據(jù)BBC、英國天空新聞等多家媒體，史蒂芬·霍金去世，享年76歲。作為現(xiàn)代最偉大的物理學(xué)家之一，他與羅杰·彭羅斯共同合作提出在廣義相對(duì)論框架內(nèi)的彭羅斯–霍金奇性定理，并提出霍金輻射理論，為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)。霍金21歲時(shí)患上肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥，全身癱瘓，不能言語，但他憑借驚人的才華在輪椅上完成了人類最為壯闊的探索和想象。這篇文章原刊于2010年11月的《環(huán)球科學(xué)》雜志，讓我們謹(jǐn)以本文緬懷霍金。

金魚在圓形魚缸里看到的世界，跟我們?cè)隰~缸外看到的，哪一個(gè)更真實(shí)？我們?cè)趺粗雷约荷钤谡鎸?shí)世界，而不像《黑客帝國》里那樣，生活在一個(gè)計(jì)算機(jī)虛擬的世界？霍金思考這些問題，是為了化解物理學(xué)家追求終極理論時(shí)遭遇的尷尬——他們想用一個(gè)理論描述世間萬物，卻一下子找到5個(gè)，描述了5 種不同的真實(shí)世界。或許談?wù)撃囊粋€(gè)更真實(shí)沒有意義。

撰文 |?斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）

萊昂納德·蒙洛迪諾（Leonard Mlodinow）

翻譯 |?龐瑋

幾年前，意大利蒙扎市議會(huì)通過了一項(xiàng)法案，禁止市民將金魚養(yǎng)在圓形魚缸里觀賞。提案者解釋說，把金魚關(guān)在圓形魚缸里非常殘忍，因?yàn)閺澢谋砻鏁?huì)讓金魚眼中的“現(xiàn)實(shí)”世界變得扭曲。拋開這一法案給可憐的金魚帶來的福祉不談，這個(gè)故事還提出了一個(gè)有趣的哲學(xué)問題：我們?cè)趺粗牢覀兏兄降摹艾F(xiàn)實(shí)”是真實(shí)的？金魚看見的世界與我們所謂的“現(xiàn)實(shí)”不同，但我們?cè)趺茨芸隙ㄋ吹降木筒蝗缥覀冋鎸?shí)？據(jù)我們所知，就連我們自己說不定終其一生，也在透過一塊扭曲的鏡片打量周遭的世界。

在物理學(xué)中，這個(gè)問題并非純理論空想。實(shí)際上，物理學(xué)家和宇宙學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們自己眼下的處境和金魚差不多。數(shù)十年來，我們一直上下求索，渴望得到一個(gè)終極的萬物理論，可以用一套完備自洽的基本定律來解釋“現(xiàn)實(shí)”的方方面面。但現(xiàn)在看來，最后我們得到的或許不是一個(gè)單一的理論，而是一大家族相互關(guān)聯(lián)的理論，每個(gè)理論對(duì)于“現(xiàn)實(shí)”都有一套自己的描述，就像透過它自己的圓形魚缸觀察世界一樣。

對(duì)許多人來說，這個(gè)觀點(diǎn)或許難以接受，其中還包括一些圈內(nèi)的科學(xué)家。大多數(shù)人都相信存在一個(gè)客觀的“現(xiàn)實(shí)”，無論是我們的感知還是我們的科學(xué)，都在直接表達(dá)有關(guān)這個(gè)物質(zhì)世界的信息。經(jīng)典科學(xué)就以這樣一個(gè)信念為基礎(chǔ)，即有一個(gè)外部世界獨(dú)立存在，它的屬性是確定的，與感知這個(gè)世界的觀測(cè)者無關(guān)。在哲學(xué)上，這種信念被稱為唯實(shí)論 （realism）。

