霍金看萬有理論

長久以來,物理學家一直在尋找可統合所有物理的萬有理論。不過,這恐怕不是僅以一個理論就可解決的。
撰文∕霍金(Stephen Hawking)、曼羅迪諾(Leonard Mlodinow)
翻譯∕張明哲

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。

【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2010年第105期11月號】

 

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雲竹小棧

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