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曹天予:2050年爱因斯坦还会是物理学的英雄吗?

本文为作者在2005年第22届国际科学史大会(大会主题为“全球化与多样性”)上的报告。 撰文 | 曹天予(波士…

曹天予:2050年爱因斯坦还会是物理学的英雄吗?插图

本文为作者在2005年第22届国际科学史大会(大会主题为“全球化与多样性”)上的报告。

撰文 | 曹天予(波士顿大学哲学系教授)

翻译 | 苏俊斌

在1905年,爱因斯坦是物理学领域的一名英雄。他对量子理论、狭义相对论、以及布朗运动的开创性贡献被公认是英雄式的贡献,尽管在那一年,这种承认尚未来临:他仍然是瑞士专利局的一位低级办事员。但承认很快到来了。人们有把握声称,爱因斯坦已经被公认为20世纪物理学最伟大的英雄,或者甚至是20世纪最伟大的科学家。本次大会本身就是证明:杨振宁在开幕式上所作的大会演讲,其主题就是爱因斯坦。在完成爱因斯坦未竟事业即建立物理世界统一理解的事业的意义上,杨振宁视自己为爱因斯坦的继承者,很多其他物理学家也是这样看他。本次大会有好几个关于爱因斯坦的大会演讲,我没有完全统计过有多少篇关于爱因斯坦的文章提交给本次大会。不论如何,无须赘述这种没有争议的主张。那么,到2050年,爱因斯坦在物理学上的地位又会怎样昵?这是我现在要讲的题目。

这次大会总的主题是全球化和多样性。在一个重要的意义上,全球化势必导致同质化 (homogeneization)。通过翻译和传播,爱因斯坦现在不仅是德国的或者瑞士的,或者欧洲的,或者美国的,或者西方的英雄。在中国,在印度,在巴西,他也被看作英雄,一名真正的全球英雄。既然没有人能够有任何办法阻止在人类行为不同领域里正进行着的全球化进程,这意味着到2050年,世界将比现在更为同质,而这似乎向我的问题提示了一个答案,一个使我的谈话变得毫无趣味的答案。

但还有多样化呀?人们会回答:文化多样性,也许有;经济和政治多样性,没有!这正是历史终结的观念。我不相信历史终结的论题,我不认为现存的、多样化的经济和政治结构,将通过盎格鲁­-撒克逊模式对全世界的征服,而汇聚到一种同质的结构模式。不过这里不是讨论这一问题的适当场所,所以让我转到另外一个问题:科学是文化的一部分吗?当然是的。但是有人会警惕起来并且争辩说,即使科学是文化的一部分,它也是一个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,例如宗教或道德教义,或者是用艺术方式来表现人类情感或反省生存困境 (existential dilemma);文化中的这部分,即使在全球化时代,如果它们强壮得足以对抗美国通俗文化的征服力,仍然可能保持多样化的存在形式。但是,科学真的不同于文化的其它部分吗?为什么?

你可能要抗议:所有这些都是陈词滥调!告诉我们这跟爱因斯坦有什么关系?行!其间的关系看起来似乎肤,其实不然。首先让我指出一种平行关系:全球化和多样性在一边,对称性和对称破缺在另一边,二边之间存在着平行关系。平行关系的两边互为隐喻互相支持。如果我们记得隐喻是文化思想和科学创造性的最终源泉的话(想想达尔文借用马尔萨斯的经济原则),它甚至不仅仅是概念框架的一种原型,而且是一个时代的思维风格 (a kind of style of reasoning of an era) ,这种思维风格表征着那个时代人们感知并思考世界的方式。

因此,如果一方面我们发现人类活动越是全球化,其活动方式就越具多样性(不仅在文化领域,而且在政治和经济领域:想想现在中国、俄罗斯和印度的政治和经济发展模式),而另一方面,我们也发现,对称性越大或者取得的统一性覆盖的领域越是巨大,人们就越想找到并总是发现更多的对称性破缺(想想电弱理论和希格斯机制以及对希格斯粒子的搜寻);那我们对科学和文化的其它部分之间的深层联系也许能做出更为正确的评价。

确定了用全球化时代思维风格作为评价爱因斯坦的依据之后,现在来讨论爱因斯坦这个主要题目。

什么是爱因斯坦对物理学最重要最持久的贡献?爱因斯坦对物理学做出了许多贡献。这些贡献是伟大的、革命性的,它们具有深刻的历史意义。对此人们并无争论。但是,他的大多数贡献已经隐人背景,很少有人会真的求助于爱因斯坦来指导自己的研究。当然,马丁·克莱因(Martin Klein)教授会争辩,爱因斯坦的光量子观念是伟大的和革命性的。可是海森堡、薛定谔和狄拉克又怎么样呢?与此类似,爱因斯坦对原子存在的解决是伟大的。但是由创立量子色动力学(QCD, quantum chromodynamics)的那些人做出的有关夸克存在的类似解决又怎么样呢?我的判断是,如果爱因斯坦做出了所有其他的贡献,但是没有就对称性和统一性进行探讨并取得某种成功,然后鼓吹这个探讨由于目标崇高而值得从事,那么爱因斯坦将不可能抓住20世纪以及迄今为止如此众多伟大物理学家的想象力,不可能被看作是一位值得崇拜的科学偶像。

