在过去的40年里,物理学哲学已经成为哲学的一个庞大且富有生机的分支,足以在一系列科学哲学手册中赢得其位置。不难理解物理学哲学为何充满活力,正如我们所看到的,有两个主要的原因—一是与所分析的科学哲学的形成期相关,二则与最近年的研究有关。
首先,物理学对哲学分析运动的早期阶段有着巨大的影响。不论是对于逻辑实证主义者、逻辑经验主义者还是罗素(Russell)等人而言,该影响不仅反映了物理学表征了经验知识的一种范式这样一个事实,而且还存在一些更加具体的影响。现代物理学的三个主要支柱——热物理学(thermal physics)、
量子理论(quantum theory)与
相对论(relativity)
——每一个都为哲学争论贡献了具体的理念与依据。在这些影响之中,较为显著的影响如下所述。热物理学与关于原子存在性的科学争论,涉及了实在论与工具主义间的哲学争论,统计力学的兴起则催生了概率哲学。至于量子理论,它在哲学中最为普遍的影响无疑是使得哲学家们承认基本的物理学理论可以是非决定论的。但这一影响仍然有待商榷,因为正如科学哲学家们都知道的(或应该知道的!)那样,非决定论仅仅触及了量子理论最具争议的那部分,即所谓的“波包塌缩”。无论如何,量子理论解释的模糊性不仅使哲学家们、也使像爱因斯坦(Einstein)和玻尔(Bohr)这样的物理学巨人陷入了激烈的争论。这些争论不仅与决定论有关,同时也涉及别的哲学基础,如客观性的本性。最后,相对论(包括狭义的和广义的)革新了时空哲学,特别体现在对新康德主义关于几何本性的学说的威胁。
这些影响意味着,当分析运动成为英美哲学的主流时,对现代物理学的解释就作为其分支学科——科学哲学——的突出主题被确定下来。相应地,随着哲学的发展,物理学哲学也在发展。但自1960年以来,物理学哲学的发展受到了某种哲学之外的因素的影响。也就是说,在物理学自身内部也存在着相当多的对基础问题的兴趣,其结果是给哲学带来了许多启发性的反响。再者,物理学内部的诸多进展对哲学有很多不同的影响。我们相信,最终的结果是:当前基本物理学理论中的基础问题会为物理学哲学提供最为有趣且最为重要的问题。本书论题的选择遵从了这一信念。下一节中,我们将澄清这些基础问题中的一部分,同时介绍本书中的各章。我们将首先在五个标题下讨论这些问题。前三个标题对应于第1节中提到的现代物理学的三大支柱:热物理学、量子理论和相对论;第四和第五个标题关注这些理论的结合,并引向对物理学未来的思索。这五个标题介绍了本书中的绝大多数章节——尽管没有按照章节的顺序进行。在这五个标题之后,我们将介绍本书中的其他两章。自20世纪60年代以来,物理学家团体见证了关于量子理论解释争论的复苏,这些争论曾一度在量子理论的创立者中风行。在一般的物理学家团体中,最有影响力的一个学者无疑是约翰·贝尔(John Bel),这不仅是因为他的非定域性定理及其引发的诸多实验,也因为他对“哥本哈根正统学说”的批判以及他对波导与动力学塌缩非正统学说的同情。但是在更多的专家团体看来,还存在一些激活争论的其他关键性因素。数学物理学家们已经对量子与经典理论间的各种关系有了深刻的理解。自20世纪70年代以来,对退相干(Decoherence)的理解取得了进展,这使得目前几乎所有人都承认退相干在从量子理论中突现经典世界起着至关重要的作用。并且自20世纪90年代以来,已经从解释性的争论,尤其是对量子非定域性的分析中产生出了量子信息与量子计算这些发展迅速的领域。在本书中,迪克森(Dickson)、兰兹曼(Landsman)和巴布(Bub)讨论了这些论题。