今天是2020年1月21日 星期二 sxufe 退出

后真相时代的科学哲学——物理学哲学的视角

http://www.firstlight.cn2019/11/7

[作者] 高策 乔笑斐

[单位] 山西大学科学技术史研究所

[摘要] 物理学尤其是基础物理学的研究,构成了人们认识物质世界深层本质的主要来源,是我们了解和把握整个科学发展的基础。20世纪以来,随着基础物理学理论的不断革命和突破,人类对自然界的认识经历了三个主要阶段。第一阶段以量子力学和相对论为代表,构成了整个物理学的支柱,其应用被延伸到了几乎所有物理学的分支领域,彻底改变了人们对物理世界的理解;第二阶段以粒子物理的标准模型和宇宙学的标准宇宙模型为代表,在物理学的统一方面取得了极大的进展…

[关键词] 时代 科学哲学 物理学哲学 视角

物理学尤其是基础物理学的研究,构成了人们认识物质世界深层本质的主要来源,是我们了解和把握整个科学发展的基础。20世纪以来,随着基础物理学理论的不断革命和突破,人类对自然界的认识经历了三个主要阶段。第一阶段以量子力学和相对论为代表,构成了整个物理学的支柱,其应用被延伸到了几乎所有物理学的分支领域,彻底改变了人们对物理世界的理解;第二阶段以粒子物理的标准模型和宇宙学的标准宇宙模型为代表,在物理学的统一方面取得了极大的进展;第三阶段以超弦与圈量子引力为代表,虽然目前它们还只是数学结构,而非成熟的物理理论,但正因如此,哲学讨论的意义更大。随着科学研究的尺度进入普朗克标度,远远超出了现有实验技术的可检验范围,物理学中关于物质、时间、空间等一些基本概念的内涵被深刻地改变,正在酝酿着物理学史上一场新的革命,堪称继近代物理学革命与20世纪初量子论和相对论革命之后的第三次科学革命。

从科学哲学的角度来看,20世纪科学哲学的发展与物理学发展的三个阶段是同步的。第一阶段,量子论和相对论的建立,直接促成了科学哲学的产生;第二阶段,两个标准模型建立的过程,也正是科学哲学走向成熟的阶段;第三阶段,基础物理学所建立的新的概念体系,已经超越了传统科学哲学的范畴。两个标准模型形成后,随着希格斯粒子和引力波的发现,实验进一步证实了量子力学和广义相对论,但与此同时,仍然存在诸如暗物质、暗能量等现有的两个标准模型不能解释的问题。此时的情形非常类似20世纪初,一方面,传统科学范式取得了极大的成功,我们似乎抓住了部分真理;另一方面,同时存在很多传统范式无法解释的现象,更深层的真理初露端倪。因此,我们引入后真相科学时代①来指称这一时代。在这个全新的时代,科学理论越来越远离科学实验,人们可观测的世界与客观存在之间似乎横亘了一条不可逾越的鸿沟,研究的尺度深入到了普朗克标度,科学家不得不在目前实验不能给出验证的现实条件下,从事艰苦的理论探索。其发展的方向以量子力学与相对论融合为目标,以超弦与圈量子引力为代表。相对应地,按照人们对真相涵义的理解,我们可以将整个科学史进行重新划分。

前真相时代,从古希腊时期至哥白尼革命,典型代表为亚里士多德的物理学。该时代科学尚未从哲学中独立,人们理解的真相很大程度上基于传统、观念和信仰等因素。

真相时代,从哥白尼革命至20世纪70年代标准模型的建立。该时代科学从哲学中独立出来,基于数学推理和实验验证,形成了自己独特的研究方法,对真相的理解主要基于经过经验检验的科学理论。真相时代又可分为宏观真相时代和量子真相时代两个部分。宏观真相时代,以牛顿力学和麦克斯韦电磁学为代表;量子真相时代,②以量子力学和相对论为代表,包括粒子物理和宇宙学两个标准模型。

