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              曹天予:2050年愛因斯坦還會是物理學的英雄嗎?

              原創
              物理 愛因斯坦
              返樸

              本文為作者在2005年第22屆國際科學史大會(大會主題為“全球化與多樣性”)上的報告。

              撰文 | 曹天予(波士頓大學哲學系教授)

              翻譯 | 蘇俊斌

              在1905年,愛因斯坦是物理學領域的一名英雄。他對量子理論、狹義相對論、以及布朗運動的開創性貢獻被公認是英雄式的貢獻,盡管在那一年,這種承認尚未來臨:他仍然是瑞士專利局的一位低級辦事員。但承認很快到來了。人們有把握聲稱,愛因斯坦已經被公認為20世紀物理學最偉大的英雄,或者甚至是20世紀最偉大的科學家。本次大會本身就是證明:楊振寧在開幕式上所作的大會演講,其主題就是愛因斯坦。在完成愛因斯坦未竟事業即建立物理世界統一理解的事業的意義上,楊振寧視自己為愛因斯坦的繼承者,很多其他物理學家也是這樣看他。本次大會有好幾個關于愛因斯坦的大會演講,我沒有完全統計過有多少篇關于愛因斯坦的文章提交給本次大會。不論如何,無須贅述這種沒有爭議的主張。那么,到2050年,愛因斯坦在物理學上的地位又會怎樣昵?這是我現在要講的題目。

              這次大會總的主題是全球化和多樣性。在一個重要的意義上,全球化勢必導致同質化 (homogeneization)。通過翻譯和傳播,愛因斯坦現在不僅是德國的或者瑞士的,或者歐洲的,或者美國的,或者西方的英雄。在中國,在印度,在巴西,他也被看作英雄,一名真正的全球英雄。既然沒有人能夠有任何辦法阻止在人類行為不同領域里正進行著的全球化進程,這意味著到2050年,世界將比現在更為同質,而這似乎向我的問題提示了一個答案,一個使我的談話變得毫無趣味的答案。

              但還有多樣化呀?人們會回答:文化多樣性,也許有;經濟和政治多樣性,沒有!這正是歷史終結的觀念。我不相信歷史終結的論題,我不認為現存的、多樣化的經濟和政治結構,將通過盎格魯--撒克遜模式對全世界的征服,而匯聚到一種同質的結構模式。不過這里不是討論這一問題的適當場所,所以讓我轉到另外一個問題:科學是文化的一部分嗎?當然是的。但是有人會警惕起來并且爭辯說,即使科學是文化的一部分,它也是一個具有最大普遍性的部分,文化中具有全球特性的部分;它完全不同于文化的其它部分,例如宗教或道德教義,或者是用藝術方式來表現人類情感或反省生存困境 (existential dilemma);文化中的這部分,即使在全球化時代,如果它們強壯得足以對抗美國通俗文化的征服力,仍然可能保持多樣化的存在形式。但是,科學真的不同于文化的其它部分嗎?為什么?

              你可能要抗議:所有這些都是陳詞濫調!告訴我們這跟愛因斯坦有什么關系?行!其間的關系看起來似乎膚,其實不然。首先讓我指出一種平行關系:全球化和多樣性在一邊,對稱性和對稱破缺在另一邊,二邊之間存在著平行關系。平行關系的兩邊互為隱喻互相支持。如果我們記得隱喻是文化思想和科學創造性的最終源泉的話(想想達爾文借用馬爾薩斯的經濟原則),它甚至不僅僅是概念框架的一種原型,而且是一個時代的思維風格 (a kind of style of reasoning of an era) ,這種思維風格表征著那個時代人們感知并思考世界的方式。

              因此,如果一方面我們發現人類活動越是全球化,其活動方式就越具多樣性(不僅在文化領域,而且在政治和經濟領域:想想現在中國、俄羅斯和印度的政治和經濟發展模式),而另一方面,我們也發現,對稱性越大或者取得的統一性覆蓋的領域越是巨大,人們就越想找到并總是發現更多的對稱性破缺(想想電弱理論和希格斯機制以及對希格斯粒子的搜尋);那我們對科學和文化的其它部分之間的深層聯系也許能做出更為正確的評價。

