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物質不是世界的本源?

2019-06-26 09:33:50  來源:環球科學

來源:環球科學

物理學家認為,世界是由粒子和力場構成,但他們還不清楚量子領域的粒子和力場究竟是什么。在這篇文章中,德國比勒費爾德大學的哲學教授梅納爾·庫爾曼將會把我們的直覺和對世界的認知打得支離破碎:世界的本源并不是我們已經漸漸熟知的各種基本粒子和場,而是一些屬性和聯系,比如顏色、形狀、質量、電荷和自旋。可是,你能想象漂浮在半空的一抹“紅色”,可能就是我們這個世界最基本的組成單元嗎?

撰文|梅納爾·庫爾曼(Meinard Kuhlmann)

翻譯| 龐瑋

物理學家總是這樣描述宇宙:宇宙是由各種微小的亞原子粒子構成,這些粒子之間通過力場相互吸引或排斥。他們將這一學科稱為“粒子物理學”,將所用的研究儀器稱為“粒子加速器”。他們堅持認為,宇宙是一個像樂高玩具那樣由粒子搭建起來的模型。但這種觀念卻掩蓋了一個鮮為人知的事實:量子物理對“粒子”和“場”的表述,完全顛覆了我們對“粒子”和“場”的傳統認知,以至于一些人認為,這個世界也許完全是由別的什么內容構成。

問題并不在于物理學家缺少一個描述亞原子世界的有效理論,他們倒真有一個,名為量子場論(quantum field theory)。理論物理學家在上世紀20年代至50年代間發展出了這套理論,它是由早期量子理論和愛因斯坦的狹義相對論融合而成。粒子物理中有一個概念為“標準模型”(Standard Model),量子場論是這一概念的基礎。就實驗精度而言,標準模型是科學史上最成功的理論。物理學家每天都用它來預測粒子碰撞的結果、大爆炸中的物質合成及原子核中的極端條件,凡此種種,不一而足。

看到這里,如果得知物理學家并不清楚“量子場論到底說了些什么”,即它的本質或者說基本物理圖像,你肯定會大吃一驚。物理學家的這種困惑與大家熱衷討論的量子力學中的那些神秘問題(比如薛定諤的貓)有本質區別。量子場論中那些并不明確的表述,羈絆著我們對標準模型之外的物理學領域的探索,比如說弦論,因為在不理解現有理論的情況下試圖去發展一套新的理論,是非常危險的。

標準模型的內容初看起來非常清晰明了,首先它包含了一群基本粒子,像夸克、電子等等,其次包括了四種力場,基本粒子通過力場來傳遞相互作用。這些內容已經被畫成掛圖掛在教室里,也頻頻出現在本刊的文章中。但這些內容無論看上去多么完美,其實都無法令人滿意。

首先,基本粒子和場的分界含混不清。量子場論為每種基本粒子都配上一個相應的場,因此如果有電子就一定有電場。而從另一角度來說,力場并不是連續的,而呈量子化,因而產生了像聲子(phonon)這樣的粒子。如此一來,粒子和場的區分看起來就是人為定義的,物理學家常常會談論這兩個概念哪個更基礎。直到今天,我們在描述中仍然使用粒子和場這兩個概念,盡管大多數物理學家都承認,這些經典概念并不符合量子場論描述的內容。如果我們對“粒子”和“場”的傳統認知觀念并不符合理論描述,物理學家和哲學家就必須弄清楚用什么來取而代之。

面對這兩種標準的經典概念帶來的困境,物理學界中的一些哲學家已經開始構想一些更 “玄幻”的基元來替代它們。他們提出,物質世界最基本的構成應該是一些無法具象的內容,比如說“聯系”和“屬性”。一個顛覆性的想法是,宇宙萬物都可以被還原成無形的內容,而不必借助任何實體概念。這實在是一個違背常理的革命性想法,但有些支持者認為,物理學會迫使我們接受這種革命。

