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【陈向群 马雷】弦论的五个哲学追问

 

 

一、引言

自爱因斯坦以来, 人类就一直希望寻找到统一宇宙万物的终极科学理论。然而, 无论是广义相对论还是量子力学, 它们虽然在各自领域发挥着重要作用, 但都无法满足人们这个愿望。更为麻烦的是, 如果将这两个理论结合在一起, 我们还会发现它们之间有着不可调和的矛盾。而弦论的提出正是着眼于解决这个矛盾。“弦论的基本思想就是用一维的弦来取代传统粒子理论中点状的粒子, 从而为量子力学和引力的统一提供基础。”[1]7然而, 由于弦论所涉及的物理尺度非常小, 超出了我们现有的经验观察范围, 其理论陈述难以在经验层面得到验证, 人们对弦论的质疑也从未停止过, 甚至有些学者还将其理解为伪科学。但即便如此, 我们也不能认为弦论的研究就没有价值。弦论的研究至今已经走过了50多个年头, 不仅其理论基础不断完善, 而且研究的科学家群体也不断壮大, 弦论显示出了强大的生命力。这就意味着, 弦论有着经验之外的更为值得我们深思的东西。而本文正是基于此来开展与之相关的哲学追问, 它们涉及科学可检验标准、科学实在论、实验与理论的关系、科学与非科学的分界以及物质与精神的关系等问题。

二、经验对于科学而言是必须的吗?

传统科学的一个最基本特征就是经验可检验性。无论是逻辑实证主义还是证伪主义, 它们都坚持科学的经验可检验原则, 认为一个进步的科学理论必须在经验上经得起证实和证伪。逻辑实证主义创始人之一的石里克就曾说:“阐述一个句子的意义就相当于阐述使用该句子的规则, 而这与阐述其被证实 (或证伪) 的方法是一样的。一个命题的意义就是对它的证实方法。”[2]波普尔也曾说:“所有经验科学的陈述 (或‘有意义’的陈述) , 必须是最后判定其真和伪的, 我们说:它们必须是‘可最后判定的’。这就意味着, 它们的形式必须是这样:证实它们和证伪它们, 二者在逻辑上都是可能的。”[3]16然而, 弦论却向我们提出了一个问题, 那就是, 经验对于科学而言是必须的吗?

从当前来看, 弦论与其他科学理论最大的不同之处在于, 它并非是建立在实验基础上的物理学理论, 相反, 从其概念提出到经历两次超弦革命的半个多世纪内, 它非但没有任何的实验基础, 反而大多数情况下都是理论创造理论的过程。但就是这样没有任何实验支撑的弦论, 却“有望为我们提供量子引力的工作理论和所有基本力的统一描述。”[4]但弦论的科学意义绝不仅于此, 事实上, 弦论不仅为我们观察自然提供了新的观察工具和思维方法, 而且其科学方法也为我们开展科学研究提供了借鉴。弦论的一个主要特征就是对偶性, 主要为T对偶、镜像对偶以及S对偶等。弦论的对偶性主要是指, 两个理论虽然具有不同的表达形式, 却能导致相同或相近的物理效应。“从哲学的角度来看, 镜像对偶给出了奇怪的结果, 理论上非常不同的模型却在物理上极为一致。”[5]根据弦论的对偶性原理, 物理学家就能对两个表达式不同但实际上是描述相同物理学的理论模型进行说明。同样地, 在天文学领域, 天文学家也可以利用对偶性来预测已观察到恒星的对应星体 (类似于孪生地球概念) 。甚至, 人们还可以根据对偶性来理解量子物理学的多世界理论。在多世界理论中, 不同世界之间也是一种对偶关系, 生活在其中一个世界的我, 在另一个世界中必定存在着我的对应体。[6]