不過，對(duì)蒂莫西·利里（Timothy Leary）和上世紀(jì)60年代記憶猶新的人應(yīng)該知道另一種可能：“現(xiàn)實(shí)”的概念也可以取決于感知者的心靈。這類觀點(diǎn)大同小異，有的稱為反唯實(shí)論（antirealism），有的則稱為工具主義（instrumentalism）或唯心論（idealism）。按照這些“主義”，我們所知的世界是由人類心智以感官信息為原料構(gòu)建的，是由我們大腦中的解釋結(jié)構(gòu)塑造的。這種觀點(diǎn)或許難以接受，卻不難理解。你不可能將觀測(cè)者，也就是我們自己，從我們對(duì)這個(gè)世界的感知中抹去。

隨著物理學(xué)的逐漸發(fā)展，唯實(shí)論的地位正變得岌岌可危。在經(jīng)典物理學(xué)中，牛頓體系能非常準(zhǔn)確地描述我們的日常體驗(yàn)，對(duì)“物體”、“位置”之類術(shù)語的詮釋也在很大程度上與我們的常識(shí)（即我們對(duì)那些概念的“現(xiàn)實(shí)”理解）相符。然而，作為測(cè)量工具，我們?nèi)祟愂欠浅４植诘摹Ｎ锢韺W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，平常所說的“物體”以及令我們看到它們的光，都是由我們無法直接感知到的物體（如電子和光子）構(gòu)成的。這些物體遵循的不是經(jīng)典物理，而是量子論。

量子論的“現(xiàn)實(shí)”與經(jīng)典物理的“現(xiàn)實(shí)”截然不同。在量子論體系中，粒子既沒有確定的位置，也沒有確定的速度，只有當(dāng)一個(gè)觀測(cè)者去測(cè)量那些量時(shí)，它們的值才會(huì)確定。有些情況下，單獨(dú)的物體甚至無法獨(dú)立存在，只能作為整體的一部分出現(xiàn)。量子物理還極大地挑戰(zhàn)了我們對(duì)“過去”的認(rèn)識(shí)。在經(jīng)典物理中，所謂的“過去”就是一系列已成為歷史的明確事件，而在量子物理中，“過去”是不確定的，僅僅是一系列事件發(fā)生的可能性，跟“未來”沒什么兩樣。甚至連作為一個(gè)整體的宇宙，都沒有一個(gè)明確的過去，或者說歷史。因此，量子物理暗含了不同于經(jīng)典物理的另一種“現(xiàn)實(shí)”——雖然經(jīng)典物理與我們的直覺相符，而且在我們?cè)O(shè)計(jì)建筑、橋梁之類的東西時(shí)仍然可以幫上大忙。

這些例子讓我們得出一個(gè)結(jié)論，為詮釋現(xiàn)代科學(xué)提供了一個(gè)重要框架。在我們看來，“現(xiàn)實(shí)”不可能脫離圖景或者理論而獨(dú)立存在。相反，我們采納了一種新觀點(diǎn)，稱之為“取決于模型的唯實(shí)論”（model-dependent realism）。這種觀點(diǎn)認(rèn)為：每一個(gè)物理理論或世界圖景都是一個(gè)模型（通常本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)學(xué)模型），是一套將模型中的要素與觀測(cè)聯(lián)系起來的法則。按照取決于模型的唯實(shí)論，追問一個(gè)模型本身是否真實(shí)沒有意義，有意義的只在于它是否與觀測(cè)相符。如果兩個(gè)模型都與觀測(cè)相符，那就不能認(rèn)為其中一個(gè)比另一個(gè)更加真實(shí)。誰都可以根據(jù)具體情況選取更方便的那個(gè)模型來用。

01 別去評(píng)判真實(shí)