“粒子”的困境

“粒子”的困境

包括科學家在內的大多數人,一想到亞原子尺度之下的物質,眼前就會浮現起各種粒子,像一個個小球般來回碰撞不休。但這種粒子概念是經典物理理論的產物,經典物理由古希臘原子論者提出,到艾薩克·牛頓(Isaac Newton)時期發展到了頂峰。但我們順著相互交疊的幾種思路推敲一下,就會立刻明白,量子場論的核心組成——粒子,其性質與彈性小球相差甚遠。

首先,經典概念中的粒子意味著局域在某個位置附近的某種存在,但量子場論中的“粒子”并沒有明確定義的位置:你身體中的某個粒子并不嚴格局限于你的身體之內,如果有人想要測量它的位置,他會發現,這個粒子有很小但不為零的概率出現在遙遠的宇宙邊際。雖然這個問題在早期量子理論中就已經出現,但隨著理論物理學家將量子力學和狹義相對論揉合在一起,問題就變得更嚴重了。相對論性量子粒子(relativistic quantum particle) 極其狡猾,它們居無定所,浩瀚宇宙處處為家。

其次,假設你看到你家廚房里有一個粒子,你的朋友開著車從你家飛馳而過,他可能會看到這個粒子彌漫在整個宇宙之中。對你而言局域化的東西在你朋友看來卻是非局域的。不僅粒子的具體位置依賴于你們的視角,粒子是否有一個確定位置也會因視角變換而改變。在這種情況下,將局域化的粒子看作世界的基本構成毫無意義。

即便放棄查找粒子的精確位置而只考慮粒子的數目,你也會陷入麻煩。假設現在你想知道家里的粒子數目,于是起身遛了一圈,在客廳找到3個,在臥室床下逮到5個,在廚房柜子里又發現8個,如此挨個屋子尋找,把各個屋子數目都加起來,不就得到家里粒子的總數了么?結果卻會再一次讓你失望,因為這并不是粒子總數。按照量子場論,家里的粒子總數才是房子的屬性之一,要想得到正確結果,你必須一次就測量出所有房間內的粒子,而不能逐間搜尋,這明顯是一個不可能完成的任務。

粒子無法精確定位導致了一個極端情況出現——在量子場論中,真空會有相互矛盾的性質。假設你現在有一個完整的真空,按照定義就是包含0個粒子的狀態,但局限到其中某個有限區域,你看到的情況會與真空大相徑庭。換句話說,雖然你家里整體空空如也,但處處都能找到粒子。要是消防員問你屋里還有沒有人,你回答說整體上沒有,但等他沖進火海卻發現每間屋里都擠滿了人,他肯定會質疑你的精神是否正常。

量子場論中的真空還存在一個令人驚訝的效應,名為盎魯效應(Unruh effect)。一個處于靜止狀態的飛行員可能認為自己身處真空,但在另一個身處加速飛船中的飛行員看來,則會覺得身處無數粒子的海洋之中。這種不同視角帶來的差異同樣存在于黑洞邊緣,這導致我們在探討“落入黑洞的物質究竟會有怎樣的結果”這一問題時,會有兩種完全矛盾的結論。

最后,依據量子場論理論,粒子并不具備獨特的屬性。在令人迷惑的量子糾纏(quantum entanglement)現象中,粒子會同化成一個更大的系統,那些能夠區分彼此的屬性會消失。這些粒子不僅會共享像質量、電荷這樣的固有屬性,還會共享位置和時間屬性,例如在某個特定時間所處的可能位置。這樣當粒子糾纏在一起時,觀測者就無法區分它們,如此一來,你怎么能確定糾纏態中有兩個粒子呢?

理論物理學家也許可以簡單地規定,糾纏態的確由兩個不同粒子構成。哲學家把這種規定稱為“根本假設”。根據其定義,該假設是無法通過觀測得到證實的。大多數物理學家和哲學家都對這種特殊的解決方式持懷疑態度,因為實際上,處于糾纏態的兩個粒子就不再是兩個實體了,它們的行為就像一個不可分割的整體,“部分”這個概念在此已失去意義,單個粒子就更無從談起了。

這些與粒子相關的理論問題完全顛覆了我們的傳統認知觀念。如果沒有粒子,那我們的“粒子探測器”探測到的究竟是什么?答案是我們從沒有直接探測到粒子,粒子只是推測出的結果。探測器記錄的只是傳感器材料獨立激發時的大量數據,我們自作主張地將這些閃光點連接起來,并推測它們是粒子在不同時刻留下的軌跡。