后真相时代,两个标准模型之后,以超弦与圈量子引力为代表。

在新的时代,科学与哲学的关系也发生了微妙的变化,科学与哲学在科学探索的最深处似乎又相遇在一起。部分物理学家和数学家正在形成新的共同体,这个共同体的成员和哲学家又开始在一个平台上讨论同样的问题。一场新的科学革命正在酝酿,新的哲学理论也初见曙光,我们把正在萌芽中的新科学哲学理论称为后真相时代的科学哲学。真相时代的科学哲学,关于科学理论真理性的辩护,都强烈依赖于经验的检验。而在后真相时代,新的科学理论,一方面对传统的科学观念构成了极大的挑战,另一方面,理论的真理性又很难通过实验给出确认。因此,从哲学的角度审视科学中出现的挑战以及科学变革的内在张力,并据此重塑科学哲学的基本理论,是当下科学哲学亟需处理的重要议题。

一、时代特征

从后真相时代回看整个科学的发展,呈现出了清晰的脉络,使我们能更加深刻地理解不同时代的科学范式及其发展的内在规律。下文将从空间尺度、科学方法和科学认识等多个层面,对不同时代科学理论的特征给出详细说明。

(一)不同时代理论研究的空间尺度

前真相时代,物理学研究的尺度主要集中于人类肉眼所及的范围。该时代研究的尺度大约为毫米到太阳系,而且只能观测到星体的大概位置,没有精确的测量;宏观真相时代,放弃了以直接肉眼的观察作为依据,观察的手段不是自明的,而是依赖于新的理论和实验技术。随着实验方法的不断成熟和改进,物理学持续不断地开辟出新的研究领域。该时代研究的尺度大约为原子到太阳系的范围,而且观测更为精确;量子真相时代科学研究的对象从宏观世界过渡到了量子尺度,很多微观粒子无法直接观测,只能通过精密的实验仪器(粒子加速器、大型天文望远镜等)观测得到大量的数据,然后计算出相应的参数。该时代的研究尺度跨越了从夸克到整个可观测宇宙的范围。

后真相时代,人们开始深入到普朗克标度( )寻求引力和量子力学的统一。普朗克能量的值极大( ),普朗克时间的值却极其微小( ),远远超过了现有粒子加速器的能量范围。另外,在宇宙中也存在一些特殊的拥有量子引力效应的物理域,如大爆炸刚发生之后的宇宙、黑洞等,但是实验上进行探测非常困难。因此,这一时代的研究尺度从普朗克标度跨越到了整个宇宙的诞生和演化,进入了目前技术几乎无法探测的领域,很难通过实验来对不同量子引力理论进行鉴别和验证。

(二)不同时代科学的方法论特征

前真相时代,数学、物理学都属于哲学研究的范畴。整体而言,这一时代的自然哲学用常识经验和逻辑论证的方式来证明假说,追求形式逻辑和对论证的纯抽象分析。主要进行直观的思辨,而不注重具体的操作,没有与数学和实验产生很紧密的联系。

宏观真相时代的最大特点就是随着数学和物理学的发展,两者作为独立的学科,逐渐从哲学中脱离出来。数学和实验的地位凸显,强大的数学工具和各种实验仪器的发明大大推动了科学的进步和发展,取代了传统思辨,成为新的知识获取模式。

量子真相时代科学研究的对象从宏观可直接经验,过渡到了量子尺度,只能通过数学模型和精密的实验仪器进行间接的认识。在理论中数学的、结构化的描述占据核心位置,实验需要在理论的指引下设计出来,对理论进行验证,经验的地位从发现功能弱化为检验和辩护功能。理论逐渐走到了实验之前,由于对实验手段的依赖,人们无法再通过经验的积累来构建理论,而是首先在理论上有了明确的可检验预言,然后再设计实验进行检验,整个实验过程都渗透着理论的指引。

后真相时代,用实验对理论进行验证变得越来越困难,传统的以经验为基础的科学方法论在这里遭遇了极大的困难。物理学家逐渐从经验研究,转向纯数学上的理性推理和对基础概念的带有哲学色彩的分析和讨论,物理学、数学和哲学再次携手一起研究新出现的问题。在这一阶段理论的发展中,经验的地位逐渐弱化,数学成为唯一的逻辑途径,数学和物理学之间的界限越来越模糊,可能的发展趋势为在数学和物理学分别走向统一的基础上,走向建立在物理学大统一基础上的数学大统一。