迪克森回顾了非相对论的量子理论形式体系和一些主要的解释问题,包括经验内容、量子不确定性、测量问题以及非定域性。大体而言,兰兹曼从数学物理学的视角回顾了量子与经典理论之间的关系。特别是,他讨论了量子化的不同途径和对经典极限 与 的严格处理,然而,兰兹曼也讨论了哥本哈根解释和退相干。巴布介绍了关于量子信息和量子计算的一些核心思想和结果,作为背景,他也简要回顾了经典的信息和计算,并在最后给出了些关于量子理论解释的有挑战性的准则。在20世纪60年代以来的几十年里,广义相对论和宇宙学在理论与实验两方面都取得了惊人的发展。而在基础性问题与哲学问题上这种复兴也卓有成效。数学的相对论者在不断深化我们对广义相对论基础的理解。正如在第1节中看到的,早在20世纪20年代就已被意识到广义相对论的基础对时空哲学至关重要。近年来,宇宙学在很大程度上从具有猜测性的事业向真正的科学转变,这不仅带来了与科学革命相近的多种哲学问题,也使得其他哲学问题更加紧迫,例如关于宇宙学中的方法和说明等问题。在本书中,马拉蒙特(Malament)、贝洛特(Belot)和埃利斯所撰写的章节阐述了这些论题。马拉蒙特首先解释了经典相对论,然后他讨论了三个具体论题:狭义相对论中同时性的定义、
牛顿引力的几何化以及
因果结构决定时空几何的程度。
贝洛特的主要目的是对经典广义相对论中出现的“时间难题”给出个清晰的陈述。为了做到这一点,他首先回顾了在更简单的经典理论(包括力学)中时间的表征方式。(因而贝洛特的这章补充了巴特菲尔德的那章:不仅解释了经典哈密顿理论的各个方面,也强调了其中的某些方面是如何在量子理论中再现的。)埃利斯首先回顾了相对论宇宙理论的现状及其观测基础,然后研究了九个哲学主题——包括人择原理(anthropic principle)和多重宇宙存在的可能性。对三大物理学支柱(热物理学、量子理论和相对论)中产生的一些基础性问题和本书中相应章节的介绍就到这里。我们转向由这些支柱——或不如说由其部分——结合而产生的问题!我们已经勾勒出前两个支柱的结合,即由埃姆什回顾的量子热物理学。在这里我们必须提及的是后两个支柱——量子理论和相对论——的结合。我们将在分别对应于狭义相对论和广义相对论的两个标题下讨论该问题。当然,前一个标题对应于量子场论,它构成了粒子物理学深刻且成熟的理论框架;后一个标题对应于引力的量子理论,不幸的是它仍然只是个希望和目标。①尽管有确定粒子数的相对论量子力学理论,但到目前为止,结合了量子理论与狭义相对论的最重要的理论框架仍然是量子场论。泛泛而言,量子场论的基础问题不同于量子理论的传统解释问题,如测量与非定域性(参见上文.节,量子理论)。这里有两点区别：(1) 尽管量子场论与基础量子理论一样阐明了传统的解释问题,但它显然不能为这些问题提供解决方案。测量问题和非定域性的谜题直接来源于量子理论的幺正性(unitarity)和张量积(tensor-product)特征,这并不受量子场论中引入的外部数学结构与物理理念的影响。②相应地,对大多数人来说,在非相对论量子理论中追问传统的解释问题似乎是明智的:如果你在一个简单的背景中确定了一个问题,又确信它不是由于背景的简单性而产生的,当然明智的选择就是在那里解决它。(正如本书中迪克森和兰兹曼的章节中所表明的,那个背景绝不是“真正简单的”:非相对论的量子理论以及它与经典理论的关系,提供了大量用以研究的错综复杂的结构。)①我们关于三大支柱的图像引起了这样的问题:热物理学和相对论的结合是什么?在爱因斯坦的狭义相对论理论获得了认可之后,当务之急是修改经典物理学的不同分支,以使得它们能够正确地相对论化。