第3章 何为实在

第3章 何为实在

几年前，意大利蒙札市议会禁止宠物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释此提案的部分理由是，因为金鱼向外凝视时会得到实在的歪曲景色，将金鱼养在弯曲的缸里是残酷的。然而，我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在图像？难道我们自己不也可能处于某个大鱼缸之内，一个巨大的透镜扭曲我们的美景？金鱼的实在的图像和我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？

金鱼的实在图像和我们自己的不同，但金鱼仍然可以表述制约它们观察到的在鱼缸外面物体运动的科学定律。例如，由于变形，我们观察到的在一根直线上运动的一个自由物体会被金鱼观察成是沿着一根曲线运动。尽管如此，金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律，这些定律总是成立，而且使它们能预言鱼缸外的物体的未来运动。它们的定律会比我们参考系中的定律更为复杂，但简单性只不过是口味而已。如果一条金鱼表述了这样的一个理论，我们就只好承认金鱼的风景是实在的一个正确的图像。

托勒密(约公元85年——约公元165年)在公元150年左右提出一个描写星体运动的模型，这是一个实在的不同图像的著名例子。托勒密的研究发表在十三册的一部论文中，这部论文通常以阿拉伯文题目《天文学大成》而众所周知。《天文学大成》从解释为何认为地球是一个球形的静止的位于宇宙中心，并与星空的距离相比是小到可以忽略开始。虽然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亚里士多德时代开始，大多数希腊有教养的人都持有这些信仰，亚里士多德由于神秘的原因相信地球应该是位于宇宙的中心。在托勒密模型中，地球静止地位于中心，行星和恒星在非常复杂的轨道上围绕着它运行，这些轨道牵涉到周转圆，正如轮子上的轮子。

由于我们没觉得脚下的地球在运动(除了地震或者激情澎湃的时刻)，这个模型似乎是自然的。后来的欧洲学术是基于传承下来的希腊之源，于是亚里士多德和托勒密的观念就成为多数西方思想的基础。天主教会采用托勒密的宇宙模型当作正式教义达十四世纪之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋论》中提出一个另外的模型。虽然他已花了几十年来研究此理论，该书在他逝世那年才出版。

正如大约早十七世纪的阿利斯塔克，哥白尼描写其中太阳处于静止，而行星以圆周轨道围绕着它运转的一个世界。尽管这个思想并不新，其复活却遭到激烈的抵制。哥白尼模型被认为和圣经相抵触，尽管圣经从未清楚地说明，但被解说成行星围绕着地球运动。事实上，在撰写圣经的时代，人们相信地球是平坦的。哥白尼模型引起关于地球是否静止不动的狂烈辩论。这个辩论于1633年因伽利略受到异端审判而达到高峰。他的罪名是提倡哥白尼模型并认为“在一种信念被宣布并确定为与圣经冲突之后，人们仍然可以把它当作可能的信念予以坚持并捍卫。”他被裁决有罪，判为终身软禁，并被迫宣布放弃原先的信仰。据说他低声嘀咕道：“可是它仍在运动。”1992年，罗马天主教廷终于承认谴责伽利略是错误的。

那么，托勒密系统或哥白尼系统，哪个是真实的？尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错的，但那不是真的。正如在我们的正常观点和金鱼的观点相比较的情形，人们可以利用任一种图象作为宇宙的模型，对于我们天空之观测，既可从假定地球处于静止，也可从假定太阳处于静止得到解释。尽管哥白尼系统在有关我们宇宙本性的哲学辩论中的作用很大，然而它的真正优势是在太阳处于静止的坐标系中运动方程要简单得多。

在科幻影片《黑客帝国》(matrix)中发生了不同类型的另外实在。影片中的人类不知不觉地生活在由智慧电脑制造的模拟实在之中，当电脑将他们的生物电能(不管为何物)吸吮时，使他们保持平静而满意。这也许没那么牵强，因为许多人宁愿在网络的虚拟实在中消磨时日，例如“第二人生”。我们何以得知，我们不仅是一部电脑制作的肥皂剧中的角色呢？如果我们生活在合成虚世界中，事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。进行操控的外星人也许在看到我们反应时会觉得更有趣更开心，例如，如果满月分开两半，或者在这世界上每个节食的人显示对香蕉奶油饼的毫不节制的渴望。但是如果外星人实施一致的定律，我们就无法得知在这模拟的实在背后还有另一个实在。将外星人生活的世界称作“真的”，而把合成世界当作“假的”是很容易的事情。但是如果——正如我们这样——在模拟世界中的生物不能从外面注视到他们的宇宙之中，他们就没有理由怀疑他们自己的实在图像。这是我们都是他人梦中的想象物的观念的现代版本。