現在讓我們理一下思路。我們將粒子看成很小的小球,但當今物理學家稱為“粒子”的那些東西與之完全無關。按照量子場論,無論大小,任何物體都不可能局限在某個有限空間。不僅如此,這些假想粒子的具體數目也會因為觀測者運動狀態的不同而不同。所有這些結果總結到一起,幾乎為“宇宙是由類似小球的粒子構成的”這一想法判了死刑。

基于上述原因和其他有關量子場論的見解,我們必須作出一個這樣的結論:“粒子物理學”其實名不副實,盡管物理學家一直在談論粒子,但其實并沒有這種東西存在。也許有人轉而采用“量子粒子”來緩解矛盾,但如果有關粒子的所有經典概念都已土崩瓦解,“粒子”一詞又有什么意義呢?有些人認為,粒子概念遇到的這些問題,暗示著量子場論應該純粹用場來表述。這種觀念認為,場是一種看不見、可流動的物質,彌散于整個空間,粒子是場的漣漪。但是,接下來我們就會看到,量子場論同樣也無法用場來表述。

“場”亦難當重任

“量子場論”這個名稱很自然地表明,這是一個經典場論的量子版本。經典場我們都很熟悉,比如電場和磁場,但什么是“量子版本”?提起“場”,總是與這些圖像聯系在一起:磁鐵周圍的磁場讓小磁針相互平行排列;靜電場讓毛發豎起。但量子場與經典場非常不同,就連理論物理學家也承認很難形象地描述它們。

在經典理論中,一種場代表了一個物理量在不同時空點上的值,比如溫度或電場強度。但對于量子場,每個時空點代表的則是抽象的數學實體,代表的是你可以進行測量的類型,而不是你想測量的結果。在量子場論中,的確有一些數學結構代表物理量數值,但這些數值不是某個具體時空點上的值,而是一些不確定區域的值。

態矢量

歷史上,物理學家是通過將經典場論“量子化”建立起量子場論的。通常的程序是,物理學家找到一個方程,然后將其中的物理量用“算符”(operator)代替。所謂算符是形如微分或開方這樣的數學運算,而有些算符則對應像光的輻射與吸收這樣特殊的物理過程。算符在理論和現實之間設置了一層抽象的屏障,想要從經典場得到量子場,你必須再多走一步,將這個算符應用于另一個叫做(state vector)的數學實體上。

從某個層面上來看,量子場的奇特性質并不會非常令人驚訝。因為作為量子場論基礎的量子力學,就無法得出確定的數值結果而只能給出概率。但就本體而言,量子場論中的情況似乎更為古怪一些,最基本的“量子場”連概率都無法得出,必須要綁定一個態矢量。

量子場需要用態矢量來描述,使得該理論理解起來非常困難,因為你很難將其轉換成你能想象并在腦海中推導的物理圖像。態矢量具有整體性,它描述的是一個系統的整體性質,具體到某個特定位置就不適用了。按照定義,場具有可在時空中有序傳播的特性,但態矢量卻削弱了這一特性。我們可以將經典場想象為“以波動形式在空間中傳播的光波”的形象,但在量子場中,場的性質完全不同,我們無法描述它是怎樣的一種物質。

很明顯,基本粒子和力場的標準圖像不是物理世界理想的本質描述。實際上物理學家連粒子和場究竟是什么都完全不清楚。對此,通常會有這樣一種回應,粒子和場應該被看作兩個對真實情況的補充條件,但在那些我們應該觀測到純粒子或純場的情況下,這兩種物質還是不存在。幸運的是,粒子和場并沒有被排除量子場論所有可能的本體描述。

結構現實主義?

