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世界的本源,并非物质?

2019-06-26 阅读量:218

物理学家总是这样描述宇宙:宇宙是由各种微小的亚原子粒子构成,这些粒子之间通过力场相互吸引或排斥。他们将这一学科称为“粒子物理学”,将所用的研究仪器称为“粒子加速器”。他们坚持认为,宇宙是一个像乐高玩具那样由粒子搭建起来的模型。但这种观念却掩盖了一个鲜为人知的事实:量子物理对“粒子”和“场”的表述,完全颠覆了我们对“粒子”和“场”的传统认知,以至于一些人认为,这个世界也许完全是由别的什么内容构成。


  问题并不在于物理学家缺少一个描述亚原子世界的有效理论,他们倒真有一个,名为量子场论(quantum field theory)。理论物理学家在上世纪20年代至50年代间发展出了这套理论,它是由早期量子理论和爱因斯坦的狭义相对论融合而成。粒子物理中有一个概念为“标准模型”(Standard Model),量子场论是这一概念的基础。就实验精度而言,标准模型是科学史上最成功的理论。物理学家每天都用它来预测粒子碰撞的结果、大爆炸中的物质合成及原子核中的极端条件,凡此种种,不一而足。

  看到这里,如果得知物理学家并不清楚“量子场论到底说了些什么”,即它的本质或者说基本物理图像,你肯定会大吃一惊。物理学家的这种困惑与大家热衷讨论的量子力学中的那些神秘问题(比如薛定谔的猫)有本质区别。量子场论中那些并不明确的表述,羁绊着我们对标准模型之外的物理学领域的探索,比如说弦论,因为在不理解现有理论的情况下试图去发展一套新的理论,是非常危险的。

  标准模型的内容初看起来非常清晰明了,首先它包含了一群基本粒子,像夸克、电子等等,其次包括了四种力场,基本粒子通过力场来传递相互作用。这些内容已经被画成挂图挂在教室里,也频频出现在本刊的文章中。但这些内容无论看上去多么完美,其实都无法令人满意。

  首先,基本粒子和场的分界含混不清。量子场论为每种基本粒子都配上一个相应的场,因此如果有电子就一定有电场。而从另一角度来说,力场并不是连续的,而呈量子化,因而产生了像声子(phonon)这样的粒子。如此一来,粒子和场的区分看起来就是人为定义的,物理学家常常会谈论这两个概念哪个更基础。直到今天,我们在描述中仍然使用粒子和场这两个概念,尽管大多数物理学家都承认,这些经典概念并不符合量子场论描述的内容。如果我们对“粒子”和“场”的传统认知观念并不符合理论描述,物理学家和哲学家就必须弄清楚用什么来取而代之。

  面对这两种标准的经典概念带来的困境,物理学界中的一些哲学家已经开始构想一些更 “玄幻”的基元来替代它们。他们提出,物质世界最基本的构成应该是一些无法具象的内容,比如说“联系”和“属性”。一个颠覆性的想法是,宇宙万物都可以被还原成无形的内容,而不必借助任何实体概念。这实在是一个违背常理的革命性想法,但有些支持者认为,物理学会迫使我们接受这种革命。

“粒子”的困境“粒子”的困境
  包括科学家在内的大多数人,一想到亚原子尺度之下的物质,眼前就会浮现起各种粒子,像一个个小球般来回碰撞不休。但这种粒子概念是经典物理理论的产物,经典物理由古希腊原子论者提出,到艾萨克·牛顿(Isaac Newton)时期发展到了顶峰。但我们顺着相互交叠的几种思路推敲一下,就会立刻明白,量子场论的核心组成——粒子,其性质与弹性小球相差甚远。