              確定了用全球化時代思維風格作為評價愛因斯坦的依據之后,現在來討論愛因斯坦這個主要題目。

              什么是愛因斯坦對物理學最重要最持久的貢獻?愛因斯坦對物理學做出了許多貢獻。這些貢獻是偉大的、革命性的,它們具有深刻的歷史意義。對此人們并無爭論。但是,他的大多數貢獻已經隱人背景,很少有人會真的求助于愛因斯坦來指導自己的研究。當然,馬丁·克萊因(Martin Klein)教授會爭辯,愛因斯坦的光量子觀念是偉大的和革命性的??墒呛I?、薛定諤和狄拉克又怎么樣呢?與此類似,愛因斯坦對原子存在的解決是偉大的。但是由創立量子色動力學(QCD, quantum chromodynamics)的那些人做出的有關夸克存在的類似解決又怎么樣呢?我的判斷是,如果愛因斯坦做出了所有其他的貢獻,但是沒有就對稱性和統一性進行探討并取得某種成功,然后鼓吹這個探討由于目標崇高而值得從事,那么愛因斯坦將不可能抓住20世紀以及迄今為止如此眾多偉大物理學家的想象力,不可能被看作是一位值得崇拜的科學偶像。

              愛因斯坦最終采用彭加勒對稱性成功地統一了力學和電動力學;他還用一般協變性 (general covariance或diffeomorphism invariance) 這種更為廣闊的對稱性,成功地統一了慣性系和非慣性系。但是愛因斯坦卻不能統一引力和電磁力。對他而言,這是一個悲哀的故事甚至是悲?。簽榱藢崿F統一性的夢想,這個天才奉獻了他最后30年的時間和精力而沒有取得任何真正的成就。但他的想法在那兒。而這個想法激勵了其他人繼續前進。楊振寧和米爾斯(Robert L. Mills)接過了火炬并舉著它繼續前進。對統一性的追求進人了一個新階段,標準模型的階段。標準模型令人驚嘆不已。但是沒有人知道怎樣使標準模型成為一個真正的統一理論。是的,弱相互作用和電磁相互作用可以用統一的方式進行處理。但是怎樣才能使描述強相互作用的量子色動力學和電弱理論統一起來昵?誰也不知道。隨后這火炬被弦理論家們,特別是愛德華·威滕(Edward Witten),接了過去。對統一性的英雄式的追求仍在繼續進行,但是聲稱的進展在我看來卻相當可疑。

              你可以說,部分成功也還是成功。但是我對這種追求有更嚴厲的批評。

              首先,對統一性的任何探討,通常是通過探索越來越大的對稱性來進行的??墒侨绻麤]有相應的對于對稱性破缺的探討,那么對于統一性的探討,在加深我們對物理世界的理解上,就只有非常有限的意義,雖然它可能為我們提供一些美麗的數學建構。電弱理論的最令人信服和最美麗的方面之一是它的希格斯機制,沒有希格斯機制,我們將只有猜想而沒有物理理論。我說沒有物理理論指的是我們沒有任何理論手段來處理實驗上可能得到的數據。

              其次,統一性探討預設了并蘊涵著還原論。還原性的追求值得尊重。沒有還原,在一個層次上發生的事情就不可能從更深層次上發生的事情來得到解釋。但是還原性的追求必須以背景知識(knowledge of the context)來補充。只有在特定的背景中,較低層次實體的行為才會導致較高層次上事件的出現。這些背景知識通常無法還原為只涉及較低層次實體行為的知識。相反,它通常與較低層次組分的特定結構的整體特性有關。也就是說,如果沒有有關背景的整體知識的補充,僅有還原性知識,不足以對任何層次上的現象提供因果解釋。還原論更嚴重的問題在于“脫耦 (decoupling) ”所導致的關于較低層次的知識可能與較高層次的現象無關。在夸克膠子層次上發生的事情對化學層次上的現象極少或者根本沒有任何影響。在理解較高層次實體行為方面,脫耦觀點對還原性知識是否相關設置了嚴重的界限:這些較高層次實體的行為主要由其背景所規定。當然,如果還原性知識能補充以有關較高層次實體于其中顯現的背景的整體知識的話,它對理解較高層次實體的構成方面仍然有用。應當指出,脫耦并非與對稱性破缺無關。實際上,脫耦的邊界通常由引起對稱性破缺的粒子的質量尺度所設定。