另類現(xiàn)實(shí)（alternative realities）已經(jīng)成為今日大眾文化的主流。例如在科幻電影《黑客帝國》（The Matrix）中，人類就毫無察覺地生活在一個(gè)由智能計(jì)算機(jī)生成的虛擬現(xiàn)實(shí)中，計(jì)算機(jī)通過這種方式讓人類保持安定并心滿意足，以便從他們的肉身實(shí)體上抽取生物能量（姑且相信有這么種能量）。我們?cè)趺茨苤雷约翰皇且粋€(gè)由計(jì)算機(jī)生成的角色，此刻就生活在一個(gè)黑客帝國那樣的世界中呢？如果我們生活在一個(gè)虛擬的、想象的世界中，事件之間就沒有必要存在任何邏輯，不必自圓其說，也不用遵循任何規(guī)律。掌控這個(gè)虛擬世界的外星人說不定僅僅因?yàn)橛腥せ蛘吆猛?#xff0c;純粹為了看看我們的反應(yīng)，就會(huì)讓全世界突然對(duì)巧克力深惡痛絕，或者一夜之間消除戰(zhàn)爭實(shí)現(xiàn)世界和平——可是這種事情從來沒有發(fā)生過。如果外星人堅(jiān)決不肯違背自洽規(guī)律，那我們就沒有任何辦法確定在這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的背后還存在另一個(gè)現(xiàn)實(shí)了。你當(dāng)然可以說，外星人生活的那個(gè)世界是“真實(shí)”的，計(jì)算機(jī)生成的世界是假的。然而，生活在虛擬世界里的生物無法從外部觀察他們的宇宙（我們也一樣），也就沒有理由懷疑自己生活的世界并非“現(xiàn)實(shí)”。

金魚的處境也是如此。它們?cè)趫A形玻璃缸里看到的景象與我們?cè)隰~缸外看到的顯然不同，但這并不妨礙它們發(fā)展出一套科學(xué)定律，來描述它們觀察到的魚缸外物體的運(yùn)動(dòng)。比方說，由于光在由空氣進(jìn)入水中時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，在我們看來做直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)不受外力的物體，在金魚看來就應(yīng)該沿曲線運(yùn)動(dòng)。盡管身處一個(gè)扭曲的參考系，金魚仍然可以從中總結(jié)出一套始終都很正確的科學(xué)規(guī)律，讓它們能夠?qū)︳~缸外的物體未來的運(yùn)動(dòng)做出預(yù)言。它們的規(guī)律會(huì)比我們的規(guī)律復(fù)雜得多，但簡單與否只與品味有關(guān)。如果金魚能夠發(fā)展出這樣一套理論，我們就必須承認(rèn)金魚的觀點(diǎn)也是對(duì)“現(xiàn)實(shí)”的一個(gè)有效描述。

還有一個(gè)發(fā)生在真實(shí)世界里的著名例子，同樣說明對(duì)“現(xiàn)實(shí)”可以有不同的描述，那就是托勒密的地心說和哥白尼的日心說之爭。盡管人們通常都說，哥白尼證明了托勒密是錯(cuò)的，但事實(shí)并非如此。哥白尼和托勒密就好比我們和金魚，選擇任何一種描述作為宇宙模型都可以，因?yàn)闊o論假設(shè)是地球不動(dòng)還是太陽不動(dòng)，我們都能很好地解釋我們觀察到的天象變化。拋開哥白尼的日心說在有關(guān)宇宙本質(zhì)的哲學(xué)爭論上所起的作用不論，它的真正優(yōu)勢(shì)只不過在于運(yùn)動(dòng)方程在太陽靜止不動(dòng)的參考系中更為簡潔而已。

取決于模型的唯實(shí)論不僅對(duì)科學(xué)模型適用，對(duì)我們創(chuàng)造出來表述和理解周圍世界的意識(shí)和潛意識(shí)心智模型也同樣有效。例如，人類大腦從視覺神經(jīng)接收原始信息，將來自雙眼的信息綜合起來，增強(qiáng)細(xì)節(jié)并填補(bǔ)諸如視覺盲點(diǎn)之類造成的信息缺失。不僅如此，大腦還從視網(wǎng)膜接收到的二維信息中創(chuàng)造出了三維空間感。你覺得自己看到了一把椅子，實(shí)際上不過是利用椅子上散射的光，建立起了一個(gè)心智圖像，或者說是椅子的模型。人類大腦非常擅長這種模型構(gòu)建，如果給人帶上一副特殊眼鏡，讓呈現(xiàn)在他眼睛里的圖像上下顛倒，大腦會(huì)改變這個(gè)模型讓他看到上下不顛倒的物體——但愿在他想坐下來之前，這種改變就已經(jīng)完成。