爱因斯坦最终采用彭加勒对称性成功地统一了力学和电动力学;他还用一般协变性 (general covariance或diffeomorphism invariance) 这种更为广阔的对称性,成功地统一了惯性系和非惯性系。但是爱因斯坦却不能统一引力和电磁力。对他而言,这是一个悲哀的故事甚至是悲剧:为了实现统一性的梦想,这个天才奉献了他最后30年的时间和精力而没有取得任何真正的成就。但他的想法在那儿。而这个想法激励了其他人继续前进。杨振宁和米尔斯(Robert L. Mills)接过了火炬并举着它继续前进。对统一性的追求进人了一个新阶段,标准模型的阶段。标准模型令人惊叹不已。但是没有人知道怎样使标准模型成为一个真正的统一理论。是的,弱相互作用和电磁相互作用可以用统一的方式进行处理。但是怎样才能使描述强相互作用的量子色动力学和电弱理论统一起来昵?谁也不知道。随后这火炬被弦理论家们,特别是爱德华·威滕(Edward Witten),接了过去。对统一性的英雄式的追求仍在继续进行,但是声称的进展在我看来却相当可疑。

你可以说,部分成功也还是成功。但是我对这种追求有更严厉的批评。

首先,对统一性的任何探讨,通常是通过探索越来越大的对称性来进行的。可是如果没有相应的对于对称性破缺的探讨,那么对于统一性的探讨,在加深我们对物理世界的理解上,就只有非常有限的意义,虽然它可能为我们提供一些美丽的数学建构。电弱理论的最令人信服和最美丽的方面之一是它的希格斯机制,没有希格斯机制,我们将只有猜想而没有物理理论。我说没有物理理论指的是我们没有任何理论手段来处理实验上可能得到的数据。

其次,统一性探讨预设了并蕴涵着还原论。还原性的追求值得尊重。没有还原,在一个层次上发生的事情就不可能从更深层次上发生的事情来得到解释。但是还原性的追求必须以背景知识(knowledge of the context)来补充。只有在特定的背景中,较低层次实体的行为才会导致较高层次上事件的出现。这些背景知识通常无法还原为只涉及较低层次实体行为的知识。相反,它通常与较低层次组分的特定结构的整体特性有关。也就是说,如果没有有关背景的整体知识的补充,仅有还原性知识,不足以对任何层次上的现象提供因果解释。还原论更严重的问题在于“脱耦 (decoupling) ”所导致的关于较低层次的知识可能与较高层次的现象无关。在夸克胶子层次上发生的事情对化学层次上的现象极少或者根本没有任何影响。在理解较高层次实体行为方面,脱耦观点对还原性知识是否相关设置了严重的界限:这些较高层次实体的行为主要由其背景所规定。当然,如果还原性知识能补充以有关较高层次实体于其中显现的背景的整体知识的话,它对理解较高层次实体的构成方面仍然有用。应当指出,脱耦并非与对称性破缺无关。实际上,脱耦的边界通常由引起对称性破缺的粒子的质量尺度所设定。

第三,还原和统一涉及不同的能量尺度。统一和还原的最有吸引力的特征之一是不同尺度间的物理学互有联系。这种联系甚至可以用数学上的重整化群来描述。可是这里一个深层的问题出现了:一个尺度范围内的物理学通常不同于另一尺度范围内的物理学。因此重整化群描述的联系本身,并不能用来避免理解物质世界等级结构的艰巨使命。而且,如果我们能够沿着重整化群联系的两个方向任意移动的话,那么哪个尺度上的实体比其它尺度上的实体更基本就成为不可解决的问题。这一情况对还原论没有好处。

所有这些都是发生在二十世纪后期高能物理学中的进展。它们与爱因斯坦有何相干?回答如下。上述讨论已经明确地显示了,爱因斯坦的概念资源非常有限。他的主要指导观念是统一性和对称性。除了只言片语和未经斟酌的想法之外,爱因斯坦对于对称性破缺缺乏深入的理解,至少没有对它的重要性予以足够的重视,可以肯定的是,他根本不知道怎样去理解它,怎样去发现实现它的机制。当然,这不是他的错,这是他所处时代的局限。物理学当时还没有成熟到足以理解对称性破缺的重要性并探索它的含义。尽管如此,上述讨论足以表明,爱因斯坦的概念资源,甚至对于20世纪后期的高能物理学来说,也已经难以敷用。类似的结论也能从(与背景知识、脱耦和重整化群相关联的)还原论的局限性中推导出来。简而言之,可以说爱因斯坦确实令人赞叹,因为他留给我们一笔用对称方法追求统一性的遗产;但是对一些前沿物理学家而言,爱因斯坦的遗产又显然不够用,因为他在理解差异性方面没有提供任何指导:只有在对称性破缺、脱耦和重整化群等观念的引导下,人们才有可能理解差异性,而所有这些观念,都在爱因斯坦的视野之外。

