科学家如是说--什么是真实?

    几年以前，意大利莫札(Monza)市议会禁止市民将金鱼养在圆形鱼缸里。提案人指出这样做很残酷，因为当金鱼凝视外面时，圆弧形的鱼缸会让金鱼看到扭曲的真实。但是我们怎麽知道自己有未受扭曲的真实图像呢? 人类是否也住在一个巨大的金鱼缸里，透过一面巨大的透镜而得到扭曲的视野呢？金鱼对真实的图像与我们不同，然而我们真的能够确定他们的世界观比较不真实吗?

　　金鱼的所见虽然与我们不同，但是它们仍然可以提出一套科学法则，用以描述所观察到鱼缸外面的物体运动。 例如，我们观察到一个物体以直线前进，但因为鱼缸扭曲了视野，所以金鱼会看到物体沿弯曲的路径前进。虽然金鱼的参考座标是扭曲的，但它永远成立，所以可以 提出科学法则，并对鱼缸外物体未来的运动做出预测。虽然金鱼的法则看起来比人类架构中的法则更复杂，但是「简单」与否只是品味的问题。若是金鱼提出这样的 理论，我们都必须承认金鱼的观点是有效的真实图像。

      对真实抱持不同图像的一个着名例子，是托勒密（Ptolmy，约85-165）在西元150年左右所提出的天体运动模型。托勒密在他十三巨册的《天文学大成》（Almagst）中，开门见山便说明为何他将地球想成是居於宇宙中央静止不动的球体，并认定地球的大小与天体距离相比可忽略不计。尽管西元前爱里斯塔克斯（Aristarchus，约310BC-230BC）已提出以太阳为中心的模型，但是至少从亚里斯多德以降，大多数受过教育的希腊人都抱持着类似托勒密的信仰，例如亚里斯多德便基於某种神秘的理由相信地球应该是宇宙的中心。在托勒密的模型中，地球居於天体中心静止不动，行星和恒星以复杂的周转圆环绕地球运行。

      这个模型似乎很自然，因为我们感觉不到脚下的地球在移动（除了地震或兴奋过度的时候）。因为後来欧洲的知识都建基於希腊的传承，所以亚里斯多德和托勒密的想法也成为西方思想的基础，天主教会更采用托勒密的宇宙模型做为正式教义长达1,400年之久，直到1543年哥白尼在过世那年出版《天体运行论》（拉丁文：D rvolutionibus orbium colstium）一书（不过他研究这个理论可是达数十年之久），才又有人重提地动说。

　　哥白尼和十七个世纪之前的爱里斯塔克斯一样，主张太阳静止不动，而行星以圆形轨道环绕太阳运行，虽然这并不是什麽新观念，但是重新提起却遭到围剿。因为大家认为圣经主张群星围绕地球运转，哥白尼的模型明显抵触了圣经。事实上，圣经从未明白宣称这个观点，撰写圣经的时候，人们甚至相信地球是平的。哥白尼模型引发地球是否静止的激烈争辩，终於在1633年到达极点：支持哥白尼模型的伽利略因异端邪说而受审，教廷认为他「坚持宣告抵触圣经之见，为其辩护并认为其具有说服力。」结果伽利略获判有罪，终身监禁在家，还被强迫改变说法。据说他在承认错误时仍然喃喃自语道：「其实它还是在动啊。」一直到了1992年，罗马天主教廷才终於承认对於判决伽利略有罪是一项错误。

　　所以，托勒密和哥白尼的模型到底哪个是真的？虽 然常有人说哥白尼证明托勒密是错误的，然而这种说法并不对。就像我们的「正常」视野与金鱼的「扭曲」视野的例子一样，托勒密和哥白尼的图像都可做为宇宙模 型，因为不管是「日动说」或「地动说」，都可以解释我们对天体的观察。暂且不论哥白尼系统在宇宙本质思辩上所居的角色，它真正的优点便是在太阳静止不动的 参考系统中，运动方程式简单多了。