              第三,還原和統一涉及不同的能量尺度。統一和還原的最有吸引力的特征之一是不同尺度間的物理學互有聯系。這種聯系甚至可以用數學上的重整化群來描述??墒沁@里一個深層的問題出現了:一個尺度范圍內的物理學通常不同于另一尺度范圍內的物理學。因此重整化群描述的聯系本身,并不能用來避免理解物質世界等級結構的艱巨使命。而且,如果我們能夠沿著重整化群聯系的兩個方向任意移動的話,那么哪個尺度上的實體比其它尺度上的實體更基本就成為不可解決的問題。這一情況對還原論沒有好處。

              所有這些都是發生在二十世紀后期高能物理學中的進展。它們與愛因斯坦有何相干?回答如下。上述討論已經明確地顯示了,愛因斯坦的概念資源非常有限。他的主要指導觀念是統一性和對稱性。除了只言片語和未經斟酌的想法之外,愛因斯坦對于對稱性破缺缺乏深入的理解,至少沒有對它的重要性予以足夠的重視,可以肯定的是,他根本不知道怎樣去理解它,怎樣去發現實現它的機制。當然,這不是他的錯,這是他所處時代的局限。物理學當時還沒有成熟到足以理解對稱性破缺的重要性并探索它的含義。盡管如此,上述討論足以表明,愛因斯坦的概念資源,甚至對于20世紀后期的高能物理學來說,也已經難以敷用。類似的結論也能從(與背景知識、脫耦和重整化群相關聯的)還原論的局限性中推導出來。簡而言之,可以說愛因斯坦確實令人贊嘆,因為他留給我們一筆用對稱方法追求統一性的遺產;但是對一些前沿物理學家而言,愛因斯坦的遺產又顯然不夠用,因為他在理解差異性方面沒有提供任何指導:只有在對稱性破缺、脫耦和重整化群等觀念的引導下,人們才有可能理解差異性,而所有這些觀念,都在愛因斯坦的視野之外。

              就(可能持續到2050年甚至超過2050年的)全球化時代思維風格而言,我們可以說,愛因斯坦是全球化中同質性而不是多樣性的文化象征。把這一點確定下來以后,人們就能夠根據自己的立場和偏好對愛因斯坦在2050年的地位給出自己的估計。愛因斯坦在2050年的地位,在很大程度上取決于全球化中同質化勢力與多樣化勢力間的相對力量消長:因為正是這些勢力將制約人們的興趣,或者去追求統一性,或者去追求多樣化。

              我們還可以用一種更為物理的方式,而不是根據宏大的時代思維風格,來推測愛因斯坦在未來物理學中的地位。

              首先應當指出,僅僅根據對稱性和統一性原理來概括愛因斯坦的成就,會造成誤導和錯覺。用這些原理來表述的所謂的愛因斯坦遺產,不過是二十世紀晚期一些高能物理學家的社會建構。這些物理學家想借用愛因斯坦的威望,來為建造他們自己的萬物統一理論(unified theory of everything)這一目標服務。而實際上,愛因斯坦在物理學方面的成就,主要來自他對作為一門經驗科學的物理學的進展的回應;這種回應在某種程度上也表達為他對經驗主義認識論的承諾。當然,他想以一般概念來理解物理現象的內在沖動,也在他發展自己獨特的理解方式時起了某種作用。不管怎樣,要是沒有電動力學的迅速發展,很難想象他如何能夠發展出光量子理論和狹義相對論。即使在廣義相對論這一所謂的愛因斯坦遺產的典型例子中,當愛因斯坦及其許多跟隨者聲稱,毫無經驗輸入作為基礎,僅憑對普遍原理的純粹理性追求,就導致了廣義相對論的發現,這與實際情況卻并不相符。就其物理本質而言,廣義相對論的真正成就,是通過把時空結構看作物理力的表現,從而使時空結構具有動態的特征。并且這種探討之所以可能,只是因為愛因斯坦受到了一位杰出的物理學家和經驗主義哲學家恩斯特·馬赫(Ernst Mach)的引導。根據馬赫的想法,慣性并非空間本身的屬性,而是取決于物質的分布。實際上,在廣義相對論早期,愛因斯坦自己就一再確認,廣義相對論的精神之父是馬赫,并且馬赫本來可以在他之前幾十年就發現廣義相對論。馬赫對于對稱性沒有任何概念。他關心的只是物理力,而正是這種關心導致愛因斯坦將時空結構引力化。