从这些例子，我们可得到对本书非常重要的结论：不存在与图象或理论无关的实在性概念。相反地，我们将要采用将其称为依赖模型的实在论观点：一个物理理论和世界图像是一个模型(通常具有数学性质)以及一组将这个模型的元素和观测连接的规则的思想。这提供了一个用以解释现代科学的框架。

从柏拉图以来的哲学家长期以来争议实在的性质。经典科学是基于这样的信念，存在一个真实的外部世界，其性质是确定的，并与感知它们的观察者无关。根据经典科学，某些物体存在并拥有诸如速率和质量等物理性质，它们具有明确定义的值。在这种观点里，我们理论是试图去描述那些物体及其性质，并且将我们的测量和感觉与之对应。无论是观察者还是观察对象都是具有客观存在的世界的部分，它们之间任何区别都是无意义的。换言之，如果你看到一群斑马在停车场争夺一块地方，那是因为真的有一群斑马在停车场争夺那个地方。所有其他正在看的观察者都会测量到同样的性质，而且不管是否有人在看这群斑马，它们都具有那些性质。在哲学中，这一信仰称为现实主义。

虽然现实主义也许是诱人的观点，正如我们将在下面看到的，我们有关现代物理的知识使得要为它辩护变得非常困难。例如，根据精确描述自然的量子物理原理，除非并且直到一个粒子的位置或速度被一位观察者测量，这个粒子既不拥有明确的位置也不拥有明确的速度。因此，说测量之所以给出一定的结果，是因为被测量的量在测量的时刻具有那个值是不正确的。事实上，在某种情形下，单独的物体甚至并没有独立的存在，而仅作为众多的系综的部分而存在。而且如果一种称为全息原理的理论被证明是正确的，我们以及我们的四维世界可能是一个更大的五维时空在边界上的影子。在那种情形下，我们在宇宙中的状况类似于金鱼的状况。

彻底的现实主义者经常论证道，科学理论描绘实在的证明在于它们的成功。但不同理论可以通过全异的概念框架成功地描述同样的现象。事实上，许多已被证明成功的理论后来被其它基于全新的实在性概念之上的同等成功的理论所取代。

在传统上，那些不接受现实主义的人被称为反现实主义者。反现实主义者相信经验知识和理论知识相互不同。他们一向论争道，观察和实验是有意义的，但是理论只不过是有用的工具，并不体现任何作为被观察现象的基础的更深刻真理。一些反现实主义者甚至要将科学限制于可被观察的东西。因为这个原因，十九世纪时的许多人基于我们永远看不见原子而拒绝原子的概念。乔治·贝克莱(1685—1753)甚至走至如此地步，他断言除了精神及其思想，没有任何东西存在。当英国作家兼辞典编篡人萨缪尔·约翰孙博士的一位朋友对他说起不可能反驳贝克莱的声明时，据说约翰孙的反应是，走近一块大石头，踢它并宣布,“我如此反驳他。”当然，约翰孙感觉的脚痛也还是他头脑中的一个思想，所以他还未真正驳斥贝克莱的观念。但其行为确实解释了哲学家大卫·休谟(1711—1776)的观点。后者写过，尽管我们没有合理的理由信仰一个客观的实在，我们也别无选择，只好装作仿佛它真是那样的。

依赖模型的现实主义使现实主义和反现实主义的思想学派之间所有这类争议变得毫无意义。按照依赖模型的现实主义，去问一个模型是否真实是无意义的，只有是否与观测相符才有意义。如果存在两个都和观测相符的模型，正如金鱼的图像和我们的图像，那么人们不能讲这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下，哪个更方便就用哪个。例如，如果一个人处于金鱼缸内，那么金鱼图像会是有用的，但对外界的人们而言，那么在地球鱼缸的参照系里去描述从远处星系来的事件就会非常笨拙，尤其是因为鱼缸随着地球围绕太阳公转并围绕着自己的轴自转而在运动。

