何为实在

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霍金的《大设计》(The Grand Design)与其说是本科普读物,莫如说是相关“实在与终极”的著作。过去几千年间,这个领域更多是哲学家的禁脔。但,二战以降,哲学渐死,已完全跟不上现代科学发展的步伐。忧心于此,霍金此次似乎不得不替哲学家当了回“临时工”。

全书共八章,《存在之谜》、《定律规则》、《何为实在》、《可择历史》、《万物理论》、《选择宇宙》、《表观奇迹》和《伟大设计》,精华是前三章,核心则在《何为实在》。霍金选择了依赖模型的“实在观”:所谓“实在”,不过是一套自洽的和观测对应的图景、模型或者理论。如果两种图景满足同样的条件,你就不能讲哪种“更实在”些,你觉得哪种更方便就用哪种。如果没有某种理论满足这些条件,那么宇宙就消失了。根据实证主义哲学,宇宙之所以存在,是因为存在一个描述它的协调的理论。所有前人努力,就是在寻求这个理论。

所以,从最庸俗角度说,此文更接近宗教的通俗教义科技版,但所论却有别于人们日常经验和直觉所建立的基本模式,它有助于你揣度弥散在中国社会、生活、人文、法律和互联网的那么多无法看懂的现象及现象背后的复杂逻辑,当然也有助于对应众多国际纠纷、部族冲突与宗教矛盾的起源。从最玄虚上讲,它甚至有助于你怡然自得地沉醉于一切的不作为和一切的作为之中。

文章内容

何为实在

文/ Stephen Hawking 译/吴忠超

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,因此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,我们观察一个自由物体在一条直线上运动,会被金鱼观察成它是沿着一条曲线运动。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。

在科幻影片《黑客帝国》中,发生了不同类型的另类实在。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吸吮时,他们便保持平静而满意。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的虚拟世界中,事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。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是否还有另一个实在。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”的现代版本。

从这些例子中,我们可得到非常重要的结论:不存在与图像或理论无关的实在概念。相反地,我们将要采用称为“依赖模型的实在论”观点:一个物理理论和世界图像,是一个模型以及一组将这个模型的元素和观测相连接的规则的思想。这提供了一个用以解释现代科学的框架。

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。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,它们之间的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,这一信仰称作实在论。

我们有关现代物理的知识,使得要为实在论辩护变得非常困难。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。事实上,在某种情形下,单独的物体甚至并没有独立的存在,而仅作为众多的系统的部分而存在。而且如果一种称为全息原理的理论被证明是正确的,那么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,我们在宇宙中的地位即类似于金鱼的状况。

依赖模型的实在论,解决或至少避免的一个问题是“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?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。如果我在外面时发生了某些事情,比如,天花板落下怎么办呢?在我离开房间时桌子消失的模型下,我能够解释下次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要简单得多,并与观测相符。那就是人们能问的一切。

依赖模型的实在论能够为讨论诸如下述问题提供框架: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·奥古斯丁说,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。

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。

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之,

4.它对将来的观测做详细的预言,如果这些预言不成立,观测就能证伪它。

例如,在亚里士多德的理论中,世界由土、气、火和水4种元素构成,物体是为了满足它们的目的而存在。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相矛盾。

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,但科学家们非常重视它,因为自然定律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,因为一个充满了敷衍因素的理论不优雅。用爱因斯坦的话说,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。

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时,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。尽管物理学家执著地努力拯救他们赞美的理论,但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。

我们的实在和宇宙的基本成分的概念,随着每个理论或模型而改变。比如,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行进,而且牛顿利用它来解释当光从一个媒质进入另一个媒质,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,微粒论不能解释牛顿自己观察到的“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,那被称作干涉现象导致的亮环和暗环。一个波,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。这称为相长干涉。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,波相互对消,被称为处于“反相”。这种情形称为相消干涉。

在l9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20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。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——和依赖模型的实在论相一致。每个理论都能描述并解释某些性质,而没有一个理论能说比其他的更好或更真实。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。

宇宙并非仅具有单独的存在或历史,而是每种可能的宇宙版本在所谓量子叠加中同时存在。这听起来就像“只要你离开房间桌子就会消失”的理论一样疯狂,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。

节选自《大设计》

湖南科学技术出版社2011年1月

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