不仅如此, 由于弦论的研究方法主要是微扰理论 (perturbative theory) 的近似方法, 它对我们科学研究具有重要的启发意义。所谓的微扰理论就是指“对某个问题做一近似处理, 得到一个大概的结果, 然后更仔细地考虑原先忽略的细节, 从而系统地提高近似的程度。”[7]288在科学研究过程中, 受制于现实条件, 很多理论难题我们无法直接获得其准确值。但借助微扰理论的近似方法, 科学家就能够在一定范围内改变附加条件而选取其中的近似值。例如, 为了认识地球在太阳系中的运动, 我们需要考虑各种引力关系, 但太阳系内如此多的行星必然会导致非常复杂的引力“混战”。这时, 借助微扰理论, 我们只需考虑对地球运动影响最大的太阳对地球的引力来获得一个预估值, 问题就可以近似地解决了。20世纪90年代, 美国普林斯顿高等研究所的弦论物理学家纳森·塞伯 (Nathan Seiberg) 就利用弦论的微扰方法原理以非直接的方式解决了物理学内某些复杂的难题, 并以此开创性地提出了塞伯二元论 (Seiberg Duals) [7]300

上述, 我们可以看出, 弦论虽然在证实上、理论构建上以及理论演化上难以找到经验的影子, 但弦论的研究不是没有科学意义的。相反, 弦论不仅能为我们提供观察自然界的新思维和方法, 也能指导现实的科学研究。弦论的科学意义表明, 经验对于科学而言并非是必须的, 它只是科学进步的充分条件而非必要条件, 离开经验的科学研究同样可以获得发展。坚守经验可证实原则的哲学家们恐怕在于他们不愿意放弃逻辑实证主义的固有立场。对此, 巴特菲德 (Jeremy Butterfield) 和伊斯汉姆 (Chris J.Isham) 就质疑:“没有数据, 没有理论, 就没有哲学吗?[8]建立在非经验基础上的弦论所具有的强大生命力表明, 以往单纯依靠实验检验的物理学已经难以获得更大的突破, 科学研究已经离不开数学和几何学这类非实验科学。对此, 桂起权就说:“对同一进程和传统科学方法论有着严格追求的物理学已经超越了经验科学的语境, 并进入到一种关于自然数学灵感的形而上学语境之中。”[9]

三、不可观察是否构成反实在论的不充分论证说?

在科学哲学领域内, 长期存在科学实在论与反实在论之争。科学实在论认为, 科学理论所描述的对象是整个自然界中的物体, 无论它是否可被观察, 只要理论陈述与观察数据相符合, 或理论所描述的效果为真, 该理论就具有实在性。按照科学实在论的观点, 不仅逻辑经验主义和工具主义, 包括描述不可观察的微观粒子活动的量子理论都是科学实在论。反实在论则认为, 科学所描述的对象只限于自然界中可观察的部分, 可观察是评判理论是否实在的唯一标准。按照反实在论的观点, 科学所描述的只是自然界中我们肉眼可观察的对象, 如桌子、树木、下雨以及雷电等, 而类似于量子理论这类从波动方程来对粒子进行概率性描述的科学理论都不具实在性。实在论与反实在论长期争论不休, 互不让步, 并由此还导致了实在论的无奇迹主张 (realist's no miracles argument) 和反实在论的悲观元分析 (non-realist's pessimistic meta-induction) 两种截然不同观点。[1]3

不仅如此, 在实在论与反实在论的争论过程中还出现了一种不充分论证说, 它认为, 对于某些不可观察的物体, 虽然观察数据与理论主张最终能够符合, 但观察数据有时候是间接的, 是通过理论预测来对不可观察物体所作的判断, 因而科学家对理论陈述的论证是不充分的。以气体动力学理论为例, 该理论认为任何气体都是由不断运动的分子所构成的。然而, 我们在现实中无法直接观察到这些运动的分子。科学家们于是采取了一种间接方法, 通过实验仪器来测量气体的体积来形成对气体分子运动的论证。具体来说, 在保持气压不变的情况下, 如果观察到气体受热而体积膨胀, 科学家就可以依据这些数据间接证实气体动力学理论。而这对于科学实在论来说是“观察数据构成了不可观察实体的论断的最终证据”。[10]70而反实在论者则认为这样的论证并不充分, 在他们看来, 既然数据不是对气体分子的直接观察所获得的, 那么就可能存着对观察数据的不同解释。这就是说, 观察到气体体积膨胀的数据不一定就证明不可观察的气体分子是运动的, 造成气体体积增加的原因也可能是实验仪器的误差, 或是外界环境中气温的影响等。事实真是这样吗?