我们在科学中制造模型，然而我们日常生活也制造模型。依赖模型的现实主义不仅适用于科学模型，还适用于我们所有人为了解释并理解日常世界而创造的有意识和下意识的心理模型。没办法将观察者——我们——从我们对世界的认识中排除，认识是通过感觉过程以及通过思维和推理方式产生的。我们的认识——而因此我们理论以其为基础的观测——不是直接的，而是由一种类似透镜之物——我们人脑的解释结构而塑造的。

依赖模型的现实主义对应于我们感觉对象的方式。在视觉中，人们大脑从视觉神经接受一系列信号。那些信号并不构成你会从电视接受的那类图像。在视觉神经连接视网膜之处有一盲点，还有你的视场具有高分辨率的部分仅处于视网膜中心周围大约一度的狭窄视角，这个范围的角度和你伸出手臂时大拇指的宽度一样。如此送入你头脑的未加工的数据就像有个洞的模样般古怪的图像。幸运的是，人脑处理那个数据，将两只眼睛的输入结合在一起，假定邻近位置的视觉性质类似，再填满缝隙并应用插入技术。此外，大脑从视网膜读到二维的数据排列并由它创生三维空间的印象。换言之，大脑建立心理图像或模型。

在建立模型方面，大脑是如此称职，如果人们配上一种上下颠倒其眼中之像的眼镜，他们的大脑在一段时间后就会改变模型，使之再次看到在正确方向的东西。如果之后摘下眼镜，在一段时间内，他们看世界是上下颠倒的，然后会再次适应。这表明，当一个人说“我看到一把椅子”时，他的意思仅仅是他利用椅子散射来的光建立一个椅子的心理图像或模型。如果模型上下颠倒，在他坐到椅子上去之前，幸运的是，其脑子改正了那个模型。

依赖模型的现实主义解决或至少避免的另一个问题是存在的意义。如果我走出房间而看不见桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那么说我们看不见的东西，诸如电子或据说是构成质子和中子的叫夸克的粒子存在是什么意思呢？人们可以拥有模型，在该模型中，当我离开时桌子消失了，而当我返回时，桌子又在同一位置出现了，然而那会是笨拙的。而如果我在外面时发生了某些事情，比如讲天花板落下怎么办呢？在我离开房间时桌子消失的模型下，我能够解释下回我进入时在天花板碎片之下损毁的桌子重现的事实吗？桌子留在原地不动的模型简单得多，并与观测相符。那就是人们能问的一切。

在我们看不见的次原子粒子的情形下，电子是一个有用的模型，它能解释象在一个云雾室中的轨迹和电视显像管上的光点，还有许多其它现象。据说1897年英国物理学家j·汤姆逊在剑桥大学的卡文迪许实验室发现了电子。他是利用在真空玻璃管中的电流来做称为阴极射线现象的实验。从实验里，他获得一个大胆的结论，神秘的射线由微小的“微粒”构成，这种微粒是原子的物质部分，那时原子被认为是物质的不可分的基元。汤姆逊没有看到“电子”，他的实验也没有直接或清晰地证明他的预测。但在从基础科学到工程的应用中这个模型证明是关键的，而现在所有的物理学家都确信电子存在，即便看不到它。

我们也看不见夸克，它是解释原子核中的质子和中子性质的一个模型。虽然说夸克构成质子和中子，因夸克之间的束缚力随着分离而增大，因此孤立的自由夸克不可能在自然中存在，所以我们永远观察不到夸克。相反地，它们永远以三个一组(质子和中子)或者以夸克反夸克对(π介子)存在，而且它们正像由橡皮带连接在一起似的。

自夸克模型首次提出之后的年代里，人们一直在争议，如果你永远不能分离出一个夸克，说夸克真的存在是否有意义的问题。一些次次核粒子的不同结合构成了某些粒子的思想提供了一种编组原理，由此对其性质给予简单而吸引人的解释。但是，尽管物理学家已习惯于接受那些粒子，它们也只从有关其它粒子散射的数据中的统计的短促哗哗声中推断其存在。对许多科学家而言，将实在性赋予一个在原则上也许不能被观测到的粒子是太过分了。然而，这么多年来，随着夸克模型导出愈加正确的预言，反对的声音也随之消退。某种拥有十七只手臂，红外眼以及习惯从耳朵吹出浓缩奶油的外星生物会进行与我们相同的实验观察，但不用夸克描述之，这是完全可能的。尽管如此，根据依赖模型的现实主义，夸克存在于一个和我们对次核子粒子如何行为的观察一致的模型中。