(三)不同时代科学的认识论特征

认识论关涉的是人们对知识的信念,其中既包括知识的来源,也包括对知识真理性的判断。人们对科学的认识很大程度上都是基于当时最成功的基础理论,而基础理论成功的背后都是以理论的统一描述为基本前提的。

前真相时代,托勒密提出了天体运动模型,天空中的天体都在绕着地球的圆形轨道上运动,而那些轨道本身也沿着圆周运动。通过本轮和均轮所构建的数学模型,能预言日食、月食和行星的运动——预言的精度达到千分之一,为天体的运行提供了一个统一的描述。

宏观真相时代,牛顿力学又一次完成了统一。通过惯性定律,将运动与静止统一;通过万有引力定律,统一了包括地球在内的所有天体的运动规律。麦克斯韦则将电和磁统一起来,使人们意识到场是一种完全不同于物质实体的新的实在。量子真相时代,爱因斯坦首先用狭义相对论统一了所有类型的运动,然后用广义相对论统一了引力场与时空几何,彻底颠覆了牛顿的绝对时空观。后来,弱电理论统一了电磁力和弱相互作用,量子色动力学统一了强相互作用,并一起构成了粒子物理的标准模型。在宇宙学中,大爆炸模型和暴涨模型共同构成了宇宙学的标准模型。可以说整个物理学史都是沿着统一的路线前进,统一已经成为理论物理学研究的终极目标。

后真相时代,仍然是统一之路的进一步延续。弦论统一了四种基本力,调和了相对论和量子力学的矛盾,被认为是大统一理论最有希望的候选者。同样,圈量子引力是关于引力场的一种非扰动量子理论,也是为了将量子力学和引力理论两个理论形式统一起来。两个理论可能像量子力学发展过程中波动力学和矩阵力学一样,以某种方式统一。③总之,新的物理学理论要想从旧框架下脱颖而出,必须首先从认识论上突破原有概念框架的束缚,在原本不同的概念之间建立新的联系,在新的统一背景下寻求物理意义上的终极统一理论。

二、后真相时代科学中的哲学问题

每个时代的科学都会形成一整套基础研究的框架,这种框架既包括理论所处理的基本对象及其描述方式,也包括基于科学理论所产生的哲学观念和科学认识论。不同的时代,科学不仅会开辟出全新的研究领域,产生新的哲学问题,同时也会对传统哲学问题给出全新解读。后真相时代虽尚未发展出成熟的理论,但是现有的研究已经可以对哲学的发展给出指引。后真相时代产生的新的哲学问题包括三个方面:首先,是从前真相时代产生并延续下来的基础哲学问题,对这些问题,每个时代都会给出完全不同的理解,主要包括:宇宙的起源、物质本体论、时空观念等;其次,是量子真相时代产生并延续下来的哲学问题,主要涉及量子力学的基础问题,如测量问题、量子纠缠、夸克禁闭等;最后,是后真相时代新产生的哲学问题,需要从后真相时代的科学所呈现出的新特征中寻找。

(一)宇宙的起源

对于宇宙的思考伴随着整个人类的发展,宇宙学也一直试图从其他学科(物理学、天文学)中汲取知识,将各自散碎的线索拼接成一幅完整的图像,给出宇宙发生和演化的整体图景。前真相时代,亚里士多德—托勒密的宇宙模型占据主导地位。宏观真相时代,虽然牛顿的引力理论重塑了宇宙的图景,但仍将第一推动归结为上帝。量子真相时代,大爆炸模型和暴涨宇宙模型对宇宙的起源给出了说明,并得到了实验的验证。后真相时代,又一次推动了宇宙观念的变革,其表现在两个方面:

