第三章 甚麼是真實 II ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

陳以聖 / 原載:κrazian

在「視模型而定的真實」(model-dependent realism)裡,談「真實」是毫無意義的。既然「真實」將隨著所選用的模型而變動,那麼,我們關心的只是「合用不合用」罷了。如果與觀察的相符,又合用,何必在乎甚麼是真實呢?甚至兩個完全不同的理論,只要它們都符合我們所觀察到的現象,用起來又得心應手,該兩者就都可以為我們所用,何須心存門戶之見,一定要厚此薄彼,或爭辯何者更「接近」真實呢?

談到「模型」,也許一般人覺得生疏,似乎只有搞科學的人,才需要這玩意兒。其實,我們日常生活中,無時無刻不在「建立模型」,只不過我們不這麼說,而比較喜歡用「概念」一詞。試想,我們是如何了解這個世界的?自然是我們的感官。但別忘了,我們也是當局者,並非超然的第三者。況且,當我們透過眼睛、耳朵、鼻子、甚至手,去感知這個世界的時候,其實我們接收到的,已非直接的第一手情報。

光線透過水晶體的折射,穿越視神經的阻撓(視神經竟然莫名其妙的長在視網膜前面,而不是後面),影像上下顛倒的投射在有缺陷的視網膜上(此缺陷即所謂的「盲點」,因為視神經必須穿越視網膜,方能進入腦中)。送入視覺神經的訊號,還必須先經過一番「處理」:將不同「頻率」的光線,解釋成不同的「顏色」。最後,才變成你所謂「親眼所見」的影像。

聲音也類似。空氣振動傳到你的耳膜,經過耳鼓、纖毛,再經由聽覺神經一番「處理」,將不同「頻率」的振動,解釋成不同的「音高」。最後,再組合成「動人」的旋律或「惱人」的噪音。而你,卻以為是「親耳所聞」。

人在腦中將這些外來資訊處理並組織起來,從而「建構」出認知這個世界的「模型」,一種抽象的「概念」。換句話說,人腦建構模型的能力是很強的。而你,卻「主觀」的認定,這些活色生香的東西,是「真實」而「客觀」的「存在」。

如果你接受「概念上的真實」,也就是說,你只在乎合不合用、是否符合觀察與推理,而不管那最終的真實是甚麼,那麼,你就不會追究:到底那張桌子在我不看它時,它還「存在」嗎?因為,「就當它仍然是存在的」,問題會比較單純,合用、也符合觀察與推理,更可以避免頭痛癲狂、走火入魔。

在次原子世界中,相信電子的存在,可以給我們帶來很多的方便,也能夠優雅的解釋許多我們觀察到的現象,包括雲霧室(cloud chamber)碰撞實驗中所觀測到的軌跡,以及傳統映像管電視屏幕上的光點...等等。所以,儘管看不到電子,還是大可相信它的存在。我們都說 J. J. Thomson 於 1897 年在劍橋大學的 Cavendish 實驗室「發現」了電子。然而,他其實並未親眼看見電子,只是他的實驗證明了電子的存在。而且,電子太好用了,隨後的許多科技發展,都以此概念為基礎。今天,還有誰會說電子不存在,因為看不到呢?

夸克的情況也差不多:沒有人看過夸克。而且,雖然我們說,原子核內的中子和質子都是由三個夸克組成的,我們其實並沒有能力將夸克單獨分離出來,因為它們相互間的吸力實在太強了。這個更玄了,不但看不見,還並不「單獨存在」,而只能以群體中一分子的形式存在。那麼,到底我們說有夸克這種東西,有沒有道理?這比電子的情況還誇張:單獨電子活動所留下的軌跡,我們可以觀察到,所以至少在間接上證實了它的存在;可是,「無法單獨存在的夸克」?如何相信它存在?但是,多年下來,運用夸克這套理論所預測的許多現象,都得到了實驗證實。慢慢的,大家也都「接納」了它的存在。

當然,如果你能夠想出另一套理論,完全不用夸克,也能解釋所有已知的現象,並能準確的預測未來新的發現,而且還更優雅精簡,想必大家也不會排斥。但是,目前這套理論已經是我們能力的極限了。

現在我們來談談「宇宙伊始」這個模型。一百三十七億年前的一場大爆炸,生出了這宇宙萬物,這樣的模型顯然比較合用,較符合眼前我們所觀察到的宇宙模樣。若按照「創世紀」模型的論點,那麼,這許多比上帝創造宇宙的年代更為古老的化石,以及源自數百萬光年遠的銀河系所射過來的光線,就必須想出些古怪的理由來解釋了。