依赖模型的现实主义能够为讨论诸如以下问题提供框架：如果世界是在有限的过去创生的，那么在那之前发生了什么？一位早期的基督教哲学家圣·奥古斯丁(354—430)说，其答案不是上帝正为问此类问题的人们准备地狱，而是时间是上帝创造的世界的一个性质，时间在创生之前不存在，他还相信创生发生于过去不那么久的时刻。这是一个可能的模型。尽管在世界上存在化石和其它证据使之显得古老的多，(它们被放在那里是用来愚弄我们的吗？)那些坚持创世纪中的叙述确实是真的人很喜欢这个模型。人们还能拥有一个不同的模型，在这模型中时间往回延续137亿年到达大爆炸。该模型解释了包括历史和地学的证据在内的大部分我们的现代观测，它是我们拥有的对过去的最好描绘。第二种模型能解释化石和放射性记录，以及我们接受来自距离我们几百万光年的星系来的光的事实。因此，这个模型——大爆炸理论——比第一个更有用。尽管如此，没有一个模型可以说比另一个更真实。

有些人支持时间能回到甚至比大爆炸还早的模型。目前还不清楚其中时间延续回到比大爆炸还早的模型是否能更好地解释现代的观测，因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃。如果出现这种现象，那么去创造一个包含早于大爆炸的时间的模型就没有意义，因为那时存在的东西对于现在没有可观测的后果，如此我们也可以坚持大爆炸是世界的创生的观念。

一个模型是个好模型，如果：

1.它是优雅的。

2.它包含很少任意或者可调整的元素。

3.它和全部已有的观测一致并能解释。

4.它对将来的观测做详细的预言，如果这些预言不成立，观测就能证伪这个模型。

例如，在亚里士多德的理论中，世界由土，气，火和水四种元素构成，而且物体是为了满足它们的目的而行为，这个理论是优雅的，并不包含可调节的元素。但在许多情形下，它并未做出确定的预言，而当它预言时，又并不总与观测一致。这些预言中的一个是，因为物体的目的是下落，因此较重的物体应下落得较快。在伽利略之前似乎没人想到过去验证这个预言。传说他从比萨斜塔上释放重物来检验它。这故事可能是伪造的，但我们确知，他把不同的重物从一斜面上滚下，并且观察到它们都以同样速率获得速度，这与亚里士多德的预言矛盾。

上面的标准显然是主观的。例如，优雅就不是容易测量的某种东西，但科学家们非常珍视它，因为自然定律是意味着把许多特殊情况经济地压缩成一个简单公式。优雅是指理论的形式，但它与缺少可调整元素紧密相关，由于一个充满了修补的因素的理论不很优雅。转述爱因斯坦的话，一个理论应该尽可能简单，但不能更简单了。托勒密把周转圆加到周转圆上，或者甚至在其上再加周转圆。虽然增加的复杂性可使模型更精确，可科学家不满意一个被扭曲去迎合特有的一组观测的模型，他们倾向于把它看成数据表，而非一个可能体现任何有用原理的理论。

在第五章里，我们将要看到，许多人认为描写自然的基本粒子相互作用的“标准模型”不优雅。那个模型比托勒密的周转圆成功得多。它在几个新粒子被观测到之前就预言其存在了，并于几十年间以巨大的精确性描述了极多实验的结果。但它包含了几十个可调节的参数，其数值必须为了配合观测而被固定下来，而不是由理论本身所确定的。

关于第四点，当新的令人震惊的预言被证明正确时，总给科学家留下深刻印象。另一方面，当一个模型发现做不到这一点，一种普遍反应是说实验错了。如果证明不是那种情形，人们经常仍然不抛弃这个模型，而试图通过修正来挽救它。尽管物理学家执着地努力拯救他们赞美的理论，随着改动变得做作而且繁琐，理论因此而变得“不优雅”，人们修正理论的热情也就消退了。

如果容纳新的观测所需的修正过分雕琢，这就标志需要新模型。稳态宇宙的观念是老模型迫于新观测而撤退的一个例子。1920年代，多数科学家相信宇宙是静止的，或者在尺度上不变。后来埃德温·哈勃于1929年发表了他的观测，显示宇宙正在膨胀。哈勃观察到由星系发射出的光，但并未直接观察到宇宙在膨胀。那些光携带特征记号，或曰基于每个星系成分的光谱。如果星系相对于我们运动，光谱就会改变一个已知的量。因此，哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度。他原先预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多。相反地，他发现几乎所有的星系都离开我们运动，而且处在越远的地方，它们就越快地运动。哈勃得出结论，宇宙正在膨胀。但其他人坚持早先的模型，试图在稳态宇宙的框架中解释他的观测。例如，加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基建议，也许因某些还未知的原因当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量。这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基提议的这种改变能够模拟哈勃的观测。在哈勃之后的几十年间，许多科学家继续坚持稳态理论，但最自然的模型是哈勃的膨胀宇宙模型，而它已被接受。