首先,关于宇宙起源又掀起了新一轮的争论。斯坦哈特(P.J.Steinhardt)等人激烈地抨击了暴涨模型:“暴涨宇宙学,按照我们目前的理解,不能用科学方法来评估。”④以温伯格为首的主流科学家们则认为,暴涨理论经过了数学和观测结果的修正,已经逐渐完善,所有的反驳都可以通过适当的修正而得以解决。争论的根源在于,暴涨模型并不能严格地符合所有实验预言,而是在新证据中不断修正。

其次,平行宇宙的观念全面渗透到了物理学的各个领域。著名科普作家格林的新著《隐藏的现实》⑤一书中,罗列了多达九种平行宇宙的不同版本,涉及了宇宙学、量子力学、弦论、计算机等领域。平行宇宙作为一个解释性的假设,从一开始就来自一种解释的语境,本身不是一个完整的理论。平行宇宙的支持者德义奇(Deutsch)认为:“只有承认存在尚未观察到的物体,并承认他们具有一定性质的时候,我们所观察到的物体的行为才能得到恰当的解释。理解平行宇宙是我们尽力理解真实世界的前提。”⑥真实的世界远远大于我们感官所能感知的范围,思想应该超越经验的局限去认识宇宙的性质,而平行宇宙则为我们认识宇宙本质提供了新的视野。

(二)物质本体观念的变革

从古希腊时代,哲学家们就开始对世界的本源进行探究。随着科学的发展,人类所认知的最小单元从朴素的原子论扩展到了可观测的原子,之后又扩展到了基本粒子和夸克。反观后真相时代目前较为流行的两个理论,即弦论和圈量子引力,在物质本体论层面揭示出了完全不同的图景。

从弦论的角度分析关于物质实体的假设,会发现弦论的本体论假设并不连贯,相比标准模型所确立的粒子和场的本体模型,弦论关于物质实体的本体论是非常破碎的。首先,弦论中最基本的本体论假设是用一维的、可以震动的弦取代经典的点粒子,然后又引出了多维空间和超对称。其次,从弦论无法直接推出我们真实宇宙的常数和规律,而是导出了一个多宇宙的本体论图景。最后,从弦论的数学结构看,传统的以物质客体为基础的本体论图景失去了意义。⑦

圈量子引力所处理的对象不是像原子或弦这样的物质实体,而是时空或引力场本身。传统的量子场论中,量子态是闵可夫斯基时空中场的量子激发,而在圈量子引力中,量子态是由自旋网络适当的线性组合描绘的。⑧自旋网络并不对应任何实体,仅代表量子态的相对位置,将网络的节点看作量子化区域,就能为体积等几何量找到合适的算子。因此,从弦论和圈量子引力两个理论所揭示的本体论图景可以看出,传统的、不断还原的、处于时空中的物质本体论图景已不再适用。

(三)时空观念的变革

时空本体论问题的探讨可以追溯至古希腊的自然哲学,亚里士多德将空间理解为类似容器的东西,否定真空,进而否定空间的存在。牛顿力学体系则以绝对时空观为前提。空间和时间是类似于永恒不变的、普适的舞台,容纳着宇宙中所有事物的变化。而莱布尼茨则认为空间是物体之间的关系的集合而并非实体,物体的所有方位都是相对的。如果没有物质的存在,空间和时间就没有独立存在的意义。

狭义相对论放松了对时间和空间要素的严格区分。时空是一个具有洛伦兹度规的四维流形,这个“背景舞台”及其度规性质对所有事物的运动均产生影响。广义相对论则带来了更深刻的变革,引力场具有独立的自由度,舞台本身变成了演员。广义相对论描述的不是沿时间的演化,而是许多变量之间的相对演化。所有的变量都是“民主的”,并没有哪个优选变量是“真正的时间”。时间不再被视为背景参量,而是固定的背景时空结构的一个方面。

