弦论只是对更基本的一种理论的不同近似,后者被称为M 理论。[似乎没有人知道这里的M 代表什么,可能是Master(统领),可能是Miracle (奇迹),也可能是Mystery(神秘),或者兼而有之。]尽管人们还在努力参详M 理论的本质,但看上去长期以来期待的单一终极理论或许不会出现,要描述宇宙万物,我们必须针对不同情况选择不同的理论。因此,M 理论不是通常意义上的单个理论,而是众多理论组成的一个网络。这有点类似于地图。要将整个地球如实记录在二维平面地图上,人们必须使用一套地图,其中每一张只覆盖一个有限区域。这些地图会互有重叠,在这些重叠的区域,不同地图都展示出相同的地貌。与此类似,M 理论大家族中的不同理论看上去可能千差万别,但都可以看成是同一个底层理论的某种版本,在适用范围相互重叠之处,它们都会预言相同的现象,但没有哪个理论能够涵盖所有情况。

只要我们发展出一个描述世界的模型,并且发现它大获成功,我们就会说这个理论描述了“现实”,或者说绝对真理。但就像金鱼那个例子一样,M 理论表明同样的物理场景可以用不同的模型来描述,每个模型都有一套不同的基本要素和基本概念。或许,要描述整个宇宙,我们必须在不同情况下使用不同的理论。每个理论对于“现实”或许都有各自不同的理解,但根据基于模型的唯实论,“现实”的这种多样性是可以接受的,不可以说哪一种“现实”比其他“现实”更真实。这不是物理学家传统意义上期待的大统一理论,跟我们日常对“现实”的理解也相去甚远。但这或许正是宇宙的本来面目。

斯蒂芬·霍金的研究为今天我们理解黑洞和宇宙起源奠定了基础,不过 据他本人指出,他在动画片《辛普森一家》(The Simpsons)和科幻剧集 《星际迷航:下一代》(Star Trek: The Next Generation)中的演出也同 样精彩。从1979 年到去年,他一直是英国剑桥大学卢卡斯教席数学教授, 牛顿也曾执掌过这一教席。他的著作中包括大名鼎鼎的《时间简史》(A Brief History of Time),迄今已售出超过900 万册。

莱昂纳德·蒙洛迪诺是美国加州理工学院的理论物理学家。他写过 7 本科普著作,包括《欧几里德之窗:从平行线到超空间的几何历 程》(Euclid’s Window: The Story of Geometry from Parallel Lines to Hyperspace)和《醉汉晃悠悠:随机性如何决定我们的生活》(The Drunkard’s Walk: How Randomness Rules Our Lives)。他还为《百战 天龙》(MacGyver)和《星际迷航:下一代》写过剧本。

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