02 管窺深層理論

在追尋終極物理理論的探索中，從未有哪個(gè)理論像弦論（string theory）這樣讓人滿懷希望，又如此飽受質(zhì)疑。弦論是20世紀(jì)70年代被首次提出的一種嘗試，目的就是要將自然界中所有的作用力都統(tǒng)一到同一個(gè)理論框架中去——確切地說，是要把引力并入量子物理體系。然而到了20世紀(jì)90年代初，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)弦論遇到了一個(gè)尷尬的問題，那就是同時(shí)存在5種不同的弦論。對(duì)于鼓吹弦論是唯一可行萬有理論的那些人來說，這確實(shí)相當(dāng)難堪。到了90年代中期，研究者開始發(fā)覺，這些不同的理論，以及后來才出現(xiàn)的所謂超引力論（supergravity），其實(shí)都是在描述同一個(gè)現(xiàn)象，這給了他們一些希望，認(rèn)為這些理論最終可以統(tǒng)為一體。確實(shí)，這些理論通過物理學(xué)家所說的“對(duì)偶性”（duality）彼此關(guān)聯(lián)，這種對(duì)偶性就像是在不同概念之間來回變換的某種數(shù)學(xué)詞典。但很可惜，每種理論只能很好地描述某一特定條件范圍內(nèi)的現(xiàn)象——比如說低能現(xiàn)象。沒有哪個(gè)理論能夠描述宇宙的方方面面。

弦論學(xué)家現(xiàn)在相信，這5種不同的弦論只是對(duì)更基本的一種理論的不同近似，后者被稱為M理論。［似乎沒有人知道這里的M代表什么，可能是Master（統(tǒng)領(lǐng)），可能是Miracle（奇跡），也可能是Mystery（神秘），或者兼而有之。］盡管人們還在努力參詳M理論的本質(zhì)，但看上去長期以來期待的單一終極理論或許不會(huì)出現(xiàn)，要描述宇宙萬物，我們必須針對(duì)不同情況選擇不同的理論。因此，M理論不是通常意義上的單個(gè)理論，而是眾多理論組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這有點(diǎn)類似于地圖。要將整個(gè)地球如實(shí)記錄在二維平面地圖上，人們必須使用一套地圖，其中每一張只覆蓋一個(gè)有限區(qū)域。這些地圖會(huì)互有重疊，在這些重疊的區(qū)域，不同地圖都展示出相同的地貌。與此類似，M理論大家族中的不同理論看上去可能千差萬別，但都可以看成是同一個(gè)底層理論的某種版本，在適用范圍相互重疊之處，它們都會(huì)預(yù)言相同的現(xiàn)象，但沒有哪個(gè)理論能夠涵蓋所有情況。

只要我們發(fā)展出一個(gè)描述世界的模型，并且發(fā)現(xiàn)它大獲成功，我們就會(huì)說這個(gè)理論描述了“現(xiàn)實(shí)”，或者說絕對(duì)真理。但就像金魚那個(gè)例子一樣，M理論表明同樣的物理場景可以用不同的模型來描述，每個(gè)模型都有一套不同的基本要素和基本概念。或許，要描述整個(gè)宇宙，我們必須在不同情況下使用不同的理論。每個(gè)理論對(duì)于“現(xiàn)實(shí)”或許都有各自不同的理解，但根據(jù)基于模型的唯實(shí)論，“現(xiàn)實(shí)”的這種多樣性是可以接受的，不可以說哪一種“現(xiàn)實(shí)”比其他“現(xiàn)實(shí)”更真實(shí)。這不是物理學(xué)家傳統(tǒng)意義上期待的大統(tǒng)一理論，跟我們?nèi)粘?duì)“現(xiàn)實(shí)”的理解也相去甚遠(yuǎn)。但這或許正是宇宙的本來面目。

來源：環(huán)球科學(xué)Scientific American

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的霍金去世，巨星陨落！谨以此文缅怀霍金的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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