越來越多人認為真正重要的不是事物本身,而是這些事物間的聯系。這種觀點徹底突破了傳統的原子論或點粒子論,其顛覆程度之大,就連我們對粒子和場進行的最為激進的改造,也望塵莫及。

這種名為結構現實主義(structural realism)的觀念,是由一種相對平和的版本逐步發展而來,那時它還叫認知結構現實主義(epistemic structural realism),主旨如下:我們也許永遠無法了解事物的真正本質,而只能了解它們彼此間的聯系。以質量為例,你見過質量本體嗎?我們從未曾見過。你見到的只是質量對另一個實體的意義,具體地說,是一個具有質量的物體如何通過周圍的引力場與另一個具有質量的物體相互作用。世界的構造,就是通過事物之間的聯系表現出來的,它才是物理理論中最持久的部分。新的理論也許會推翻我們對世界基元的認識,但不會推翻世界的構造,這是科學家能夠取得一點又一點進步的根本原因。

新的問題又來了:為什么我們只能了解事物之間的聯系,而不是事物本身?最直接的回答是,聯系即一切。結構現實主義由此一步飛躍成一個更為大膽的假設:本體結構現實主義(ontic structural realism)。

對稱變換

現代物理學中,無處不在的對稱性有力地支持了本體結構現實主義理論。在量子力學和愛因斯坦的引力理論中,世界結構的某些變化并不能通過觀測得以證實,這些變化被稱為(symmetry transformation)。在這些變換中,構成這個世界的獨立個體相互交換,但它們之間的聯系維持不變。作為類比,你可以想象一張鏡像對稱的臉:一面鏡子將左眼變成右眼,將左耳變成成右耳,以此類推,在此過程中臉部器官的相對位置始終保持不變。這些器官之間的聯系才真正定義了這張臉,而“左”和“右”則取決于你面朝哪邊而已。我們一直稱為“粒子”和“場”的東西,它們擁有的對稱性更為抽象,但道理都是相同的。

基于奧卡姆剃刀原理(principle of Occam‘s razor),物理學家和哲學家傾向于能用最少假設解釋現象的理論。就我們討論的問題而言,通過假設存在特定的聯系就可以構造一個完美適用的理論,而無須額外假設任何獨立實體,于是,本體結構現實主義論的支持者認為,我們不妨拋棄實體,假設世界是由結構或者說各種聯系所構成。

結構是真實架構的基石

利用這種類似的推理來研究量子糾纏,就會得出一個結論:。兩個量子粒子的糾纏是一個整體效應,這兩個粒子諸如電荷這樣的所有內在屬性,加上諸如位置這樣的外部參量,都無法決定這個糾纏體系的狀態。整體并非是部分之和。萬物皆由最基本組成單元的屬性和它們在時空中的關系決定,這種原子觀念不再有效。對于量子糾纏態,也許我們不能再以粒子為主,糾纏為輔,而要反其道而行之。

你也許會認為沒有實體的關系很奇怪,那究竟是什么在發生關系呢?不僅你疑惑,很多物理學家和哲學家同樣覺得它非常怪異。一些本體結構現實主義者試圖就此作一些妥協,他們不否認實體的存在,只是聲稱聯系或結構在本體論上更為基本。換言之,實體并無內在屬性,只在與其他實體的聯系中才獲得屬性。但這種提法很空泛,因為沒有人否認實體之間具有聯系,而真正有趣和新穎之處就在于,單純的聯系為何可以構造出萬物。不過歸根結底,結構現實主義是一個充滿爭議的想法,我們尚須對之加以雕琢,才能知道它是否可以化解我們的闡釋之困。

屬性交織

量子場論的第二種替代解釋

來自一個簡單的想法:盡管傳統觀點認為,粒子和場是根本不同的,但其實它們有共同之處。這兩種表述都假設,物質世界的基本單元是獨立存在的實體,這些實體或為粒子,或為場論中的時空點,我們可以賦予它們各種屬性。很多哲學家都認為這種實體和屬性的二元劃分可能正是粒子論和場論都陷入困境的深層原因。我們認為最好將屬性看作全部且唯一的基本分類。

傳統看法中,人們假設屬性是“普適”(universal)的,換言之,它們同屬一個抽象的廣義分類。屬性總是被特定事物所具有,它們不能獨立自存。例如,當你想到紅色,通常想起的都是一些特定的紅色物體,而不是一個漂浮在半空的名為“紅色”的東西。但是你可以反過來認為屬性是獨立自存的,是屬性占據了物體。屬性也許是哲學家稱之為 “特質”(particular)的東西,即具體的、獨立的實體,而我們通常所說的事物也許只是一堆屬性的集合:顏色、形狀、稠性,等等。