              其次,在一個很強的意義上,我們可以斷言,愛因斯坦的思考仍然局限于牛頓力學的范式之中。這里我想說的是,他所考慮的主要還是空間、時間、力和場。當然,當他應用(處理集體行為的)平衡和漲落觀念時,他也觸及到了熱力學和統計力學。但是,愛因斯坦并沒有認真想要理解集體行為的機制,或者想要理解這些不受(支配集體中單個實體行為的)規律支配的集體行為(比如說熱漲落)的本性及其本體論地位。同樣的,盡管愛因斯坦對于闡明量子物理學的特殊統計本性做出了重要貢獻,并且他本人的名字就與一種特殊的量子統計(玻色一愛因斯坦統計)緊密地連接在一起,但是他本人在理論上的承諾,卻仍然是使用牛頓力學這種經典物理的語言來描述物理現象。

              因此,從物理概念上講,愛因斯坦并沒有給理解量子物理中很小的基本實體的行為的性質和規律留下任何遺產。另一方面,他也沒有為理解(不管是否具有量子本性的)復雜性結構如何從單個實體的集體行為中突現出來留下任何遺產。愛因斯坦留給我們的,實際上只是一種更為精致的(處理空間、時間、力、場和決定論性單個實體的)牛頓框架而已。

              考慮到當今活躍在前沿研究的物理學家的關注(對稱性破缺,復雜性結構的突現,等等),并假定這些關注不會因為還原論的另一次成功(例如成功地把量子力學還原到經典力學,或者把復雜性結構完全還原為單個實體行為的結果)而消失,那么可以相當有把握地預期,到2050年,愛因斯坦將在物理學上隱人背景,而不再是理論物理學和物理學前沿上的超級英雄。當然,愛因斯坦在物理學上肯定還會是一名英雄,就像開普勒、伽利略或者牛頓在物理學上仍然是第一流的英雄一樣,但到那時,愛因斯坦不大可能再是像楊振寧或者威滕所斷言的那樣,繼續為物理學的基本研究提供指導精神。

              在聯合國提議為物理年并且其象征人物當然是愛因斯坦的今年,我非當不愿意在這次把愛因斯坦當作英雄來崇拜的大會上,對愛因斯坦做出這樣冒犯的預言。但是我從理查德·費曼(Richard Feynman)的一個評論中得到了鼓勵。當費曼有一次也處于為將來做預言的相似情形時,他說過,預言未來實際上并不像實證主義者所設想的那么危險。這些實證主義者爭辯說,你的預言不可能得到確證。但實際上,如果你記得卡爾·波普爾 (Karl Popper) 的教導的話,你會覺得非常安全。如果你的預言涉及遙遠的將來,那你的聽眾里將沒有任何人能夠證偽你的預言?;蛟S,2050年遙遠得足以使在座的任何人都無法證偽我的預言。謝謝!

              本文原載于《科學文化評論》2005年第6期。

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              科普科普知識的搖籃!
              少傅級
              愛因斯坦留給我們的,實際上只是一種更為精致的(處理空間、時間、力、場和決定論性單個實體的)牛頓框架而已。
              2022-09-12
              無限探索者
              少師級
              愛因斯坦是物理學領域的一名英雄,他對量子理論、狹義相對論、以及布朗運動的開創性貢獻被公認是英雄式的貢獻。
              2022-09-12
              smxh676
              少師級
              統一性探討預設了并蘊涵著還原論。還原性的追求值得尊重。
              2022-09-12
              一级毛片女人高潮喷水图片

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