　　另外一种不同的真实出现在科幻电影《骇客任务》（The Matrix）中，电影中人类不知道自己其实住在由智慧电脑所创造出来的虚拟真实中，只要人类活得快乐知足，电脑便可吸收「生物电能」（天晓得那是什麽）维持运作。也许这不算太难想像或太牵强，毕竟有许多人宁愿沈溺在网路的虚拟生活中，例如大受欢迎的「第二人生」（Second Life）便是。但是，我们 怎麽知道自己不是电脑创造出来的肥皂剧角色呢？假设我们住在一个合成的虚拟世界中，事情发展不一定要有逻辑、一贯性或遵守法则，掌控的外星人可能会更乐意 看到我们手足无措的反应，例如让满月突然裂成两半，或者让全世界节食者都突然对香蕉奶油派陷入无法抑制的狂热。但是如果外星人严格执行一贯的法则，我们就 没办法知道在虚拟的真实 外，是否另有一个真实存在。要说外星人住的世界是「真的」而合成的世界是「假的」很容易，但是对於只能住在模拟世界中的生物（例如我们）而言，既然无法从 外面环视自身所在的宇宙，便没有理由质疑自己拥有的真实图像；自古就有人怀疑我们都只是某个人的南柯一梦，虚拟真实正是这个概念的现代版。

　　这些例子带出本书一项重要的论点：与图像或理论无关的真实，是不存在的。相反地，我们将采用的观点是真实与模型相关，换句话说，我们将物理理论或世界图像视为将观察现象与模型元素连结的一套规则（通常是数学规则）。这套规则提供了我们可用来阐述现代科学的架构。

　自柏拉图 以来，哲学家长期争辩真实的本质。古典科学的基础在於相信有真实的外在世界，这个世界具有明确且独立於观察者而存在的特性。根据古典科学，物体存在具有明 确量值的物理特性（如速度和质量）。在这种观点中，理论是用来尝试描述物体与其特性，而人类对物体进行的测量和感官知觉所对应的便是真实特性；观察者与被 观察者都是属於客观世界的一部分，两者间的区分并无意义。换句话说，如果看到停车场有一群斑马在抢停车位，那就是因为真的有一群斑马在停车场抢停车位。所 有的观察者都会测量到相同的特性，而无论有无观察者存在，这群斑马都会拥有这些特性，在哲学上，这种信仰便称为真实论。

　　虽 然真实论可能是蛮诱人的观点，但是我们以後会发现，根据对现代物理学的认识，真实论很难站得住脚。例如，根据对大自然提供正确描述的量子力学，在观察者进 行测量之前，粒子并不具明确的位置或速度等特质。因此，说某某测量得到特定结果的原因在於被测量的特性於测量那一刻真的具有该量值，是不正确的。甚至，在 某些情况中个别物体甚至没有独立的存在，而是集合物的一部分。再者，若「全像原理」（holographic principle）的理论是正确的，那麽我们和这个四维世界只是更大的五维时空在边界上的影子罢了。就这种情况看来，我们在宇宙的地位恰可比拟於先前那条金鱼。

　　严格的真实论者常会主张，科学理论能够如此成功地描述世界，代表它是真实的。然而不同的理论能以不同的概念架构成功地描述相同的现象。事实上，许多成功的科学理论日後由同样成功、却具有全新真实概念的理论所取代。

　　传统上，不接受真实论的人被称反真实论者。这派人士主张经验知识与理论知识有所区分，认为观察和实验才有意义，理论只是有用的工具，不会比观察到的现象具有更深的意涵。有些反真实论者甚至想将科学限制在仅能被观察的事物上。基於这点理由，19世纪有许多人不能接受原子的想法，因为永远看不见它们。英国近代经验主义哲学家贝克莱主教（Gorg Brkrly, 1685-1753）更是极端，他说除了心智和想法之外，甚麽东西都不存在。当英国作家兼辞典编撰家约翰生博士（Dr. Samul Johnson, 1709-1784）的朋友请教他有无可能驳斥贝克莱主教的想法时，据说约翰生走向一颗大石头用力一踢，然後说：「我如此驳斥。」当然，约翰生博士脚上感受到的痛也是他心里的一个想法，因此他并没有真的驳倒贝克莱主教的想法。但是他的行为倒可说明同时期的哲学家休谟（David Hume, 1711-1776）的观点，那便是虽然我们没有理由相信客观的真实，但是在生活中别无选择，只能表现出相信真实的确存在的模样，否则只会自找麻烦。

      模型真实论可以平息争辩，以及跳脱真实论与反 真实论学派间的讨论。根据模型真实论，问道一个模型是否真实并无意义，只要看它是否吻合观察即可。只要两个模型都吻合观察，就像我们与金鱼对真实各自具有 成功的图像，便不能说那个模型比较真实，而是可以视情况使用较方便的模型。例如，如果是住在金鱼缸里，金鱼的图像会比较有用；但如果是在金鱼缸外面，那麽用地球上一个金鱼缸的座标来描述远方星系的事情将会非常古怪，尤其是这个金鱼缸还会随着地球公转与自转而转动呢！