到了后真相时代,在处理引力问题时必然会触及对时空的描述,必须要对时间和空间的量子本性给出解释。经典的时空流形作为背景通常是连续的,而量子则意味着离散。在极小的普朗克标度下,时空的流形概念已经不再适用。最初弦论是扰动的量子场理论从点推广到弦来构建的,需要在平坦的背景时空中描述引力场的行为,和经典时空非常类似。后来威滕建议不应当把时空看作绝对的背景,弦的场理论自动生成时空,而且时空存在最小的量子尺度,任何圈都不能小于这个尺度,时空是离散的,故而不存在连续的背景。⑨在圈量子引力中,面积和体积这样的空间变量是量子化的,其基础的空间和时间更像一个组合网络而不是连续的流形。时空的一般状态是具有离散几何特性的态的量子叠加,而不是一些离散的实体的集合。总之,根据量子引力理论所揭示的,普朗克标度上时间和空间都不是连续的,其本质都是离散的,物理世界不存在背景舞台。⑩

(四)量子真相时代延伸到后真相时代的哲学问题

量子真相时代的每个理论都各自存在很多无法解释的问题。量子力学自提出以来一直面临着一个尴尬的状况。一方面,量子力学的数学形式对微观粒子的行为作出了很好的预测和描述;另一方面,量子力学也一直存在着很多严重的、基础性的概念问题。其中最为重要的就是著名的测量问题,即薛定谔猫佯谬。目前有很多种对测量问题的解释,但是都未能给出完美的解决。玻尔的正统解释出于实用主义的考虑,用坍缩假设来解决这个问题,但也付出了巨大的代价:引入了一名外在的观测者或经典测量仪器,成了理论必不可少且不可分析的一个元素,并将测量人为地分解为两个完全不同的动力学过程,这导致了理论根本上的不连贯。经过一个世纪的发展,从现实的角度看,似乎测量问题很难在现有的理论框架下得到解决。那么,测量问题有可能在量子引力理论中得到根本的解决吗?物理学家和哲学家已经做了大量的工作来讨论这一问题。玻姆量子引力论在一些概念和物理问题上,如时间问题、黑洞、宇宙初始奇点等,得到了有意义的应用。(11)彭罗斯提出引力场是导致量子叠加态在变成宏观效应之前坍缩的“触发器”。原则上,这一解释应当给出与标准量子力学不同的结果。不过这些研究都无法对测量问题给出最终的解决办法。

广义相对论本质上是一种经典场论,其解释不像量子力学那么具有争议性。其哲学争论很多都是围绕时空的本性展开的,特别是关于时空绝对性与相对性之间的争论,时空是受到物质的影响,还是由非物质的时空关系所决定?由此又引出了时空实在论与关系主义之间的争论。

(五)后真相时代的哲学问题

首先,后真相时代对一些颇具争议的传统哲学问题给出了确定的答案。其一,关于传统的哲学争论,如芝诺悖论中关于空间和时间的无限可分性有了答案,在普朗克标度上时间和空间存在最小的单元。在圈量子引力中,面积和体积是量子化的,只能以离散的形式出现。在弦论中,弦的片段也是由离散的片段组成,每个弦片段都携带有离散的动量和能量。其二,在圈量子引力中,将世界看作一个随时间演化的关系网络,这种关系不是指空间内部各个事物之间的关系,而是指组成历史的各个事件之间的关系。这些关系决定着空间,而不是空间决定这些关系。(12)这就为我们理解量子纠缠这种强关联性给出了新的思路。其三,我们知道夸克是被禁闭在质子和中子内部,无法自由移动的。一般而言在描述电磁力时,只需假设一种荷,而夸克之间的力则关联有三种荷,而且每种荷都有正负之分,很难对夸克的禁闭现象给出解释。而通过弦模型只需要假设夸克之间由一根长度一定的弦相连,要分开夸克就必须拉伸弦,而这样做需要很多的能量,且无论拉伸多远,夸克之间始终存在着力。这样就对束缚夸克的作用力给出了数学上极为成功的描述。

其次,后真相时代的科学中也新产生了一些哲学问题。主要包括:如何理解微分同胚不变性和对偶性的意义和地位;时间是真实存在的还是如爱因斯坦所说的时间只是一种幻觉;如何理解背景无关性及其在理论中的地位;如何解释超弦与圈量子引力的冲突和联系,将来两个理论是否会走向统一或是被更为基本的理论所替代。对这些问题的思考将进一步促进后真相时代科学的发展。