对此, 科学实在论者指出, 我们不反对某种特定观察数据可以有不同的解释, 但问题是, 不是每种解释效果都一样的, 其中一种解释可能比另一种好, 我们大可择优选取。再者, 科学史的事实还表明, 对某些不可观察的对象的经验数据, 通常很难有多种解释, 这与不充分论证说所期待的恰好相反。虽然弦论中弦还未能在现实中借助实验仪器观察到, 但为了证明弦的存在, 物理学家们通过假设类似于橡皮筋那样振动着的弦构成了质子、中子和电子等微粒, 从理论上成功地解决了广义相对论和量子力学的矛盾, 在间接层面证明了作为自然界最小物质构成的弦的存在。按照反实在论的不充分论证说, 物理学家关于弦的数据并非是通过直接观察弦而获得的, 而是通过理论推演而获得的, 必然存在其他的可能性替代理论, 这种论证自然就是不充分的。但事实情况是, 我们可以看到, 还有什么解释能比解决广义相对论和量子力学矛盾更能证明弦的存在呢?在弦论体系中处于对偶关系的理论, 它们都是很难被替代的。因为, 只要变更其中一个理论就会导致弦论体系中对偶关系的破坏, 而这是违背反实在论不充分论证说的反对基础的。我们或许可以认为, “不充分论证说仅仅是一种哲学家的担忧, 它与实际的科学实践没有多大的关系。”[10]71

四、理论和实验孰先孰后?

理论和实验的关系问题是科学哲学热烈讨论的话题。着名科学哲学家伊恩·哈金 (Ian Hacking) 就坚信实验是先于理论的。哈金指出, 一直以来, 由于长期受“观察渗透理论”思想的影响, 造成了人们过于重视理论而忽视实验创造理论的价值。“自然科学史现在几乎总是被写成理论史。科学哲学已经变成了理论哲学, 以至于否认存在先于理论的观察或实验。”[11]149-150在《表征与干预》一书中, 哈金提出了“实验有自己的生命” (Experiment has a life of its own) 的新实验主义哲学命题, 试图从概念上扭转人们对于实验和理论关系的传统观念。哈金列举了大量实验先于理论的例子:在光的波动说提出之前, 格里马第 (Francesco M.Grimaldi) 以及胡克 (Robert Hooke) 就观察到了光的“衍射”现象;在菲涅尔定律提出之前, 偏振光的反射和折射定律已经为布儒斯特 (David Brewster) 所测定;伍德 (Robert W.Wood) 在对量子理论没有任何了解的情况下, 就于19001930年间就发现了共振辐射、荧光、吸收光谱和拉曼光谱等量子光学现象。[11]156-159然而, 实验就一定先于理论吗?至少弦论的发展历程就证明事实并非这样。弦论的创立过程不仅完全没有实验的参与, 相反, 它都是建立在数学和几何学的逻辑推理基础上的。

首先, 从弦的概念提出过程来看。弦论作为一门学说的提出可以说完全是一个意外。1968年意大利着名理论物理学家加布里勒·维尼齐亚诺 (Gabriele Veneziano) 偶然发现, 瑞典着名数学家欧拉 (Leonhard Euler) 所创立的欧拉%函数可以精确地描写粒子强相互作用力的性质。但此时, 维尼齐亚诺并不知道欧拉%函数背后所具有的意义。直到1970, 隐藏在欧拉%函数背后的物理学奥秘在南部阳一郎 (Yoichiro Nambu) 、尼尔森 (Holger Nielsen) 和苏斯金 (Leonard Susskind) 等人的努力下被揭示, 他们发现, 如果用一维振动着的弦来模拟基本粒子, 欧拉函数就可以很精确地描述这些粒子的相互作用性质。这样, 弦的概念就被正式提出。[7]136

