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標題: 霍金看萬有理論 [打印本頁]

作者: super3g 時間: 2011-5-8 11:00 PM 標題: 霍金看萬有理論

重點提要 ■在將愛因斯坦的重力與量子物理統合成單一萬有理論的過程中，霍金關於黑洞及宇宙起源的工作，或許是理論物理學家在該主題的成果裡最扎實的。 ■物理學家有一個偏好的候選理論：弦論，但它有五種不同的形式，各自適用於特定的情況。 ■不過，有一個數學連結網絡將這些不同的弦論連成單一系統，謎樣地稱為「M理論」，或許這個網絡本身就是最終理論。 ■霍金與美國加州理工學院的物理學家曼羅迪諾在新書《偉大的設計》（The Grand Design）裡提出，在找尋最終理論時，或許永遠得不到單一的一組方程式；每個科學理論都可用自己的模型來描述現實，談論現實究竟是什麼或許並無意義。這篇文章就是根據這本書而寫的。幾年前，義大利蒙薩市的市議會決定禁止將金魚養在球形魚缸裡。提案人解釋道，這樣對魚很殘忍，因為彎曲的器壁會扭曲魚眼中「現實」的影像。該措施除了對可憐的金魚有意義之外，這個故事也引發了一個有趣的哲學問題：我們怎麼知道我們所看到的現實是真的？金魚眼中的現實與我們的不同，但是我們能否確定牠的就比較不真實？我們也可能終其一生是透過扭曲的透鏡看著外面的世界。在物理中，這並不是一個純學術的問題，事實上，物理學家及宇宙學家發現自己就處於和金魚類似的困境。幾十年來，我們努力尋找一個終極的萬有理論——一組完整而一致的自然界基本定律，來解釋現實的所有面向。這種追尋似乎帶來了不只一種理論，而是一整組互有關聯的理論，各自描述其現實，就好像透過自己的金魚缸看宇宙一樣。這種想法對許多人（包括本行的科學家）來說可能難以接受，因為大多數人認為有個客觀的現實存在，而我們的感官和科學直接傳遞了關於這個物質世界的訊息。古典科學是基於這個信念：外在世界的性質是明確的，而且獨立於觀察者看它的方式之外。在哲學裡，這種信念稱為實在論。然而，對那些還記得迷幻藥之父李瑞（Timothy Leary）或是1960年代的人來說，有另外一種可能性：一個觀察者對現實的觀點可能取決於其心智。這類觀點被稱為反實在論、工具主義或是唯心論等。根據這些學說，我們所知道的世界是人類的心智從感官資料建構出來的，並由人腦詮釋出它的形態。這種觀點或許不易接受，但並不難理解。當我們觀察這個世界時，觀察者（我們）是不可能被移除的。現在物理學的走向，變得越來越難幫實在論辯護。古典物理，也就是牛頓那種精確描述我們日常生活經驗的物理，對物體及位置這類名詞的解釋大致符合我們的常識，也就是對這些概念的「實在性」理解。然而，就量測裝置的角度來看，我們其實是很粗糙的儀器。物理學家發現日常物體，以及我們觀看它們時所需的光，都是由我們無法直接感知的東西所組成的，例如電子和光子。這些東西遵守的不是古典物理，而是量子理論。量子理論的實在性和古典物理有著根本的差異。在量子理論的框架裡，粒子既無確定的位置，也無確定的速度，直到觀察者測量這些量為止。在某些例子裡，個別的物體甚至無法獨立存在，而僅能以全體裡的一部份存在。量子物理在我們對「過去」的想法上也有重要的意含。在古典物理中，我們假設過去是一連串的事件，但在量子物理中，過去和未來一樣是不確定的，僅能以機率分佈的方式存在，即使是整個宇宙也沒有唯一的過去或歷史。所以量子物理和古典物理的實在性並不同——雖然後者符合我們的直覺，而且在設計建築物和橋樑等東西時仍然很好用。從這些例子得出的結論提供了一個重要的框架，讓我們解釋現代科學。在我們的觀點裡，實在性無法和圖像或理論切割開來，因此反倒應該採取「模態實在論」（model-dependent realism）的觀點，也就是說，物理的理論或世界的圖像其實是一種模型（通常具有數學的特性），以一組規則將模型裡的要素與觀測連結起來。根據模態實在論，問一個模型是否為真並沒有意義，只能問它與觀測是否相符。如果兩個模型均與觀測相符，則沒有哪一個比另一個真實，我們可以視情況採用任一種較方便的模型。 我們並未比金魚更貼近現實 另類現實這種想法是今日通俗文化的支柱。例如，在科幻電影「駭客任務」裡，人類不知情地活在智慧型電腦所創造出來的虛擬世界裡，獲得安定與滿足感，以便讓電腦汲取其生物電能（不管這到底是什麼）。我們怎麼知道自己不是電腦產生的角色，活在「駭客任務」般的世界裡？如果我們活在一個合成的、想像的世界裡，則事件就不必然要有任何邏輯、一致性，也不用遵守任何定律。握有控制權的外人或許會以測試我們的反應為樂。例如，讓世界上所有的人突然認為巧克力很噁心，或者讓戰爭從此消失，但這從未發生過。如果外人賦予我們的世界相容的定律，我們就沒法得知這個虛擬世界的背後另有現實。我們很容易認定外人所居住的世界是「真實」的，而電腦產生的世界則是「虛擬」的，不過，如果就像我們一樣，虛擬世界裡的生物沒辦法從外面看自己的宇宙，則他們就沒理由懷疑自身圖像的實在性。金魚所處的情況也類似。牠們看到的和我們在彎曲的魚缸外面看到的並不相同，不過牠們仍可以找出描述外界物體運動的科學定律。例如，光自空氣進入水中時會折射，因此在我們看來沿直線移動的物體，在金魚眼中卻是沿曲線移動。金魚可以從其扭曲的參考座標裡，導出一套科學定律，準確地預測魚缸外物體的運動，該定律會比我們的複雜，但是簡單與否是很主觀的。如果金魚得出這種理論，我們只能承認金魚對現實的觀點是有效的。有個以不同的圖像描述現實的著名實際例子，就是托勒密以地球為中心的宇宙模型，以及哥白尼的日心模型。雖然人們通常會說哥白尼證明了托勒密是錯的，但其實並非如此。就像我們與金魚的觀點相異一樣，兩個圖像都可以做為宇宙的模型，因為不管假設靜止不動的是地球或太陽，都能解釋天象。不管它在宇宙本質的哲學辯論裡所扮演的角色如何，哥白尼系統真正的優點是，在將太陽視為靜止不動的參考座標裡，運動方程式會簡單得多。模態實在論不只可用於科學模型，也適用我們所創造出來的、詮釋及理解日常世界時的意識與潛意識心理模型。例如，人腦處理來自視神經的初級資料、結合雙眼的輸入、加強解析度，並填滿諸如視網膜盲點所造成的空白。除此之外，它可由視網膜的二維資料產生三維空間的感覺。當你看到一張椅子時，你只是用椅子散射的光線來建立椅子的心理圖像或模型。人腦很能製造模型，即便戴了特殊眼鏡讓眼裡的影像顛倒，人腦仍能改變模型使東西看起來像是正立的——所以坐下之前真的得小心一點。
【完整內容請見《科學人》2010年第105期11月號】

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