  首先,经典概念中的粒子意味着局域在某个位置附近的某种存在,但量子场论中的“粒子”并没有明确定义的位置:你身体中的某个粒子并不严格局限于你的身体之内,如果有人想要测量它的位置,他会发现,这个粒子有很小但不为零的概率出现在遥远的宇宙边际。虽然这个问题在早期量子理论中就已经出现,但随着理论物理学家将量子力学和狭义相对论揉合在一起,问题就变得更严重了。相对论性量子粒子(relativistic quantum particle) 极其狡猾,它们居无定所,浩瀚宇宙处处为家。

  其次,假设你看到你家厨房里有一个粒子,你的朋友开着车从你家飞驰而过,他可能会看到这个粒子弥漫在整个宇宙之中。对你而言局域化的东西在你朋友看来却是非局域的。不仅粒子的具体位置依赖于你们的视角,粒子是否有一个确定位置也会因视角变换而改变。在这种情况下,将局域化的粒子看作世界的基本构成毫无意义。

  即便放弃查找粒子的精确位置而只考虑粒子的数目,你也会陷入麻烦。假设现在你想知道家里的粒子数目,于是起身遛了一圈,在客厅找到3个,在卧室床下逮到5个,在厨房柜子里又发现8个,如此挨个屋子寻找,把各个屋子数目都加起来,不就得到家里粒子的总数了么?结果却会再一次让你失望,因为这并不是粒子总数。按照量子场论,家里的粒子总数才是房子的属性之一,要想得到正确结果,你必须一次就测量出所有房间内的粒子,而不能逐间搜寻,这明显是一个不可能完成的任务。

  粒子无法精确定位导致了一个极端情况出现——在量子场论中,真空会有相互矛盾的性质。假设你现在有一个完整的真空,按照定义就是包含0个粒子的状态,但局限到其中某个有限区域,你看到的情况会与真空大相径庭。换句话说,虽然你家里整体空空如也,但处处都能找到粒子。要是消防员问你屋里还有没有人,你回答说整体上没有,但等他冲进火海却发现每间屋里都挤满了人,他肯定会质疑你的精神是否正常。

  量子场论中的真空还存在一个令人惊讶的效应,名为盎鲁效应(Unruh effect)。一个处于静止状态的飞行员可能认为自己身处真空,但在另一个身处加速飞船中的飞行员看来,则会觉得身处无数粒子的海洋之中。这种不同视角带来的差异同样存在于黑洞边缘,这导致我们在探讨“落入黑洞的物质究竟会有怎样的结果”这一问题时,会有两种完全矛盾的结论。

  最后,依据量子场论理论,粒子并不具备独特的属性。在令人迷惑的量子纠缠(quantum entanglement)现象中,粒子会同化成一个更大的系统,那些能够区分彼此的属性会消失。这些粒子不仅会共享像质量、电荷这样的固有属性,还会共享位置和时间属性,例如在某个特定时间所处的可能位置。这样当粒子纠缠在一起时,观测者就无法区分它们,如此一来,你怎么能确定纠缠态中有两个粒子呢?

  理论物理学家也许可以简单地规定,纠缠态的确由两个不同粒子构成。哲学家把这种规定称为“根本假设”。根据其定义,该假设是无法通过观测得到证实的。大多数物理学家和哲学家都对这种特殊的解决方式持怀疑态度,因为实际上,处于纠缠态的两个粒子就不再是两个实体了,它们的行为就像一个不可分割的整体,“部分”这个概念在此已失去意义,单个粒子就更无从谈起了。

  这些与粒子相关的理论问题完全颠覆了我们的传统认知观念。如果没有粒子,那我们的“粒子探测器”探测到的究竟是什么?答案是我们从没有直接探测到粒子,粒子只是推测出的结果。探测器记录的只是传感器材料独立激发时的大量数据,我们自作主张地将这些闪光点连接起来,并推测它们是粒子在不同时刻留下的轨迹。
  现在让我们理一下思路。我们将粒子看成很小的小球,但当今物理学家称为“粒子”的那些东西与之完全无关。按照量子场论,无论大小,任何物体都不可能局限在某个有限空间。不仅如此,这些假想粒子的具体数目也会因为观测者运动状态的不同而不同。所有这些结果总结到一起,几乎为“宇宙是由类似小球的粒子构成的”这一想法判了死刑。