　　除了在科学上我们 会建造模型，日常生活中我们也会建立模型；模型真实论不仅适用於科学模型，也适用於我们创造来诠释与了解日常世界的意识及潜意识心智模型。在我们的世界 中，没有办法除去观察者（我们），因为我们的真实是透过感官处理与思考、理解的方式所创造。我们的认知以及该认知理论所根据的观察，并不是直接形成的，而 是由一种「透镜」所塑造，也就是由人类大脑的诠释结构所形塑。

　　模型真实论符合我们察觉物体的方式。就视觉来讲，脑部从视神经末稍接受一连串的讯号，这些讯号和电视画质的影像比起来可差得很远。在视神经连接视网膜的地方有一个盲点，不但如此，人类视野中具有良好解析力的范围， 大约只有视网膜中心１度视角的狭窄区域，相当於将手臂伸直时姆指宽度而已。所以，送到脑部的原始资料不仅解析度极差，而且里面还会有个洞。幸运的是，人类 脑部处理资料时会结合来自两只眼睛的讯息，并基於相邻地区的视觉特性相似的假设，填满中间的缝隙。再者，脑部读取来自视网膜的二维资料，再创造三维空间的 形象。换句话说，我们所见的世界是脑部所建造的心智图像或模型。

　　由於脑 部善於建造模型，纵使能让人配戴特殊镜片导致成像上下颠倒，但是经过一阵子後，脑部还是会改变模型，让看见的事物恢复正向。如果摘掉眼镜，看见的世界又会 呈现上下颠倒，然後经过一会儿脑部再次调整过来。这表示当有人说「我看到一张椅子」，那仅仅是光线从椅子散射而成的心智图像或模型；如果模型上下颠倒，运 气好的话脑部会在我们坐下来前先将模型导正过来。

　　模型真实 论所解决（或至少避免）的另一个问题是存在的意义。例如，怎麽知道离开房间看不见的时候，一张桌子仍然在那里呢？到底，我们看不到的事物（像是电子或组成 质子和中子的夸克等粒子）「存在」是什麽意思呢？我们可以采用「离开房间时桌子消失，回来房间後桌子重新出现」的模型，可是这样会很奇怪，而且如果离开房 间时发生别的事情（例如天花板掉下来），又该如何解释呢？在离开房间－桌子消失」的模型中，怎麽解释回到房间後发现桌子被掉落的天花板压碎的情况呢？相较 之下，桌子留在原地不动的模型简单多了，而且吻合我们的观察，这就够了！

      就看不到的次原子粒子来说，电子模型便很管用，可以用来解释许多观察到的现象，像是云雾室中的轨迹和电视显像管光点等等。电子是1897年由英国物理学家汤姆森（J. J. Thomson，1856－1940）在剑 桥大学卡文迪西实验室所「发现」，当时他正在真空管里做阴极射线的电流实验。这项实验让他提出大胆的结论，指那些神秘的射线是由微小的「粒子」所构成，而 此粒子又是原子组成的材料；在当时，原子已被认为是物质的基本单位，无法再分割。汤姆森没有看见「电子」，其推测也没有获得实验直接或确切的证明，然而这 个模型从基础科学到工程学都有重要应用；今日所有物理学家都相信电子的存在，纵使无法用眼睛看见。

    另外，看不见的夸克也是模型，可解释原子核内质子和中子的特性。虽然说质子和中子是由夸克所组成，但是我们永远看不到单个夸克的存在，因为夸克间的结合力会随着分离而增加，所以分开时个别的夸克无法存在自然界中。相反地，夸克会以三个成组出现（质子和中子），或是以夸克和反夸克（介子）成对出现，看起来有如被橡皮圈绑在一起。

　　既然无法独立分割出一个夸克，那麽说夸克真的存在有没有道理呢？自从夸克模型首度被提出来的那天起，这个问题便长期受到争议。主张核子是由几个次－次核粒子组成的想法，是一套整理归纳的原则，能对於核子特性提供简单有力的解释。然而，虽然物理学家通常可以接受粒子散射资 料的统计图上小小的一个凸起即是粒子真实存在的证据，但是要赋予这种即便是理论上也无法观察到的粒子真实的特性，对於许多物理学家而言还是难以办到。不 过，随着夸克模型出现愈来愈正确的预测，反对声浪逐渐褪去。当然，拥有十七只手臂、红外线眼睛并会从耳朵吹出奶油的外星人可能与我们做出同样的实验，却不 用夸克来描述。然而，根据模型真实论，夸克存在的模型吻合我们对次核粒子运作的观察。