三、新科学哲学的产生

基于前文的分析,后真相时代科学发展的基本特征已经明晰。在新的问题和形势下,我们的科学可能正在经历一场整体范式的转变。这就意味着,传统科学的整个体系,包括研究内容、研究方法以及认识论都要在新科学范式下经历一场狂风暴雨般的洗礼,而科学哲学作为描述科学基本规律的元哲学理论,也面临着革命与重构。下面将重点对科学哲学中的几个基本问题给出分析。

(一)后真相时代的科学分界问题

后真相时代的科学,都远远脱离了日常经验,无法用过去的经验标准和证伪标准来进行合理的评判。面对弦论缺乏经验检验的现状,在科学界和哲学界引发了极大的震动。2014年12月乔治·埃里斯(George Ellis)和乔·西尔克(Joe Silk)联名在《自然》杂志上发表《捍卫物理学的完整》(13)一文。文章对当前流行的弦论和多宇宙理论进行了分析和批判,指出物理学内部逐渐呈现出一种令人担忧的趋势,面对目前理论经验检验越来越困难的现状,一些物理学家明确提出理论的完备性和解释力就可以证明理论的合理性,不需要实验检验。这样就彻底打破了经过几个世纪建立起来的经验论传统,从根本上改变了科学的定义。该文进一步促成了2015年12月在德国路德维希—马克西米利安大学,“为什么相信理论?反思现代物理学的科学方法论”为题的研讨会,会上物理学家和哲学家围绕弦论的经验检验问题进行了深入而广泛的讨论。对于弦论的争论在物理学领域里,主要集中于在缺乏实验检验的情况下,弦论是否是对客观实在的描述,而不是一个玩具模型。在科学哲学领域的争论,主要在于弦论在缺乏经验验证的情况下发展,是否应该弱化甚至取消经验标准对理论的约束,另外在新的现实条件下应该如何重新构建相应的科学哲学研究。哲学家理查德·戴维德(Richard Dawid)(14)试图用哲学的方法进行辩护,主张用贝叶斯主义的概率方法来对理论的真实性进行评价,并提出了三点非实证的论证,引发了很多争议。(15)

后真相时代的科学分界绝不能放弃经验标准,而是需要积极寻求新的检验方式。除了进一步改进实验手段,还可以从如下思路着手:首先,通过理论结构的等价性进行尺度转换。从量子场论中的经验表明,通过非扰动效应可以改变可探测的尺度,如x可以很小,那么 就很大,因此可以将小尺度的测量值转换为较大尺度的值。对偶性也是同样的道理,可以通过等价性,将一个理论中较难求解的问题,转换到另一个理论中进行求解。其次,通过数学与物理学的统一性和同构性,打通不同的理论分支,从而得以相互印证和检验。上述两种思路,可能会成为后真相时代科学分界问题讨论的新基点。

(二)后真相时代的科学研究范式

科学研究的范式,从狭义上讲,特指在科学研究中形成的特定的处理问题的方式和概念框架。从广义上讲,则泛指科学共同体在科学实践中所形成的理论、组织、信念等多种因素。这里我们仅从狭义的角度来讨论后真相时代的科学范式。在库恩的理论中,新旧范式的转化其根本原因在于实验的反常,即“认识到自然界总是以某种方法违反支配常规科学的范式所做的预测”。(16)而后真相时代的反常则更多的是指理论本身的不连贯,而非实验。后真相时代的科学研究范式,是在实验证据稀缺的高能物理学领域,一种高度概念化、数学化的研究方式。要理解这种范式,必须深入到理论之中,寻找贯穿整个理论的基础性原则。