至於大爆炸之前呢?那「時候」,時間是存在的嗎?假設時間真的延伸到大爆炸之前,按照目前推導出來的結果,大爆炸時是無法形成這個宇宙的,它會崩潰。況且,就算之前有「時間」,那時也將無法遺留下任何東西,可以和目前這個我們所處的宇宙產生關聯。因此,我們大可假設,所有的這一切都是從大爆炸之後才開始的,包括時間。

這裡,霍金提出他所認為的「好模型」應具備的特點:

  1. 優雅
  2. 少有任意選定,或可調整的變數
  3. 符合,並能夠解釋所有已知的現象
  4. 對未知的預測是可供驗證的

過去有一些理論,在碰到無法解釋的新發現時,總會有人嘗試去修補它。結果是愈修愈複雜,最後完全喪失了上述的四大特點。這時,更完備的新理論便會誕生。地球中心論是如此,宇宙靜態論也是如此。現在,人們都比較相信:地球完全不是宇宙的中心,而宇宙正在不斷加速膨脹當中。

當然,1929 年當哈伯(Edwin Hubble)提出宇宙膨脹論時,他是不可能「看到」宇宙正在膨脹的。哈伯根據的是各銀河系的光譜:從光譜上的變動,可以計算出該銀河系相對於我們的移動速度。結果驚人的發現,所有觀察到的銀河系都正加速離我們而去,而且,離我們愈遠的還落跑得愈快。這下乖乖不得了,除了相信宇宙正加速膨脹,其他的說法都不夠優雅。最後,哈伯的宇宙膨脹論逐漸勝出。直到現在,科學家們都接受其為最佳的解釋。

牛頓認為「光」是一種粒子(corpuscle)。雖然粒子的說法可以解釋許多光的現象,例如:直線行進、反射與折射,但是卻無法解釋「牛頓環」現象。稱作牛頓環,當然因為是牛頓自己發現的:放一個透鏡在光亮的平面上,以單色光垂直照射之,結果會看到明暗明暗的條紋同心圓。

如果把光視為一種波動,就解釋得通了。君不見水面上的波,互相干涉時,會產生有趣的紋路圖案。波峰和波峰相碰,波谷和波谷互撞,產生的是更高的波峰,和更深的波谷,這種情況我們稱之為「建設性」干涉,就像英明老闆和積極員工的組合一般,共創高峰;又像是黑道大老和老大在獄中共處一室,砥礪切磋,壞到底了一樣。後者的建設性聽起來倒像是破壞性,不過這是物理學上的用語,完全不含道德判斷的。建設性干涉又稱為「合拍」(in phase),好像你玩兩人三腳,彼此合拍,自然愈走愈快。反之,若是波谷對上的是波峰,彼此產生抵銷作用,就稱之為「破壞性」干涉。好像精銳部隊交給阿斗將軍帶的下場一般,或竹簍裡的螃蟹們永遠爬不出來一樣(大家都很努力往上爬,結果是下面的永遠在扯上面的後腿,最後沒半隻出得去,大夥兒只好同歸於盡)。破壞性干涉又叫做「不合拍」(out of phase),就好像你跳舞踩到了舞伴的腳。應用在光上面,建設性干涉的成果,就是我們看到的明亮圈圈;而破壞性干涉的地帶,當然便是呈現黑漆漆圈圈的所在了。明暗彼此交替,整體來看,便成了明暗明暗的條紋圖案。

由於成功的解釋光的干涉現象,十九世紀大家普遍都認為光是一種波動,準沒錯了。但是到了二十世紀,愛因斯坦卻成功的以光的粒子特性來解釋光電效應:一個光子撞跑了一個電子,所以產生了電流。光的粒子說又復活了。

這下變成了你也對,他也對,統統都對。光的這種現象,我們稱之為光的「二元特性」:光既不只是粒子,也非只是波動而已。這種兩個模型並存的情況,正好呼應霍金於本書所倡議的「視模型而定的真實」的說法。若兩者都僅能解釋一部份現象,則彼此都不能說對方是錯的,所以誰也不比誰「更真實」。因為「真實」到頭來只是個相對的概念。

看樣子,想要找到單一的數學式子來描述宇宙的所有現象,是個不切實際的想法。所以霍金才說 M 理論這個包含多個理論成員的組合理論,比較可能是最終的答案。在進入 M 理論之前,我們將先討論其基礎,也就是量子理論(quantum theory)。特別是其中的多重歷史(alternative histories)概念,亦即宇宙並非單一的存在,或只有一個唯一的歷史,而是有各種可能的歷史版本同時存在著,稱之為「量子疊加」(quantum superposition)的概念。請看 Stephen Hawking: The Grand Design 第四章,多重歷史論。

Comments

光被視為一種波動,除了干涉現象,更關鍵的證據:Maxwell's equations
電磁震盪產生的電磁波,連光速都被 Maxwell 計算出來了。

copyright © 2008~2018, κrazian.com
原創著作 版權所有:轉載應註明作者與出處,商業用途須取得書面同意