其次, 从弦论的确立过程来看。与其他任何理论的最终确立一样, 弦论的建立和发展也经历了相当曲折的历程, 期间经历了两次“超弦革命”。20世纪80年代, 着眼于解答弦论和量子引力的矛盾, 格林 (Brian R.Greene) 和施瓦茨 (John Schwarz) 通过将强力、弱力、电磁力和引力统一在弦论中解决了这个问题, 众多物理学家纷纷加入到弦论的研究中来, 引发了物理学史上第一次“超弦革命”。20世纪90年代, 为了寻找到不同类型弦论之间的相互联系, 美国物理学家爱德华·慧藤 (Edward Witten) 提出了M-理论, 首次将五种不同类型的弦论通过对偶性的方式统一了起来, 引发了物理学史上的“第二次超弦革命”。经历了两次“超弦革命”, 弦论才最终确立起来, 并成为今天物理学内的重要学说。

上述, 我们可以看到, 从弦的概念提出到弦论的最终建立并为大多数人认同的过程中, 实验不仅没有先于理论和创造理论, 而且理论建立的过程中也没有实验的参与。回顾科学史的发展历程, 理论先于实验的例子比比皆是, 而弦论只不过是其中一个典型例子罢了。如果实验并非先于理论, 理论也并非先于实验, 那么, 究竟理论和实验的关系是怎么样的?我们认为, 简单地从时间上划分理论和实验的先后关系是不科学的。在科学研究中, 有些是先有理论再有实验, 如牛顿力学定律, 而有些是先有实验再有理论, 如自由落体定律。而且, 即便是同一个科学研究, 理论和实验的关系在不同时期也是不一样的, 例如, 量子理论的创立就是个理论和实验不断交替的过程。所以, 严格区分理论和实验孰先孰后是没有意义的, 无论是实验还是理论, 它们都只是我们在科学研究过程中获取知识的方法和手段, 在科学研究过程中, 把握好它们的平衡关系来为科学研究寻找解答问题的答案才是最为重要的。“实验和理论只是我们从认识论上选取的研究窗口, 透过不同窗口看到的科学哲学图景固然有差异, 但在某些深刻层面上进行某种转换可能导致一种等价的结果。”[12]

五、科学与非科学的分界标准是什么?

科学划界 (demarcation of science) 是科学哲学内非常重要的问题, 它指的是“在科学与其他知识体系、社会活动和建制之间, 特别是非科学和伪科学之间的划界。它包括这些问题:在科学和它者之间是否可以划界, 若可, 如何划界;划界的标准和意义何在, 诸如此类。”[13]波普尔非常关注科学划界问题, 他曾说:“找到一个标准, 使我们能够区别经验科学为一方与数学和逻辑以及‘形而上学’系统为另一方, 这个问题我称之为划界问题。”[3]10

今天我们所讲的科学划界问题与普通意义上的划界问题不同, 它并非是指古希腊时期哲学家们对于知识与普通概念、真理与谬误的划界, 而是指科学与非科学的划界, 是科学在17世纪后成为独立学科之后才出现的。但与此同时, 科学划界问题又与普通意义的划界问题密不可分, 1719世纪, 人们对于科学划界问题的看法虽然有所不同, 但主要还是直接继承了亚里士多德对于划界问题的标准, , 科学与意见和迷信的主要区别在于它的原理具有确实可靠性。随着20世纪科学哲学的兴起, 人们对于科学与非科学的划界变得更加严格, 出现了许多不同的流派, 如实证主义、证伪主义、历史主义、科学实在论等。实证主义以可证实为原则, 认为科学与非科学的根本区别在于可证实性。以波普尔为代表的证伪主义致力于有效原则, 认为一个理论是否科学, 关键在于该理论是否能从经验上被证伪, 能够经受不同反例的检验。以库恩为代表的历史主义反对实证主义和证伪主义静态和孤立的逻辑观, 认为只有从动态的历史视角来观察才能认定理论是否是科学的。作为同样是反对实证主义的科学实在论则从理论是否揭示了世界的本质以及向我们提供关于世界的认识角度来划分科学与非科学。