回顾20世纪,通过对麦克斯韦、爱因斯坦、狄拉克、杨振宁等物理学家研究工作的考察可以看出,对称性原则是整个理论物理学发展的内在动力。从洛伦茨对称性导出狭义相对论;从坐标变换不变性和局域洛伦茨不变性导出广义相对论;电动力学可以表述为阿贝尔规范场,具有局域变换不变性;杨—米尔斯场,是粒子物理的基础,也具有局域变换不变性。(17)同样,新的物理学研究范式也出现了两个重要的原则:对偶性和微分同胚不变性,它们可能会像对称性原理在20世纪物理学所起的作用一样,成为21世纪物理学发展的核心原理。

对偶性,简单来讲就是一种超越理论本身的等价性,两个对偶理论,虽然拥有完全不同的理论形式和时空描述,却描述了相同的物理学。(18)比如,在高能领域,因为其中有很大的能量波动,极不稳定,因此很难计算,但是我们可以先在对偶的低能理论下进行计算,然后通过对偶变换得到高能解。另外,在弦论中,可以通过对偶性将五种不同的弦论统一起来,五种弦论不过是更为基础的M理论的不同表现。从各种新的对偶性和非扰动结果中可以宣告:一种全新的基础理论的框架诞生了。(19)

同样,在广义相对论中,时空微分同胚群起着重要作用,可以将其理解为一种规范对称性。微分同胚是时空的主动变换(active transformations),不变性意味着时空中的点不具有直接的物理意义,唯一具有直接物理意义的是在变换下具有等价类的空间,即如果两种场构型是由一种微分同胚联系起来的话,就认为它们是物理上等价的。通过一组微分同胚约束条件的方程,可以保证理论的背景无关性。

(三)后真相时代的研究纲领

英国著名物理学家彭罗斯指出:“如果我们物理理解的进一步深入无法通过实验来获得,那么就只能越来越倚重于对数学应用于物理的各自可能性和深度的认识,以及通过对数学的精妙和美感的充分鉴赏,来嗅出恰当物理思想的能力。”(20)21世纪物理学的研究纲领将会以数学和物理学的统一为根本标志,两者互为依托,互相促进。在物理学中,构建一个完备的统一理论一直是物理学家们毕生所追求的理想。在这一目标的指引下,粒子物理的标准模型得以建立,之后以弦论与圈量子引力为代表的量子引力研究主导了理论物理学的研究。随着弦论与圈量子引力的发展,两个理论已经有融合的趋势。其一,两个理论中不断地出现很多相同的数学概念和结构。例如:它们所描述的几何特性都是非交换的,而康内斯的非交换几何打破了传统的空间概念,消除了点的概念,可以对相对论、量子论中的很多数学问题给出很好的描述。其二,两个理论虽然都旨在描述普朗克标度上的物理规律,但是两者描述的尺度并非完全一致。可以大致理解为弦的尺度大于圈的尺度,圈描述的自旋网络构成了离散的空间,而由于弦的背景尺度更大一些,因此看上去似乎是连续的。两个理论可能像哥白尼、伽利略、开普勒等人的工作一样,最终由牛顿力学给出统一的形式,每个理论都只是最后统一理论的一个方面。

总之,传统的物理学都是自下而上建立起来的,即首先在每个分支探索,建立一致的理论,然后在不同的理论之间寻求统一。而在“大统一”的背景下,科学家可以通过数学和物理学的同构关联,直接构建一个统一的理论,然后再演绎到各个分支领域。从数学、物理学同构的角度看,数学不再只是物理学家们用来描述物理学的工具或语言,物理学也不仅仅只是关于物质的描述理论,两者共同构成了描述世界的基石。在数学和物理学的统一原则下从事科学研究,可能会成为后真相时代新的科学研究纲领。

以弦论、圈量子引力为代表的量子引力研究,已经对传统的时空、物质观念提出了彻底的挑战,正在从根本层面上颠覆基础物理学研究的根基,新的科学革命必将从这里产生,而现有的传统科学哲学已不适应后真相时代科学演变的趋势,新的科学哲学已初见端倪,必然带来整个哲学史的变迁。从科学哲学的角度看,基础物理学的重大革命往往是以概念革命为先导的。对传统观念的反思与批判将为物理学的革命提供指引,如马赫对牛顿时空观的批判直接启发了爱因斯坦的研究。因此,在后真相时代,在缺乏直接经验检验的大背景下,哲学、物理学、数学的联合将显得尤为重要。霍金曾讲“哲学已死”,物理学家正在做哲学家的工作;物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence M.Krauss)也指出:“物理学需要哲学,不需要哲学家”。话虽过激,但预示着后真相时代的科学哲学一定是对哲学、物理学、数学有着深刻理解的哲人科学家做出的。新的时代呼唤懂物理学、数学的科学哲学大家出现。