就(可能持续到2050年甚至超过2050年的)全球化时代思维风格而言,我们可以说,爱因斯坦是全球化中同质性而不是多样性的文化象征。把这一点确定下来以后,人们就能够根据自己的立场和偏好对爱因斯坦在2050年的地位给出自己的估计。爱因斯坦在2050年的地位,在很大程度上取决于全球化中同质化势力与多样化势力间的相对力量消长:因为正是这些势力将制约人们的兴趣,或者去追求统一性,或者去追求多样化。

我们还可以用一种更为物理的方式,而不是根据宏大的时代思维风格,来推测爱因斯坦在未来物理学中的地位。

首先应当指出,仅仅根据对称性和统一性原理来概括爱因斯坦的成就,会造成误导和错觉。用这些原理来表述的所谓的爱因斯坦遗产,不过是二十世纪晚期一些高能物理学家的社会建构。这些物理学家想借用爱因斯坦的威望,来为建造他们自己的万物统一理论(unified theory of everything)这一目标服务。而实际上,爱因斯坦在物理学方面的成就,主要来自他对作为一门经验科学的物理学的进展的回应;这种回应在某种程度上也表达为他对经验主义认识论的承诺。当然,他想以一般概念来理解物理现象的内在冲动,也在他发展自己独特的理解方式时起了某种作用。不管怎样,要是没有电动力学的迅速发展,很难想象他如何能够发展出光量子理论和狭义相对论。即使在广义相对论这一所谓的爱因斯坦遗产的典型例子中,当爱因斯坦及其许多跟随者声称,毫无经验输入作为基础,仅凭对普遍原理的纯粹理性追求,就导致了广义相对论的发现,这与实际情况却并不相符。就其物理本质而言,广义相对论的真正成就,是通过把时空结构看作物理力的表现,从而使时空结构具有动态的特征。并且这种探讨之所以可能,只是因为爱因斯坦受到了一位杰出的物理学家和经验主义哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach)的引导。根据马赫的想法,惯性并非空间本身的属性,而是取决于物质的分布。实际上,在广义相对论早期,爱因斯坦自己就一再确认,广义相对论的精神之父是马赫,并且马赫本来可以在他之前几十年就发现广义相对论。马赫对于对称性没有任何概念。他关心的只是物理力,而正是这种关心导致爱因斯坦将时空结构引力化。

其次,在一个很强的意义上,我们可以断言,爱因斯坦的思考仍然局限于牛顿力学的范式之中。这里我想说的是,他所考虑的主要还是空间、时间、力和场。当然,当他应用(处理集体行为的)平衡和涨落观念时,他也触及到了热力学和统计力学。但是,爱因斯坦并没有认真想要理解集体行为的机制,或者想要理解这些不受(支配集体中单个实体行为的)规律支配的集体行为(比如说热涨落)的本性及其本体论地位。同样的,尽管爱因斯坦对于阐明量子物理学的特殊统计本性做出了重要贡献,并且他本人的名字就与一种特殊的量子统计(玻色一爱因斯坦统计)紧密地连接在一起,但是他本人在理论上的承诺,却仍然是使用牛顿力学这种经典物理的语言来描述物理现象。

因此,从物理概念上讲,爱因斯坦并没有给理解量子物理中很小的基本实体的行为的性质和规律留下任何遗产。另一方面,他也没有为理解(不管是否具有量子本性的)复杂性结构如何从单个实体的集体行为中突现出来留下任何遗产。爱因斯坦留给我们的,实际上只是一种更为精致的(处理空间、时间、力、场和决定论性单个实体的)牛顿框架而已。

考虑到当今活跃在前沿研究的物理学家的关注(对称性破缺,复杂性结构的突现,等等),并假定这些关注不会因为还原论的另一次成功(例如成功地把量子力学还原到经典力学,或者把复杂性结构完全还原为单个实体行为的结果)而消失,那么可以相当有把握地预期,到2050年,爱因斯坦将在物理学上隐人背景,而不再是理论物理学和物理学前沿上的超级英雄。当然,爱因斯坦在物理学上肯定还会是一名英雄,就像开普勒、伽利略或者牛顿在物理学上仍然是第一流的英雄一样,但到那时,爱因斯坦不大可能再是像杨振宁或者威滕所断言的那样,继续为物理学的基本研究提供指导精神。

在联合国提议为物理年并且其象征人物当然是爱因斯坦的今年,我非當不愿意在这次把爱因斯坦当作英雄来崇拜的大会上,对爱因斯坦做出这样冒犯的预言。但是我从理查德·费曼(Richard Feynman)的一个评论中得到了鼓励。当费曼有一次也处于为将来做预言的相似情形时,他说过,预言未来实际上并不像实证主义者所设想的那么危险。这些实证主义者争辩说,你的预言不可能得到确证。但实际上,如果你记得卡尔·波普尔 (Karl Popper) 的教导的话,你会觉得非常安全。如果你的预言涉及遥远的将来,那你的听众里将没有任何人能够证伪你的预言。或许,2050年遥远得足以使在座的任何人都无法证伪我的预言。谢谢!

本文原载于《科学文化评论》2005年第6期。

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作者: 小蜗牛

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