電磁場真的存在嗎?-科學人雜誌
形上集

電磁場真的存在嗎?

2009-06-01 高涌泉
- 精確的古典電磁場就和精確的粒子軌跡一樣,都不存在於微觀世界中。


最受物理學家喜愛的報導性月刊《今日物理》,在5月號刊登了美國康乃爾大學退休物理教授摩明的一篇專欄文章〈這個習慣不好在哪裡?〉,再次談論起科學哲學家爭辯不休的問題。摩明所謂不好的習慣指的是「物理學家喜歡把他們最成功的抽象概念當成是世界的真實性質」,這個習慣正是科學哲學家所稱的「科學實在論」,而「科學實在論vs.反實在論」也即是科學哲學的核心問題。摩明是見識很廣的人,很清楚「真實與抽象之間的界線」是個存在已久、沒有簡單答案的老問題,但現在卻站出來鮮明地反對科學實在論,令我有些訝異。


翻開任何一本科學哲學課本,都會看到科學實在論者的主張:(1)科學理論所談論的對象(概念)是真實的,例如電子真的存在;(2)這種存在性是獨立於我們心智的;(3)科學理論的陳述是否真實有其客觀標準;(4)科學理論的真實性取決於它是否對應到關於這個世界的事實。反之,反科學實在論者就認為成功的科學理論只不過是目前最好的說法而已,並不反映自然的真相。


絕大多數科學家毫無疑問都是科學實在論者,他們相信DNA、夸克、電子、光子真的存在,而且科學理論的確描述了自然的真實狀況。那麼為什麼摩明會勸告物理學家戒掉這種習慣?主要的理由是我們所熟悉的概念與語言,完全不能用於微觀世界。譬如說,當前最佳的科學理論「量子場論」雖然可以讓我們計算出極精準的結果,但卻只能以非常抽象的數學表達,若我們不僅把它看做是有用的數學工具,就得接受以下荒謬的世界觀:這個世界是由「作用於無窮維度的希爾伯特空間的連續算符場」所構成!


摩明舉了許多例子來支持他的「工具論」說法。首先,他說量子場論的簡化版──量子力學以波函數來描述微觀粒子的量子狀態,可是N個粒子的波函數和古典電磁場不一樣,不是三維空間中的波,而是3N維(因為每個粒子需要x、y、z三個座標來描述其位置,N個粒子便需要3N個座標)組態空間中的場。假設我們硬要將此波函數當成某種真實的、能夠引導粒子在3N維空間中前進的場,那麼我們就得花上不必要的工夫,去討論高維空間中的軌跡,而最終所得的結果卻只是和我們把波函數單純當做計算工具一樣罷了。也就是說,把波函數想像成真實的東西會帶來無謂的負擔。


另一個例子是電磁場:法拉第與馬克士威的電磁場其實只是量子電磁場的古典極限,不適用於所有的狀況,例如光子的性質就無法以古典電磁場說明;精確言之,量子電磁場是計算工具,可讓我們計算出各種電磁場(或光子)出現的機率。精確的古典電磁場就和精確的粒子軌跡一樣,都不存在於微觀世界中。


摩明當然不是第一個強調科學實在論有缺陷的科學家,他的觀點波耳早表達過,例如波耳曾說:「我們描述自然的目的不在於揭露自然現象的真實本質,而只是要盡一切可能地找出我們各種(關於自然的)經驗之間的關係。」這雖是量子力學中所謂「哥本哈根詮釋」的基本思想,但卻是愛因斯坦萬萬不能認同的──他堅信科學家的理想就是發掘自然的客觀真相。過去30年來,愛因斯坦的觀點越來越受歡迎,彷彿大家已厭煩了哥本哈根詮釋的宰制,所以我相當驚訝摩明的「回歸正統」。


不過摩明在文章最後這麼自我解釋:「我年輕的時候,並不同情波耳的哲學主張。例如我就在一篇對於波耳哲學文章的評論中說『我忍不住想猛力推搖作者,要求他把事情講清楚一點』,但是在我邁向晚年之時,我卻體認到波爾的想法確實含有深奧的智慧。」他最後強調:「波耳的觀點對於無論是古典或量子物理都適用,只是在古典物理中,我們比較能夠說服自己,這些為了理解自然所設想出來的概念,本身也是自然的一部份。但量子力學讓我們體認到必須將美妙的抽象結構和真實分隔開來。」


# 關鍵字:名家專欄物理形上集
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