  基于上述原因和其他有关量子场论的见解,我们必须作出一个这样的结论:“粒子物理学”其实名不副实,尽管物理学家一直在谈论粒子,但其实并没有这种东西存在。也许有人转而采用“量子粒子”来缓解矛盾,但如果有关粒子的所有经典概念都已土崩瓦解,“粒子”一词又有什么意义呢?有些人认为,粒子概念遇到的这些问题,暗示着量子场论应该纯粹用场来表述。这种观念认为,场是一种看不见、可流动的物质,弥散于整个空间,粒子是场的涟漪。但是,接下来我们就会看到,量子场论同样也无法用场来表述。

  “场”亦难当重任

  “量子场论”这个名称很自然地表明,这是一个经典场论的量子版本。经典场我们都很熟悉,比如电场和磁场,但什么是“量子版本”?提起“场”,总是与这些图像联系在一起:磁铁周围的磁场让小磁针相互平行排列;静电场让毛发竖起。但量子场与经典场非常不同,就连理论物理学家也承认很难形象地描述它们。

  在经典理论中,一种场代表了一个物理量在不同时空点上的值,比如温度或电场强度。但对于量子场,每个时空点代表的则是抽象的数学实体,代表的是你可以进行测量的类型,而不是你想测量的结果。在量子场论中,的确有一些数学结构代表物理量数值,但这些数值不是某个具体时空点上的值,而是一些不确定区域的值。


  历史上,物理学家是通过将经典场论“量子化”建立起量子场论的。通常的程序是,物理学家找到一个方程,然后将其中的物理量用“算符”(operator)代替。所谓算符是形如微分或开方这样的数学运算,而有些算符则对应像光的辐射与吸收这样特殊的物理过程。算符在理论和现实之间设置了一层抽象的屏障,想要从经典场得到量子场,你必须再多走一步,将这个算符应用于另一个叫做态矢量(state vector)的数学实体上。

  从某个层面上来看,量子场的奇特性质并不会非常令人惊讶。因为作为量子场论基础的量子力学,就无法得出确定的数值结果而只能给出概率。但就本体而言,量子场论中的情况似乎更为古怪一些,最基本的“量子场”连概率都无法得出,必须要绑定一个态矢量。


  量子场需要用态矢量来描述,使得该理论理解起来非常困难,因为你很难将其转换成你能想象并在脑海中推导的物理图像。态矢量具有整体性,它描述的是一个系统的整体性质,具体到某个特定位置就不适用了。按照定义,场具有可在时空中有序传播的特性,但态矢量却削弱了这一特性。我们可以将经典场想象为“以波动形式在空间中传播的光波”的形象,但在量子场中,场的性质完全不同,我们无法描述它是怎样的一种物质。

  很明显,基本粒子和力场的标准图像不是物理世界理想的本质描述。实际上物理学家连粒子和场究竟是什么都完全不清楚。对此,通常会有这样一种回应,粒子和场应该被看作两个对真实情况的补充条件,但在那些我们应该观测到纯粒子或纯场的情况下,这两种物质还是不存在。幸运的是,粒子和场并没有被排除量子场论所有可能的本体描述。

  结构现实主义?

