物理規律並非客觀存在？

物理規律到底是不是真實的客觀存在？比如作為大統一理論候選者之一的弦理論一直不能被物理實驗所證實，那麽它是合格的物理理論嗎？量子力學改變了我們對牛頓時代的經典物理規律的看法，在量子世界中呈現出來的概率性也暗示著物理規律與人的觀測有關，這又是否說明，物理規律不能獨立於人而存在？這篇原載於《環球科學》10月刊的文章，將帶領我們探討物理與哲學的界限。

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物理似乎是人類生活中僅有的有明確真理的領域之一。物理定律描述著我們的現實，它們基於嚴謹的數學和實驗的驗證，給出的是明確的答案，而不是永無休止的哲學思辨，這樣的物理不是只針對你或者我這樣特定的某一個人才成立，而是針對每一個人在每一個角落都成立。物理學通常看起來是很奇怪的，但這同時也是一個好兆頭——它不會受到人們先入為主的觀念的影響。在一個同樣的爭論總是原地打轉而毫無進展的幽閉世界裡，物理為其生活注入了一些真正新奇的東西，使我們得以擺脫常規的思想。

物理學家的憂慮

物理學是我們尋找真理的一個基石。如果你沿著其他科學裡的解釋鏈追溯，最終會回溯到物理學的解釋上。物理學的成功以及它在其他科學基礎中所扮演的角色支持著自然主義或物理主義的世界觀：所有的現象都有物理解釋。因此，諸如生命力（élan vital）假說（由法國哲學家亨利伯格森於 1907 年在其哲學著作《創造進化論》中提出，關於生物進化和發展的一種假說）和“靈魂假說”之類的非物理概念就失去了嚴肅討論的價值。物理並不能指導我們如何生活，也不能幫助我們解決道德窘境，但它給定了我們解決這些非物理問題的相關背景知識。

儘管物理學給大多數普通人留下的印象是對純粹真理的尋找，但物理學家並不是這樣認為的。儘管物理學家一般假定真理就在那裡，並且認為自己有能力找到它，但這些物理真理到底存不存在，這些真理究竟代表什麽意義？對此，他們一直有自己的疑問，這些疑問會在非正式的討論中，或在學術會議上，或在面向公眾出版的書籍中浮現出來，這實際上是一種對物理規律的擔憂。這些擔憂在基礎物理學領域尤為嚴重——雖然基礎物理學並不能代表整個物理學科，但在整個學科中有著舉足輕重的作用。比如，許多物理學家擔憂大型強子對撞機不能發現任何新的粒子或者新的物理現象，那麽這個耗資巨大的對撞機就無法幫他們推導出下一級物理定律。

基礎物理學家還擔憂大統一理論（如弦理論），是否真能被實驗所檢驗。有些人認為，弦論等大統一理論太過數學化，有些人則認為它在數學上並不嚴謹。這種對新興學科的擔憂隨處可見。不過，即使是在成熟的物理理論中，擔憂也依然存在，因為物理的真理看起來是難以捉摸的，比如量子力學這樣一個已經被多次實驗驗證的理論，對很多物理學家來說仍然是難以理解的。

與理論物理學家不同，一個實驗科學家所面臨的一般不是那麽宏大的問題，而是像電線壞了嗎？軟體代碼有漏洞嗎？測量結果是統計上的偶然嗎？諸如此類的問題。儘管如此，即使是這些看起來有點平淡無奇的擔憂也可能是非常微妙的，因為本質上它們並沒有完全脫離物理學的基礎性大問題。

許多物理學家認為，他們的研究領域已經誤入歧途，而他們的同事卻因為過於盲目而沒有注意到這點。對物理學的進展抱有疑慮並不是什麽新鮮事了，只要有物理學家存在，就總會有人擔憂自己的研究領域已遇到了不可逾越的障礙。當你深陷此種擔憂的時候，你會發現研究總是一團糟。