在寻求制约宇宙的定律的探索之际，我们表述了许多理论或模型，诸如四元素理论，托勒密模型，热素理论，大爆炸模型等。我们的实在和宇宙的基本成分的概念伴随着每个理论或模型而改变。例如，考虑光的理论。牛顿认为光是由小粒子或微粒构成。这就解释了为什么光会沿直线旅行，而且牛顿利用它来解释当光从一个媒质进入另一个媒质时，比如从空气进入玻璃或者从空气进入水时，它为什么弯折或折射。

然而，微粒论不能用来解释牛顿自己观察到的称作牛顿环的现象。把一个透镜置于一面平坦的反射板上，并用单色光诸如钠光对其照射。从上往下看，人们将看到一系列明暗相间的圆环，它们以透镜和表面接触点为圆心。用光的粒子论来解释这个现象很困难，但在波动论中就能得到解释。根据光的波动论，那被称作干涉的现象导致亮环和暗环。一个波，比如水波，是由一系列波峰和波谷组成。当波碰撞时，如果那些波峰和波谷刚好分别一致，它们就互相加强，获得更大的波。这称为建设性干涉。在这种情形下，波被称为处于“同相”。在另一种极端，当波相遇时，一个波的波峰可能刚好与另一个波的波谷重合。在那种情形下，波相互对消，被称为处于“反相”。这种情形称为破坏性干涉。

在牛顿环中，亮环位于离开中心的距离为该处透镜和反射板之间的分离使得从透镜反射的波和板上反射的波相差整数(1，2，3，……)倍的波长，产生了建设性干涉。(波长是一个波的波峰或波谷和下一个之间的距离)。另一方面，暗环位于离开中心的距离为该处的两个反射波之间相差半整数(1/2，3/2，5/2，……)倍的波长，引起破坏性干涉——从透镜反射的波抵消了从平板反射回来的波。

在十九世纪，这个被用来确认光的波动论，还证明了粒子论是错误的。然而，在二十世纪早期，爱因斯坦证明，用光粒子或量子打到原子上并打出电子可解释光电效应(现在用于电视和数码相机中)。这样，光既作为粒子又作为波来行为。

波的概念深入人心，或许是因为人们见过海洋，或者见过把一块小圆石扔进后的小池塘。事实上，如果你曾将两块小圆石扔进小池，你也许看到了干涉作用，正如在前面图画中那样。其它的液体也能观察到类似的行为，也许除了酒以外，如果你喝得太多的话。从岩石，圆石和沙就很熟悉粒子的概念了。但这种波/粒对偶性——一个物体既可描述成粒子也可描述成波的思想——对于日常经验而言,却犹如你能喝下一块沙岩的想法那么怪异。

类似这样的对偶性——两个非常不同的理论精确地描述了同样的现象的情形——和依赖模型的现实主义相一致。每个理论能描述并解释某些性质，而没有一个理论能说比其它的更好或更真实。考虑制约宇宙的定律，我们所能说的是：似乎不存在一个单独的数学模型或理论能够描述宇宙的方方面面。相反地，正如开篇提到，似乎存在一个称作m理论的理论网络。在m理论网络中，每个理论都能很好地描述在一定范围的现象。只要在其范围交叠之处，在网络中的不同理论都一致，这样它们都能被称作同样理论的部分。但在这网络中没有一个单独的理论可能描述宇宙的各个方面——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及这一切在其中发生的空间和时间框架。尽管这种情形未实现传统物理学家的单独统一理论之梦，然而在依赖模型的现实主义的框架中是可被接受的。

我们将在第五章进一步讨论对偶性和m理论，但在这之前，我们将转向量子论，它是作为我们现代自然观基础的基本原理。我们特别要关注称作不同历史的量子论方法。按照那种观点，宇宙不仅具有单独的存在或历史，而是每种可能的宇宙版本在称作量子叠加之中同时存在。这听起来就象只要你离开房间桌子就会消失的理论般的疯狂，然而在此情形下，该理论通过了它所经受的所有实验的验证。