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。

♣