幾代物理學家總是在胸有成竹和自我懷疑之間搖擺不定，周而複始地放棄對自然深層次結構的探索，進而將物理降低為只是對一些有實用價值的知識碎片的尋找。牛頓在向同時代的人解釋引力如何工作時說：“我沒有做出任何假設。”而尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）在評論量子力學時寫道：“我們的任務不是去深入事物的本質，這些是我們不知道的，我們所做的是發展物理概念，這些物理概念能讓我們以富有成效的方式去討論自然現象。”這兩個人的觀點都是很複雜的，事實上牛頓給引力預設了好幾個假設，而玻爾在其他時候也曾說過，量子理論抓住了現實。總的來說，他們之所以能取得進展，是因為他們將世界為何如此宏大的哲學問題放在了一邊，他們隻研究他們能夠研究的物理問題。

物理學與哲學

歷史告訴我們，物理學家終究還是會回到這些宏大的哲學問題上來，牛頓在解釋引力的瞬時相互作用上失敗了以後，經過幾代人的不懈努力，最終迎來了愛因斯坦的廣義相對論。在20世紀60年代，對量子力學的解釋也再次回到了物理上，誕生了諸如量子密碼學這樣具有實際意義的想法，而不僅僅陷於量子力學的哲學爭論。正如已故美國哲學家希拉裡·普特南（Hilary Putnam）所說的，如果物理理論與現實是不相關的，那麽它的成功是虛幻的，也是沒有意義的。更進一步說，如果物理實驗不能支持一些真實的物理理論，那麽我們為什麽要去做這些實驗？這樣的立場被稱為實在論，它認為諸如原子、質點、時間和空間這樣的實體都是真實存在的，理論也是真實的，因為理論反映了現實，儘管並不是很完美。

實在論與其對立面——反實在論在彼此壓迫下都得到了發展，兩種立場的相互對抗也會不斷延續下去。

這樣的競爭對於物理學是有好處的，反現實主義哲學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）啟發了愛因斯坦去重新思考如何知道我們所知道的——或我們認為我們所知道的，這為物理所要遵循的一切打下了基礎。當我們承認我們是帶著有色眼鏡去看這個世界時，我們可以對此進行彌補。現實世界的某些特徵是相對於一部分觀察者而言的，而其余的特徵可能對所有觀測者來說都是共同的。兩個以不同速度運動的人對於兩個地方之間的距離、某個事件持續的時間或者某些情況下兩個事件哪一個先到，都是無法達成一致的，他們兩人之間的爭論是沒法解決的。但距離和持續時間的算術組合——時空距離——對於他們來說卻是共同的，這就是一個“不變量”，不變量才定義了客觀的真理。

除了物理學家所共有的那些擔憂以外，現代的物理學家也面臨著許多具體和意料之外的知識極限。無論你選擇哪種量子力學的解釋，量子世界總有些東西超出我們的理解。例如，當你向一面鍍上銀的鏡子發射一個光子，它有可能穿過去，也有可能反射回來，但你沒有辦法預測一定會是哪一種可能，結果是完全隨機的。有些人認為光子的行為是沒有原因的，這種隨機性是內在的，而另一些人則認為這裡面肯定有不為人知的原因，還有一些人認為光子既穿過了鏡子也發生了反射，但我們只能看到其中的一個結果。無論是哪一種情況，其根本原因都被籠罩在迷霧之中。

粒子是很容易被操控的，這也是為什麽量子物理通常都用粒子來描述，但大多數物理學家認為同樣的規則也適用於其他的一切事物，甚至是生物。因此，如果光子真的在這個過程中做過選擇，那麽我們只是不清楚它是在什麽時候選擇要穿過去還是反射回來的。在光子打到鏡子的時候，它與鏡子所組成的系統會進入一個無法確定的狀態。用測量設備去記錄光子的路徑時，它會陷入兩種可能性之間。如果你讓你的朋友去看看究竟發生了什麽，對你來說，這兩種可能性都能看到。物理學家現在知道的是，我們從未經歷過讓光子在同一時間做兩件相互矛盾的事情，因此，物理學家在他們的理論中留下了這樣一個主觀要素。

對於美國馬薩諸塞大學波士頓分校的克里斯托弗·A·福克斯（Christopher A. Fuchs）來說，他總結的經驗是，觀察者是大自然的積極參與者，會幫助大自然構建我們所觀察的事物，想要做一個完全旁觀的第三者是不可能的。量子理論把主觀和客觀的要素混在一起了。