  越来越多人认为真正重要的不是事物本身,而是这些事物间的联系。这种观点彻底突破了传统的原子论或点粒子论,其颠覆程度之大,就连我们对粒子和场进行的最为激进的改造,也望尘莫及。

  这种名为结构现实主义(structural realism)的观念,是由一种相对平和的版本逐步发展而来,那时它还叫认知结构现实主义(epistemic structural realism),主旨如下:我们也许永远无法了解事物的真正本质,而只能了解它们彼此间的联系。以质量为例,你见过质量本体吗?我们从未曾见过。你见到的只是质量对另一个实体的意义,具体地说,是一个具有质量的物体如何通过周围的引力场与另一个具有质量的物体相互作用。世界的构造,就是通过事物之间的联系表现出来的,它才是物理理论中最持久的部分。新的理论也许会推翻我们对世界基元的认识,但不会推翻世界的构造,这是科学家能够取得一点又一点进步的根本原因。

  新的问题又来了:为什么我们只能了解事物之间的联系,而不是事物本身?最直接的回答是,联系即一切。结构现实主义由此一步飞跃成一个更为大胆的假设:本体结构现实主义(ontic structural realism)。

  现代物理学中,无处不在的对称性有力地支持了本体结构现实主义理论。在量子力学和爱因斯坦的引力理论中,世界结构的某些变化并不能通过观测得以证实,这些变化被称为对称变换(symmetry transformation)。在这些变换中,构成这个世界的独立个体相互交换,但它们之间的联系维持不变。作为类比,你可以想象一张镜像对称的脸:一面镜子将左眼变成右眼,将左耳变成成右耳,以此类推,在此过程中脸部器官的相对位置始终保持不变。这些器官之间的联系才真正定义了这张脸,而“左”和“右”则取决于你面朝哪边而已。我们一直称为“粒子”和“场”的东西,它们拥有的对称性更为抽象,但道理都是相同的。

  基于奥卡姆剃刀原理(principle of Occam‘s razor),物理学家和哲学家倾向于能用最少假设解释现象的理论。就我们讨论的问题而言,通过假设存在特定的联系就可以构造一个完美适用的理论,而无须额外假设任何独立实体,于是,本体结构现实主义论的支持者认为,我们不妨抛弃实体,假设世界是由结构或者说各种联系所构成。

  利用这种类似的推理来研究量子纠缠,就会得出一个结论:结构是真实架构的基石。两个量子粒子的纠缠是一个整体效应,这两个粒子诸如电荷这样的所有内在属性,加上诸如位置这样的外部参量,都无法决定这个纠缠体系的状态。整体并非是部分之和。万物皆由最基本组成单元的属性和它们在时空中的关系决定,这种原子观念不再有效。对于量子纠缠态,也许我们不能再以粒子为主,纠缠为辅,而要反其道而行之。

  你也许会认为没有实体的关系很奇怪,那究竟是什么在发生关系呢?不仅你疑惑,很多物理学家和哲学家同样觉得它非常怪异。一些本体结构现实主义者试图就此作一些妥协,他们不否认实体的存在,只是声称联系或结构在本体论上更为基本。换言之,实体并无内在属性,只在与其他实体的联系中才获得属性。但这种提法很空泛,因为没有人否认实体之间具有联系,而真正有趣和新颖之处就在于,单纯的联系为何可以构造出万物。不过归根结底,结构现实主义是一个充满争议的想法,我们尚须对之加以雕琢,才能知道它是否可以化解我们的阐释之困。

  属性交织

  量子场论的第二种替代解释来自一个简单的想法:尽管传统观点认为,粒子和场是根本不同的,但其实它们有共同之处。这两种表述都假设,物质世界的基本单元是独立存在的实体,这些实体或为粒子,或为场论中的时空点,我们可以赋予它们各种属性。很多哲学家都认为这种实体和属性的二元划分可能正是粒子论和场论都陷入困境的深层原因。我们认为最好将属性看作全部且唯一的基本分类。

  传统看法中,人们假设属性是“普适”(universal)的,换言之,它们同属一个抽象的广义分类。属性总是被特定事物所具有,它们不能独立自存。例如,当你想到红色,通常想起的都是一些特定的红色物体,而不是一个漂浮在半空的名为“红色”的东西。但是你可以反过来认为属性是独立自存的,是属性占据了物体。属性也许是哲学家称之为 “特质”(particular)的东西,即具体的、独立的实体,而我们通常所说的事物也许只是一堆属性的集合:颜色、形状、稠性,等等。