　　我们可以将模型真实论做为一个架构，来讨论下面的问题。例如：如果世界是在有限的时间前创造出来，那麽之前的情况是如何呢？有一位早期的基督教哲人圣奥古斯丁（St. Augustin，354-430）指出，答案并非是上帝忙着为 质疑者准备了地狱，而是时间属於上帝创造的世界的属性，所以时间在世界创造前并不存在（他也相信世界创造发生在不太久前）。这是一个可能的模型，为相信创 世纪故事是真实的人士所偏好，尽管有化石等证据让地球的年代看起来更久远。（难道化石是上帝放在那里愚弄人类的吗？）我们也可以采纳另一个不同的模型，在 这个模型中时间一直回溯到137亿年前的大霹雳。最能解释现今观察（包括历史和地质证据）的模型，也最能代表我们的过去。第二个模型能够解释化石和放射性元素的纪录，也能解释为何我们接收得到从数百万光年远的星系所放射的光线，因此这个模型（大霹雳理论）比第一个模型更有用。只不过，根据本章对真实的定义，还是不能说哪个模型比较真实。

      有些人支持时间可回溯到大霹雳之前的模型。但现在还不清楚这种模型是否能解释现今的观察，因为宇宙演化法则似乎在大霹雳那一刻会全部瓦解。若真是如此，要创造一个模型涵盖大霹雳之前的时间便无意义，因为那时候存在的事物在现在不会有任何观测的效应，所以还不如相信大霹雳是宇宙诞生的时刻。

　　一个好的模型拥有如下条件：

　　一、优美；

　　二、几乎不含随意或可变动参数；

　　三、吻合并能解释现今所有观察；

　　四、对未来的观察能做详细的预测，若预测未获证实，可推翻或证明模型是错误的。

　　例如。亚 里斯多德的理论指世界由水、火、气、土四项元素构成。而物体行动在於实现其目的。这项理论很优美，也未含有随意参数，但是它对於许多情况并未做出明确的预 测，纵使有预测也不吻合观察。其中一项预测是指重物应该掉落的比较快，因为其目的便是掉落。直到伽利略之前，似乎没有人觉得实际做测试很重要。传说伽利略 是从比萨斜塔丢东西下来做测试，这大概是以讹传讹，不过可以确定的是，他将不同重量的东西从斜板滚下，并观察到所有的东西都有相同的加速度，与亚里斯多德的预测不同。

　　这些条件显然有主观成份。例如，「优美」本身并不容易测量，只是科学家很重视这点，因为自然法则本当将众多复杂的特例化约为简单的公式。优美指的是理论的形式，但是与不具可变参数也有密切关系；若是理论带有杂七杂八的参数，可就很难称得上优美了。借用爱因斯坦（Alb?Einst?in）一句话，一项理论应该尽可能简单，但应不过於简单！托勒密将周转圆加入天体的圆形轨道中，是为了让模型能更正确地描述天体运动。他原本能够加入更多周转圆，好让模型做出更正确的描述，不过虽然愈复杂可以让模型愈正确，科学家却认为变造模型来配合特定的观察并不是好事，比较像是资料目录而非理论，难以成为有用的原则。

　　许多人认为描述自然界基本粒子交互作用的「标准模型」并不优美。这个模型远比托勒密的周转圆更为成功，在几种新粒子被发现前便预测其存在，对数十年的实验结果做出极为精确的描述。但是标准模型含有数十个可变参数，必须调整後才能符合观察，而非由理论本身决定。

　　就第四点来说，当非比寻常的新预测证明为正确时，总是会让科学家觉得十分振奋。相对地，要是发现模型有缺漏时，大家最常的反应是认为实验有问题。若非如此，大家通常还是不会放弃模型，而是会修补模型，极力挽救。不过，虽然物理学家对於抢救锺爱的理论不会轻易罢手，但若改到很虚假或很累赘而显得「不优美」的时候，想要修正旧理论的企图心也会消退。