美國亞利桑那大學的哲學家理查德·希利（Richard Healey）有一個“實用主義”的觀點：量子理論不是這個世界的一個表示，而是對人與這個世界之間相互交融關係的一種刻畫，我們可以用它來判斷某個可能發生的事情的概率，就像一個股票交易者是基於市場趨勢而不是經濟基礎來進行買賣那樣，這樣的股票交易者也可以在對公司毫不知情的情況下買賣股票並且變得富有起來。

相反，如果你真的把量子理論當作這個世界的表示，你就會把它看作一個有許多可能性同時共存的概率理論，這樣的多世界或平行宇宙的觀點似乎也是宇宙學理論的一個結論：產生我們現在這個宇宙的過程應該也能導致其他宇宙的產生。額外的平行宇宙可能存在於我們看不見的更高維的空間，這些宇宙都是由我們宇宙的變體組成的，並不存在單一明確的現實。

雖然推測多重宇宙的理論是完全客觀的——在基本方程中沒有觀察者或觀察者依賴的量出現——但它們並沒有抹除觀察者的作用，而是重新定義了觀察者的作用。這些理論認為，我們對現實的看法被嚴重地過濾了，當我們在應用理論的時候應該考慮到這一點。如果我們沒看到光子同時做了兩件相互矛盾的事情，這不意味著光子真的沒有這麽做，而可能只是我們只能看到這兩件事情中的一件。同樣地，在宇宙學裡面，僅僅是我們的存在就會使我們的觀察產生偏差，我們必須生活在一個能夠支持人類生命存在的宇宙裡，所以我們對宇宙的測量也許並不完全具有代表性。

平行宇宙並不會改變我們所經歷的現實。假如你正在這個宇宙受苦，即使另一個版本的你在其他宇宙過著幸福生活也與你無關。因為其他宇宙是不可觀測的，它代表了我們直接認知的一個極限。如果這些宇宙與我們的宇宙完全不同，那我們的那些經驗知識不僅是有限的，還是具有欺騙性的，物理定律就有陷入混亂的危險：它們並沒有說某一件事情發生了而另外一件沒發生，因為兩者都發生了，而我們能看到哪一個只能全憑運氣，現實與虛擬之間的區別僅僅是位置的問題。

即使是那些看似已牢固確立的基礎物理也可能變得微妙。物理學家通常會提到粒子和場：一些物質在空間上形成局域化的微粒以及連續的、像流體一樣的場，比如電場或磁場。然而，物理學家的理論同時表明了這樣的東西其實並不存在，量子理論和相對論的結合直接將粒子這種概念排除了，在量子場論中沒有像傳統的粒子這樣的局域化概念，觀察者看到的粒子數量依賴於粒子本身的運動狀態，粒子的數量（比如一束雷射內的光子個數）並不是不變的，因此不能作為客觀的現實。而且，一群粒子的集體行為具有凝聚態物理的性質，這些性質都不是單個粒子所擁有的（比如超導就不是一個粒子就能有的性質）。

場也不像看起來的那樣。現代的量子理論早就不把電和磁作為某種實在的結構來看，取而代之的是非常難以解釋的抽象化的場。在場的許多古怪特徵中，抽象化是非常多餘的，這讓場比它所要表示的真實現象複雜得多。物理學家已經在尋找一種能與現實一致的替代結構，但這些結構已經不再是場了。現在，物理學家仍然用粒子和場來描述世界，並意識到建立一個更完整的物理圖像離他們還很遙遠。

整個物理學都有一種奇怪的趨勢。當物理學家深入到現實中，卻發現更多的現實似乎消失了。弦理論就反應映了這種趨勢。在弦論中，所有粒子都是不同的弦振動產生的激發態。但弦到底是什麽，從邏輯的角度來看，這種把粒子換成弦的推理就好像是一種“換名遊戲”。

大統一理論的提出帶來了新的複雜性，特別是弦理論，一直飽受爭議，它和它所有的奇怪結論都把希望寄托在平行宇宙這個概念上。弦理論也嚴重依賴所謂的對偶性：不同的數學表示給出相同的物理預言，也就是這些數學表示都只是用來描述同一個狀況的不同方式。這種對偶性之所以強大，是因為它能提供一種橫向的思考方式，如果一個方程太過於難以求解，你可以利用對偶把它轉變為一個更簡單的方程。但是，如果有多種數學表示是等價的，我們如何知道哪一種（如果有的話）是對應真正的現實呢？