視屬性為特質而非普適性質

由于這種的看法與傳統觀念相悖,哲學家引入了一個新的名詞來稱呼它們:“”(trope)。這個詞聽上去有些滑稽,而且令人遺憾地附帶著一些不恰當的內涵,但這種觀點確實已經建立起來。

將事物解構為一團屬性,并不符合我們通常對這個世界的定義,但如果我們試著忘掉成見,回歸本初,這種解釋就顯得沒那么神秘。當我們還是嬰兒,第一次看到并接觸到一個球時,嚴格來說,我們感知到的只是一個球形的形狀,些許紅色的影子,摸上去還有點彈性。只有當我們長大之后,才將這些屬性和某種清晰的物體聯系在一起,比如說球。于是,等我們再看到球的時候就會說:“看,一個球,”而忘了這種看上去不假思索的認識背后動用了多少感知器官。

在“特普”的本體論中,我們回歸到嬰兒般的直接感知,在外部世界中,除了如絲如縷的屬性之外別無他物。我們不是先有球再賦之各種屬性,而是先感知到各種屬性然后才稱其為球,除了各種屬性之外,別無他物。

我們稱為電子的東西實際上就是一團各種屬性或“特普”的集合

用這種思維來思考量子場論,那么,包括三種本質屬性(質量、電荷和自旋),其余則是不斷變動的非本質屬性(位置和速度)。這種“特普觀”有助于量子場論的自圓其說,比如說,量子場論預言基本粒子能迅速產生和消失。量子場論中真空的特性令人難以置信:真空中的平均粒子數為零,但真空中卻又到處充滿了粒子,特普觀可以將此解釋為,每時每刻都有無數過程在同時發生,包括各種粒子的生滅。

若從粒子本體論來看,這幅圖景實在非常矛盾:如果粒子是基元,那么它們是如何產生的?有何物能制造出這些基元?而從“特普”本體論觀,這種情形就非常正常了。真空中雖無粒子,卻具屬性,當所需屬性相互作用到一起就會產生粒子,而屬性變化粒子則會消失。

物理學和形而上學

為何像量子場論這樣大獲成功的理論,在理論基本框架中會有如此嚴重的沖突?原因很明顯,盡管理論能夠告訴我們要測量什么,但對于形成我們所見現象的實體,其本質究竟如何,則語焉不詳。量子場論將我們見到的現象歸因于夸克、介子、光子和形形色色的量子場,但它沒有告訴我們一個光子或一個量子場究竟是什么樣子。而且實際上它也無須說明,因為物理理論很大程度上不用追究這類形而上學的問題也可以極為有效。

對很多物理學家來說,這就足夠了。在他們看來,理論僅僅是生成實驗預言的工具。當然,大多數科學家都有強烈的直覺,在進行任何測量之前,他們的理論就已經描述了自然的至少部分側面,畢竟,如果不是為了了解周圍的世界,科學又有什么用處呢?

要獲得一幅完整的物理世界的圖像,需要集物理學和哲學之力。這兩個學科相輔相成,形而上學(metaphysics)提供各種可比對的、解釋物質世界的本體論框架,但是除了保證這些框架內在自洽,形而上學無法在其中作出選擇。而物理學這邊,對物體定義、特性的角色、屬性的地位、事物和屬性間的聯系以及空間和時間的本質這類基本問題,正好缺少一個一致的描述。

這兩個學科的結合非常重要,尤其是當物理學家發現自己正在對這個學科的基礎進行重新審視的時候。形而上學的思維方式指引過牛頓和愛因斯坦,也正在影響著很多試圖統一量子場論和愛因斯坦引力理論的思考者。哲學家有關量子場論和引力理論的專著和文章數不勝數,但對量子場論中物理基元的探索才剛剛開始。我們正在構建新的視角以替代標準的粒子論和場論,這也許能激發物理學家的靈感,在追尋大統一的苦旅中助其一臂之力。

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