在热动力学情形中,该方案产生了关于热、温度和熵这些热动力学量洛伦兹变换特性的争论,这种争论一直持续到20世纪70年代,关于该争论的综述见[iu(刘),1994]。对于经典的广义相对论理论,现在不存在包含“宇宙的引力熵”的统计力学,且似乎也不可能有这样的理论。但众所皆知,热物理学的理念可能会在所期望的引力量子理论中扮演一个关键的角色。例如,在黑洞热动力学、盎鲁效应(Unuh effect)和霍金辐射(Hawking radiation)中有一些迹象。这些论题在罗韦利(Rovelli))的章节中有简短的讨论。
②从某些视角来看,相对论的量子场论使得测量问题变得更棘手。在非相对论量子力学中,态向量的塌缩被假定是瞬间发生的;因而,在相对论情形中,人们也需要提出某种恰当的类似情形。另一方面,普通量子力学的模态解释它被论证为最有希望为量子测量的非塌缩提供说明——在相对论量子场论中面对着无法克服的障碍,见[cion(克里夫顿),2000]和本书中霍尔沃森(Halvorson)和缪格(Muger)所撰第八章的第5节。
(2)另一方面,存在许多量子场论特有的基础性问题。或许最显著的问题包括:粒子的本性(包括局域化论题),
重整化(renormalization)的解释,
规范结构的解释,
正则对易关系(canonical commutation relation)的幺正等价表示的存在性。
在本书中,特霍夫特('tHooft)和霍尔沃森与缪格讨论了这些论题。首先,特霍夫特从粒子物理学的视角对量子场论进行了权威性的纵览。论题中阐述了以下问题:标量场和旋量场的量子化、
费曼路径积分(Feynman path integrals)规范场与希格斯机制(Higgs mechanism)的理念、
重整化、渐近自由和禁闭。
霍尔沃森和缪格借助代数量子场论工具,讨论了一组小而独特的基础性问题(所以他们对代数方法的使用与埃姆什和兰兹曼二人的应用相辅相成)。他们讨论了粒子和定域化的本性、非定域性、量的赋值(即测量问题)和单个时空点上量子场的可定义性。但他们把更多的精力都投入到了超选的多普利克尔一哈格一罗伯茨理论(Doplicher-Haag-Roberts theory)中。该理论为量子场论的关键结构——尤其是表征集、场与可观测量代数间的关系以及规范群——提供了深刻的认识。最后,我们转向量子理论与广义相对论的结合,即寻找引力的量子理论。这里当然不存在成熟的理论,甚至关于建构一个成熟理论的最好方式也没有达成一致意见。相反,存在着多种研究方案,这些方案在技术目标、动机和概念框架上各不相同。在这种情形下,关于“组分”理论的各种基本问题就有了新的理解。例如,或许量子引力会否定正统量子理论的幺正性,因而顺便也解决量子测量问题。广义相对论中的广义协变性,即微分同胚不变性(diffeomorphism invariance)是否提供了时空的终极量子本性方面的重要线索？在本书中,罗韦利讨论了上述的相关问题。他同样也介绍了其他论题的具体情况:例如该主题的历史、目前的两种主要方案(弦理论和圈量子引力)以及量子宇宙学。埃利斯的那一章仍然是对量子宇宙学的讨论。这样一来,再加上他确实提出了关于“终极”物理理论观念的其他基础问题,故他这一章很自然是对罗韦利那一章的补充。上述介绍了对应于现代物理学三大基础支柱或者它们互相结合的几个章节。下面我们将转向对本书余下两章的介绍。我们的意图是提供这样的章节:其讨论的内容能架起连接物理学理论间(甚至三大支柱间)鸿沟的桥梁。在我们看来,对于这样一个跨领域的讨论而言,这些连接各种可能的主题中最恰当的两个就是决定论和对称性。