承袭亚里士多德关于划界问题的标准, 科学划界问题已为人们讨论了很长的时间, 但至今仍未达成统一认识, 究竟什么样的标准才最终能够区分科学与非科学?如果基于以上标准, 弦论尚未有实验证实, 它就不符合科学证实主义和证伪主义的可证实和证伪原则。而且, 弦论在历史发展过程中也常常遇到难以突破的瓶颈, 它似乎也难以符合历史主义的动态检验原则。甚至, 由于弦论的实用性还未显示出来等原因, 对于科学实在论所宣称的科学划界标准, 弦论也难以符合。那么, 我们是否就能以此认为弦论是伪科学呢?答案是否定的。一方面, 弦论本身是不断发展的, 它不符合当前的科学划界标准并不代表以后不能, 谁能断定未来弦论就不能被实验所证实呢?另一方面, 科学和非科学可能没有清晰的界限, 对科学的判断依据是一种综合性的标准体系, 在弦论中我们也能找到某些符合科学的标准。科学与非科学的划分问题是一个二元思维问题, 我们不能简单地以可证实性、可证伪性、范式检验以及科学实证性等单一方面作为“二取一”的最终标准, 而是应该根据科学细化的标准体系对理论进行综合考量, 判断其科学性程度。

六、物质和精神的二元分离能统一吗?

一直以来, 关于世界本源问题, 在哲学内, 存在着一元论与二元论两种截然不同的世界观。一元论者认为世界只有一个本源, 其中, 唯物主义一元论认为世界本源是物质, 而唯心主义一元论则认为世界本源是精神。相反, 二元论则认为世界由物质和精神两个本源共同构成。例如, 17世纪, 笛卡尔就在朴素二元论基础上提出了其着名的二元论思想, 他认为世界是由物质与精神两个相互独立的实体所构成, 其中, 物质是具有广延性的客观实体, 而精神是不具广延的思维实体。物质和精神的二元论对哲学的发展产生了深远的影响, 在笛卡尔之后, 诸如副现象论、感受质二元论、属性二元论等各种形式二元论又相继出现。但无论何种形式的二元论, 它们都认为, 作为二元两端的物质和精神之分离是绝对和永远的。然而, 弦论的理论内涵却向我们表明, 物质和精神的二元分裂并不是绝对的, 它们在一定条件下可以实现统一, 这是如何可能的呢?

我们知道, 弦论的提出是为了解决广义相对论和量子力学的矛盾, 具体来说, 在广义相对论中, 空间和时间形成一个光滑弯曲的时间几何, 而在量子力学内, 包括时间和空间在内的宇宙万物都经历着剧烈的量子涨落, 这样, 在普朗克尺度下, 光滑弯曲的时间几何必然会被疯狂的量子涨落所打破, 两个理论的矛盾就出现了。[6]151那么, 弦论是如何解决这个问题的呢?在弦论中, 组成宇宙万物的最基本单元不是粒子, 而是类似于橡皮筋那样振动着的弦, 那么, 普朗克尺度下量子涨落所造成的凹凸不平的时空就可以被“抹平”, 这究竟是如何发生的, 我们不妨先来参考下面两个图:1

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图1 量子场中两个粒子相互作用, 它们“轰”地撞在一起, 然而沿偏转的轨道离开。