注释:

①李新洲、翟向华:《宇宙起源战争》,《科学》2017年第4期。

②相对论和量子力学是独立发展的两个理论,理论本身不存在包含关系,但是从整个时代的发展看,量子力学不论是在应用领域还是对人们的传统观念都产生了更加根本性的影响,因此为了突出该时代的特点,并与前面的宏观真相时代形成呼应,用量子真相时代来进行统称。

③克雷格·卡伦德、尼克·赫盖特编:《物理与哲学相遇在普朗克标度》,李红杰译,长沙:湖南科学技术出版社,2013年,第21页。

④A.Ijjas,P.J.Steinhardt and A.Loeb,"Pop Goes the Universe," Scientific American,vol.316,no.2,2017,pp.32-39.

⑤参见布莱恩·格林:《隐藏的现实》,李剑龙等译,北京:人民邮电出版社,2013年。

⑥德义奇:《真实世界的脉络》,梁焰、黄雄译,桂林:广西师范大学出版社,2002年,第44页。

⑦R.Dawid,"Scientific Realism in the Age of String Theory," Physics and Philosophy,no.11,2007,p.13.

⑧克雷格·卡伦德、尼克·赫盖特编:《物理与哲学相遇在普朗克标度》,第116页。

⑨M.Friedman,"Understanding Space-Time," Study in History and Philosophy of Modern Physics,vol.38,no.1,2007,pp.216-225.

⑩C.Rovelli,"Analysis of the Distinct Meanings of the Notion of 'Time' in Different Physical Theories," IL Nuovo Cimento B,vol.110,no.1,1995,pp.81-93.

(11)克雷格·卡伦德、尼克·赫盖特编:《物理与哲学相遇在普朗克标度》,第30页。

(12)李·斯莫林:《通向量子引力的三条途径》,李新洲译,上海:上海科学技术出版社,2003年,第69页。

(13)G.Ellis and J.Silk,"Defend the Integrity of Physics," Nature,vol.516,no.12,2014,pp.321-323.

(14)R.Dawid,String Theory and the Scientific Method,New York:Cambridge University Press,2013.

(15)赵君、沈健:《实证性与非实证性哲学观点下的弦论辩护》,《自然辩证法研究》2015年第2期。

(16)托马斯·库恩:《科学革命的结构》,金吾伦、胡新和译,北京:北京大学出版社,2015年,第44页。

(17)杨建邺:《杨振宁传》,北京:生活·读书·新知三联书店,2016年,第260页。

(18)高策、乔笑斐:《物理学中对偶性的本体论内涵及其意义》,《自然辩证法通讯》2018年第4期。

(19)克雷格·卡伦德、尼克·赫盖特编:《物理与哲学相遇在普朗克标度》,第17页。

(20)罗杰·彭罗斯:《通向实在之路》,王文浩译,长沙:湖南科学技术出版社,2013年,第731页。

原文地址

原文发布时间:2019/9/26

引用本文:

高策;乔笑斐.后真相时代的科学哲学——物理学哲学的视角http://sxufe.firstlight.cn/View.aspx?infoid=4023708
发布时间:2019/9/26.检索时间:2020/1/21

中国研究生教育排行榜-

正在加载...

中国学术期刊排行榜-

正在加载...

世界大学科研机构排行榜-

正在加载...

中国大学排行榜-

正在加载...

人 物-

正在加载...

课 件-

正在加载...

视听资料-

正在加载...

研招资料 -

正在加载...

知识要闻-

正在加载...

国际动态-

正在加载...

会议中心-

正在加载...

学术指南-

正在加载...

学术站点-

正在加载...