①①其他好的论题包括时间之箭或不可逆性(irreversibility)和物质的构成。但加上有关这些或其他跨领域论题的章节会使得本书过长。相应地,厄尔曼(Earman)讨论了决定论在多种理论中的情形,他的案例涵盖范围包括从经典力学到量子引力的提法。他也提到了决定论和其他问题的关系:尤其是可预言性、时空的本性以及对称性。在经典物理学中的对称性方面,布拉丁(Brading)和卡斯特拉尼(Castellan)进行了全面的回顾。在其他论题方面,他们讨论了以下内容:居里原理(Cuie'sprinciple)、群理论进入物理学的过程、正则变换理论、广义相对论的广义协变性以及诺特定理。迪克森埃姆什、霍尔沃森和兰兹曼这些人的章节中也讨论了量子物理学中对称性与不变性的各个方面。尽管如此,关于这个复杂的论题仍缺少一个概要性的综述,我们希望将这个任务留给读者。我们用两段评论来总结一下对各章的介绍,从而给那些可能因本书的巨大篇幅望而却步的读者一些勇气。首先,在我们看来,物理学哲学与物理学之间很显然并不存在清晰的界线。所以,不必惊诧于物理学哲学中一些最高水平的工作是由物理学家们完成的(这可以从本书的部分内容得到印证)。对此我们不仅不必感到惊奇,反而应该乐于接受这一事实。相反地,对于受过传统训练的哲学家们来说,物理学哲学家们的工作看起来更像是物理学,而不是哲学。但对我们来说,也不需要为学科间模糊的界线而担忧。相反,它给哲学一个充实自身的机会。并且反过来看,哲学家们希望物理学的基础、甚至物理学哲学能够成为物理学启发性思想的源头,或至少是,当前物理学家们在基础问题上的兴趣为物理学哲学家们与物理学家们进行卓有成效的讨论提供了机会。但是我们承认对哲学的丰富没那么容易。专业资料的掌握通常很困难,于是对此的需求就会成为进入物理学哲学的屏障。在规划本书时,我们对该问题的回应当然不是试图以牺牲学术性并给出虚幻的希望为代价降低门槛,恰恰相反,我们的策略是让每章都尽可能地专业并且完整地囊括他们所选择的论题。所以,对于读者,我们只能说：最后,我们想以对基础物理学现状做出两个相关评论的方式来为本书的展开作铺垫。虽然对于哲学家而言,做这样的评论可能显得有些天真或自负,但我们相信值得冒这个险。因为我们认为,当前基础物理学的结合对来自哲学反思的贡献异常地开放,从我们的评论中可以很明显地看到,它们在共同邀请读者做出这样的贡献!第一个评论是关于当代物理学的惊人成功,第二个评论则指出仍存在许多需要理解的地方这一事实。首先,我们要庆贺近代物理学非同寻常的成功,特别是量子理论和相对论。我们这样做是要强调：相对论和量子理论的基本假设在其适用范围中被证明是如此地成功,这远远超越了他们最初的预期,这是多么偶然却也确实令人惊诧的事实。为什么1905年爱因斯坦的狭义相对论为电磁学引入的新时间几何学可以推广到力学、热力学和其他物理学领域中?为什么为原子尺度()系统创立的量子理论可以同样出色地用于更小的(相当于钙原子核半径()和更大的(与超导体与超流体尺寸相当,大到量级）尺度?事实上,20世纪的物理学史基本上就是相对论与量子革命的合并史,即它们的基本假设被成功且更广泛地应用的历史。当我们考虑超出地球物理学的范围时,这一点也运用得同样出色。主要由一个人创立、受概念性考虑(其中部分是纯哲学的考虑)而激发的理论在各种各样的天文学情形中被实验精确证实。这些情形从太阳系中的弱引力场——这里广义相对论很好地解释了水星近日点的微小进动(每世纪43角秒),这在牛顿理论中没有得到解释;到远距离双脉冲星中10000倍强的场——近二十年来这为被广义相对论所预言并长期寻找的现象(引力辐射)提供了有力的证据(虽然是间接的),再到奇异天体,比如黑洞。