弦理論的許多批評者都抱怨，現在沒有實驗設備可以去檢驗這個理論到底正不正確，因為理論涉及的物理效應都是在極高的能量下發生的。但這種批評也適用於弦論的競爭者，比如說圈量子引力理論，因此這可以說是一種詛咒吧。現有的理論沒留太多的縫隙讓我們窺探到更深層的東西，由於缺少實驗的引導，物理學家們不得不從數學上去發展這些理論。量子力學和相對論有非常嚴格的約束，以至於它們本身就幾乎足以決定大統一理論的形式，然而，所有理論都嚴重依賴於所謂美學和優雅的判斷，儘管有可能是錯誤的。

一些哲學家的結論是，“事物”這整個範疇都是錯誤的。根據一種稱為結構現實主義的哲學觀點來看，關係才是自然的主要組成成分，那些我們視為事物的東西就是關係的中心。

意識與大腦

不僅僅是物理上的難題讓物理學家懷疑自己是不是走在正確的道路上。許多人通過所謂的意識難題對意識產生了興趣。科學方法似乎天生就無法用來描述主觀經驗，我們的內在精神生活是隱藏的，所以意識是在觀測之外的，似乎無法用數學描述去還原。意識給許多物理學家留下的印象就是，它在事物的物理體系內就是不必要的。通過這一個論點，要理解意識的產生需要一些新的科學原理或新的思維方式。物理學家對此很感興趣，他們對世界的基本圖像描繪可能缺少了一些重要的東西。

這不是物理學家一直在思考意識的唯一原因。多重宇宙是一個例子，這個理論可以說明我們如何去理解一個被過濾過的現實，並且一旦你開始去思考真理是如何被扭曲的，你可能就會接受多重宇宙也不是奇談怪論。伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）認為，我們的大腦結構影響著我們感知到的東西。受此影響，維也納量子光學與量子信息研究所的物理學家馬庫斯·米勒（Markus Müller）和加利福尼亞大學歐文分校的認知科學家唐納德·霍夫曼（Donald Hoffman）等人也認為，我們所感知到的世界被具象為在空間中和時間中的物體，其實未必是因為它們具有這樣的結構，而只是因為這是我們唯一可以感知這個世界的方式。

不能因為我們的大腦能夠成功駕馭這個世界，就認為我們的大腦捕捉到了這個世界的結構。在機器學習中，物理學家發現當他們回避對這個世界的直接表示時，電腦在預測和控制設備上做得比人腦更好。類似地，現實也許和我們大腦或者理論展示給我們的完全不同。英國哲學家科林·麥金（Colin McGinn）和哈佛大學認知科學家史蒂文·平克（Steven Pinker）等學者認為，我們獨特的推理方式導致我們覺得意識是如此難以理解。也許有一天我們能夠構建出人造大腦，來看透那些困擾我們的難題，儘管人造大腦可能會在那些我們認為很簡單的東西上糾結。

如果有什麽東西能讓我們恢復掌握真理的信心，那就是我們可以分而治之。儘管“真實”有時候等價於“基本”，但在科學中，描述多個級別的物理現象裡的每一級都有一個被視為真實的東西。因此，即使在自然的根源上事物不複存在，我們也有權力去思考日常生活中的事物。

如果我們發現我們的理論撲了個空，那也不是壞事，這提醒我們要保持謙虛。物理學家有時候很自以為是，但他們裡面多數有經驗和有成就的人通常都會變得很謹慎。他們往往是第一個指出自己想法中存在問題的人，這是為了避免別人替他們指出這些問題的尷尬，沒有人說過找出真理是一件很容易的事情。

撰文：喬治·穆瑟（George Musser）

本文譯者：陳崇斌是南昌大學物理系研究生，研究方向為廣義相對論。

本文審校：舒富文是南昌大學物理系教授、博士生導師，他擔任南昌大學相對論天體物理與高能物理中心主任，研究方向為廣義相對論。

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