　　若是为了符合新观察而需要做的修正变得太过繁琐，那代表需要一个新模型了。静态宇宙的想法便是一个旧模型无法满足新观察而遭淘汰的例子。在1920年代左右，大多数物理学家相信宇宙是静止不动的，其大小维持不变，然而1929年哈柏（Edwin Hubble）发 表的观察结果，显示宇宙正在扩张。不过，哈柏并非直接观察到宇宙的扩张，而是观察星系发出的光线：光线会依星系组成而带有独特的光谱，若星系与我们的距离 有所变动，光谱也会改变。因此，只要分析远方星系的光谱，便能决定其速度。哈柏本来预期远离我们和靠近我们的星系都应该存在，然而他却发现几乎所有星系都 在远离我们，而且距离愈远速度愈快。哈柏提出宇宙正在扩张的结论，然而其他人不以为然，试图继续在静态宇宙的框架内解释哈柏的观察。比如说，加州理工学院 物理学家兹威基（Fritz Zwicky，1898-1974）提出，当光线行进很遥远的距离时，基於某种不知名的原因会慢慢失去能量，且能量的减少符合光谱的变化，其假说的确可解释哈柏的观察，自哈柏之後，数十年来许多科学家继续拥护静态宇宙理论，但是哈柏的扩张宇宙还是最自然的模型，最後终於获得大家的认同与接受。

　　在探索支配宇宙法则 的过程中，人们提出了许多理论或模型，像是四元素理论、托勒密模型、燃素理论、大霹雳理论等等。随着理论或模型不同，人们对真实和宇宙基本组成的观念也发 生改变。以光的理论为例，牛顿认为光是由小粒子或微粒组成，这可解释光为何以直线行进。牛顿也用这来解释为何当光穿越不同介质时会发生弯曲或折射的情况， 像是从空气到玻璃或是从空气到水中。

      然而，这种粒子理论却无解释牛顿自己观察到的「牛顿环」（Newton's rings）现象：将一面透镜放在一个反射面上，用单色光（如钠灯）照射，从上往下会看到在透镜与平板接触之处出现一串明暗相间的圆环。这现象很难用光粒子理论解释，但是用光波理论便能加以解释。

      根据光波理论，明暗相间的圆环是由於干涉现象所造成。波（如水波）是由一连串的波峰和波谷所组成，当波与波相遇时，若是波峰或波谷正好相叠（称为「同相」），会彼此增强而产生更大的波，称为相长干涉。另一个极端的状况是一个波的波峰可能与另一个波的波谷交叠（称为「反相」），此时两波会彼此抵消，称为相消干涉。

　　在牛顿环中，亮环出现在透镜和反射面相隔距离为两者的反射波长（指两个波峰或两个波谷之间的距离）之差「整数」倍（1、2、3......）之处，这是相长干涉；暗环出现在两者相距为反射波长之差「半整数」倍（1/2、1-1/2、2-1/2......）之处，形成相消干涉。

19世纪时，干涉现象被视为肯定了光波理论并证明粒子理论是错误的。然而在20世纪初，爱因斯坦指出光电效应（现今使用在电视和数位相机中）可以解释成是光的粒子或量子打在原子上将电子击出所造成的效果，因此光既是粒子，同时也是波。

　　人类 思考里出现波的概念，大概是平常看海或是观察石头掉进池塘的景象。事实上，若是曾经将两颗小石头丢进水池中，多半会看过如下图中的干涉现象。其他液体也可 以观察到相似的情况，除了酒，因为你可能会醉到看不清楚波纹。粒子的概念跟石头和沙子很像，不过波粒二象性，亦即一个物体可以描述成波与粒子的想法迥异於 日常经验，好像说可以「喝」一大块沙岩般奇怪。

      波粒二象性的情况，便是两个不同的理论能够正常描述相同现象的例子，这与模型真实论一致；两个理论能够描述并解释某些特性，然而不能说那个理论更为真实。对於支配宇宙的法则，我们能说的是：几乎没有一项数学模型或理论可以全方位地描述宇宙；相反地，在M理论的理论网络中，每项理论各自善於描述某个范围的现象，在范围 重叠的地方，这些不同的理论会吻合，因此可以说他们都是相同理论的一部分。但是这个理论网络中没有一个理论可以完全描述宇宙各个方面，包括自然界的所有作 用力、承受这些作用力的粒子，以及这一切交互作用所处的时空架构。虽然这种情形并不能满足传统物理学家追寻的统一理论的梦想，但是在模型真实论的架构中是可以接受的。

Shixiang摘自＜大設計＞，史蒂芬 霍金(Stephen Hawking)。