物理

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

物理

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。



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。


M理論家族


在終極物理定律的探索裡,弦論是最有希望、爭議也最大的。1970年代,弦論首先被提出來,它試著將自然界的所有作用力整合到一致的框架裡,特別是將重力放入量子物理中。不過,在1990年代早期,物理學家發現弦論有一個很糟糕的問題:有五種不同的弦論,這讓那些擁護弦論是唯一萬有理論的人有點難堪。1990年代中期,研究人員開始發現這些不同的理論(以及另一個稱為超重力的理論)其實描述著同樣的現象,這給了他們一些希望,或許終能得出統一理論。的確,這些理論藉著物理學家所稱的「對偶性質」而有所關聯,這種性質就像數學字典,將觀念來回轉譯。不過,唉,每個理論都只有在特定的條件範圍內(例如低能量時)才可以良好地描述現象,沒有一個足以描述宇宙的各個面向。


弦論學者現在認為,這五種不同的弦論只是一個更為基本的「M理論」的不同近似。(似乎沒人知道M代表的意思,它可以是master、miracle、mystery,或三者皆是。)人們仍試著解析M理論的本質,不過以單一理論描述自然的這種期望似乎再也站不住腳,為了描述宇宙,在不同的情況下我們必須使用不同的理論。因此,M理論不是一般的理論,而是一個理論網絡,有點像一張地圖,要在平面上忠實呈現整個地球表面,必須使用很多張地圖,每一張只涵蓋一部份區域。地圖間彼此重疊,在重疊處則顯示相同的地貌。同樣的,M理論家族裡的不同理論看起來或許差很多,但可以是某個共同理論的不同版本,而且在重疊處會有相同的預測,雖然沒有一個版本適用於所有情況。


當我們有了一個世界的模型,而且發現它很成功,我們自然會認為這個模型具有實在性,或絕對的真實。但是就像金魚的例子,M理論顯示出同樣的物理可以用不同的模型描述,每一個的基本要素及概念都不同。為了描述宇宙,或許在不同的情況下我們得用不同的理論,每個理論有著不同版本的現實,不過根據模態實在論,這種多樣性是可被接受的,而且我們不能說哪一個版本比其他的更真實。這並非物理學家對自然理論的傳統想法,也和我們日常對實在性的想法不符,不過宇宙可能就是這樣。


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