1 量子场中两个粒子相互作用, 它们地撞在一起, 然而沿偏转的轨道离开。   下载原图

图2 两根弦相互碰撞结合成第三根弦, 然后分裂成两根弦沿偏转方向的轨道运动下去。

2 两根弦相互碰撞结合成第三根弦, 然后分裂成两根弦沿偏转方向的轨道运动下去。   下载原图

在图1, 普朗克尺度下的两个粒子在量子场中发生碰撞, 由于整个量子场中存在着大量的粒子, 必然会发生无以数计的类似碰撞, 从而形成了量子涨落现象, 导致时空几何平面的凹凸不平, 而这与广义相对论弯曲平滑的时空是相矛盾的。在图2, 假设组成世界的基本单元是弦, 那么, 当两根弦相互碰撞后就会相互融合形成第三根新弦, 之后新弦又分化为两根类似的弦沿相反方向运动。这样, 在两根弦发生碰撞时, 由于形成了新的闭合的弦, 弦的碰撞并没有发生类似于粒子碰撞时产生的“轰”的现象, 而是很好地融合在一起, 从而没有造成时空几何平面的凹凸不平, 自然, 广义相对论和量子力学的矛盾在弦论中得到了解决。

弦论通过将组成物质的基本单元从粒子转换为闭合的弦, 在成功地解决了广义相对论和量子力学的矛盾的同时, 对物质和精神的相互关系也具有重要启示。如果组成世界的基本单元是弦, 那么物质和精神的基本构成也应该是弦, 而当这两个弦相互碰撞时, 就会形成一个包含了物质和精神在内的统一体的新弦, 但当这个新弦在一定条件下发生分裂后, 又形成物质和精神的二元对应体。如此, 物质和精神的二元性和一元性都不是绝对的, 它们在弦论中实现了相互转化 (参考图3)

图3 构成物质和精神的弦相互碰撞后形成统一体, 物质和精神在弦论中实现了统一。

 3 构成物质和精神的弦相互碰撞后形成统一体, 物质和精神在弦论中实现了统一。

结语:一种新的科学认识论和科学方法论

科学认识论作为从科学视角来认识我们所生活的世界的理论, 它伴随着科学的变革而不断发展。自近代科学产生以来, 物理学先后经历了三次重大的发展, , 从牛顿物理学到爱因斯坦相对论再到量子力学。与此同时, 人类对宇宙的认识也经历了三次巨大的变革, , 从机械宇宙观到弯曲时空观再到微观世界的不确定性和概率性。而弦论作为最有希望成为统一宇宙万物的理论, 它是否能最终成为继量子理论之后物理学的第四种研究范式, 目前还不能过早下定论。但弦论同样给我们带来了认识宇宙的新观念, 那就是, 构成宇宙最基本的单元并非是以往人们所认识的质子、电子和中子等粒子, 而是类似于橡皮筋那样振动着的弦, 整个宇宙就是一部由弦的振动所编制而成的音乐交响曲。不仅如此, 在弦论中, 宇宙并非我们过往所认为的四维时空, 而是十维的, 只不过其中有六维缩卷而隐藏了起来难以为我们所观察到。更为重要的是, 弦论的研究还给传统的科学研究方法论带来了巨大的冲击。具体来说, 弦论在发展历程中所面临的困难都是在完全没有实验基础上的理论创新, 尤其是, 弦论研究者们采用微扰方法从概念上统一了弦论体系 (M-理论) , 不仅实现了不同弦论之间的对偶, 而且保证了弦论研究的科学性和可持续性。弦论的研究方法不仅敦促我们重新思考科学实在论与本体论的关系以及科学与非科学的划分界限, 而且还启示着, 经验对于科学而言并非是必须的, 实验也并非一定先于理论, 物质与精神的二元性可以在一定条件下实现统一。

【参考文献】

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[11] Hacking, I. Representing and Intervening:Introductory Topics in the Philosophy of Natural Science[M]. Cambridge:Cambridge University Press, 1983.

[12]陈向群, 马雷.实验优位还是理论优位?——哈金新实验主义思想简评[J].自然辩证法研究, 2016 (1) .

[13]李醒民.划界问题或科学划界[J].社会科学, 2010 (3) .

注释

1 1和图2分别摘自布赖恩·格林.宇宙的琴弦[M].李泳, .湖南科学技术出版社, 2011:58, 59.

(原载《自然辩证法研究》2019年第01)