  由于这种视属性为特质而非普适性质的看法与传统观念相悖,哲学家引入了一个新的名词来称呼它们:“特普”(trope)。这个词听上去有些滑稽,而且令人遗憾地附带着一些不恰当的内涵,但这种观点确实已经建立起来。

  将事物解构为一团属性,并不符合我们通常对这个世界的定义,但如果我们试着忘掉成见,回归本初,这种解释就显得没那么神秘。当我们还是婴儿,第一次看到并接触到一个球时,严格来说,我们感知到的只是一个球形的形状,些许红色的影子,摸上去还有点弹性。只有当我们长大之后,才将这些属性和某种清晰的物体联系在一起,比如说球。于是,等我们再看到球的时候就会说:“看,一个球,”而忘了这种看上去不假思索的认识背后动用了多少感知器官。

  在“特普”的本体论中,我们回归到婴儿般的直接感知,在外部世界中,除了如丝如缕的属性之外别无他物。我们不是先有球再赋之各种属性,而是先感知到各种属性然后才称其为球,除了各种属性之外,别无他物。

  用这种思维来思考量子场论,那么我们称为电子的东西实际上就是一团各种属性或“特普”的集合,包括三种本质属性(质量、电荷和自旋),其余则是不断变动的非本质属性(位置和速度)。这种“特普观”有助于量子场论的自圆其说,比如说,量子场论预言基本粒子能迅速产生和消失。量子场论中真空的特性令人难以置信:真空中的平均粒子数为零,但真空中却又到处充满了粒子,特普观可以将此解释为,每时每刻都有无数过程在同时发生,包括各种粒子的生灭。

  若从粒子本体论来看,这幅图景实在非常矛盾:如果粒子是基元,那么它们是如何产生的?有何物能制造出这些基元?而从“特普”本体论观,这种情形就非常正常了。真空中虽无粒子,却具属性,当所需属性相互作用到一起就会产生粒子,而属性变化粒子则会消失。

  物理学和形而上学

  为何像量子场论这样大获成功的理论,在理论基本框架中会有如此严重的冲突?原因很明显,尽管理论能够告诉我们要测量什么,但对于形成我们所见现象的实体,其本质究竟如何,则语焉不详。量子场论将我们见到的现象归因于夸克、介子、光子和形形色色的量子场,但它没有告诉我们一个光子或一个量子场究竟是什么样子。而且实际上它也无须说明,因为物理理论很大程度上不用追究这类形而上学的问题也可以极为有效。

  对很多物理学家来说,这就足够了。在他们看来,理论仅仅是生成实验预言的工具。当然,大多数科学家都有强烈的直觉,在进行任何测量之前,他们的理论就已经描述了自然的至少部分侧面,毕竟,如果不是为了了解周围的世界,科学又有什么用处呢?

  要获得一幅完整的物理世界的图像,需要集物理学和哲学之力。这两个学科相辅相成,形而上学(metaphysics)提供各种可比对的、解释物质世界的本体论框架,但是除了保证这些框架内在自洽,形而上学无法在其中作出选择。而物理学这边,对物体定义、特性的角色、属性的地位、事物和属性间的联系以及空间和时间的本质这类基本问题,正好缺少一个一致的描述。

  这两个学科的结合非常重要,尤其是当物理学家发现自己正在对这个学科的基础进行重新审视的时候。形而上学的思维方式指引过牛顿和爱因斯坦,也正在影响着很多试图统一量子场论和爱因斯坦引力理论的思考者。哲学家有关量子场论和引力理论的专著和文章数不胜数,但对量子场论中物理基元的探索才刚刚开始。我们正在构建新的视角以替代标准的粒子论和场论,这也许能激发物理学家的灵感,在追寻大统一的苦旅中助其一臂之力。
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