但并非只有广义相对论是这样,将量子理论应用到天文学中也非常成功,显著的例子就是,运用核物理学提出精确而详尽的关于宇宙早期的核合成、恒星结构及其演化的理论。事实上,在相对论和量子理论的成功之外,也存在着更为一般的情形,即我们尝试去习惯科学所揭示的自然中的各种各样的统一性——以至于忘了科学理论是多么的偶然和令人吃惊。当然,并不只是我们这个时代才具有这种倾向性。例如,19世纪的物理学确证了牛顿引力定律也适用于太阳系以外,并(通过光谱学)发现地球上的元素在星系中也存在。这些发现当时看来很不可思议，但很快就被接受并纳入受教育人群的“常识”中。现在的情形也类似,近几十年物理学的许多不同的成就,都揭示了自然的统一性。这些成就为(i) 时间和空间上遥远的距离尺度,与/或(ⅱ)迥异于我们通常实验室尺度(如能量、温度和压力等量的特征量)上的现象建立了非常准确的模型。这些统一性的普遍理论的案例,即那些长达200年的案例有场概念的普遍有效性,更具体的有最小作用原理的普遍有效性。至于更为现代与具体的(也确实引人入胜的)案例,可以考虑我们关于超新星的精确而详尽的模型,因为可借助于现代望远镜技术出色的功能对单个(甚至是其他星系的)超新星做观测和分析来确证模型。然而,我们暂且不必自鸣得意,更不用说信心满满了!如今物理学充满着未竟之事一一在人类的探究中总是如此。但更重要的一点是,天边尚有乌云。正如在19世纪末经典物理学面对的反常一样,这些乌云很有可能成为世纪物理学持续成功的巨大威胁。当然,对何种问题感到不安因人而异,并且在那些令人不安的问题中,人们对于哪些是目前足以解决的或至少是值得解决的也有分歧。作为哲学家,我们是多面手,所以我们很自然地觉得上述提到的种种基本问题都令人不安。但作为多面手,我们当然会尝试避免去判断哪些最易于求解,或哪些最值得求解!不论如何,这些判断很难裁定,因为一个人的知性气质以及知识背景或兴趣的偶然性,在这些裁定的形成中起着主要作用。现在我们回到第2节中的一朵“乌云”——一朵明显需要哲学反思并且可能是哲学贡献的乌云——并以此结束引言。这朵“乌云”就是量子引力问题,或者说是广义相对论与量子理论需要重新调和这一事实。正如在2.5节中提到的,罗韦利讨论了“组分”理论截然不同的概念结构和对它们解释的持续争论是如何促成量子引力相互矛盾的基本方法的。但在这里我们想强调在付出巨大努力和智慧之后却仍缺乏一个成功理论的另一个原因。简而言之,是相对论和量子理论的成功(已在上述评论.中展示过)共同剥夺了我们获取相关实验数据的机会。因而,预期量子引力的特征性数据仅产生于能量如此之高(相应地,距离和时间如此之短)以至于对我们来说完全是不可实现的区域,这是合理的。用长度来表达则是:普朗克长度值大约是 ,我们希望这是量子引力的特征尺度。这确实是非常小的,原子、核子、质子和夸克的直径分别约为 我的、 、 和 。所以,普朗克长度到夸克直径(它的上限)的数量级与夸克直径到我们熟悉的厘米的数量级相同!我们现在可以看出,量子引力研究是如何在某种意义上受到了相对论和量子理论成功的限制。因为那些成功提示我们,即使在我们可以达到的最高能量下也不会看到任何意味着量子引力的“新物理学”。
从我们作者的视角看这是有价值和有意义的(也是人们希望的),但从那些今后的读者的角度看来这却是真知和谬误的大杂烩!置顶星标好文不错过
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