Margaret Wertheim谈亚原子

理论物理学家们正被一个矛盾所困扰着。这个矛盾，至今仍不失其百年前的神秘：在亚原子层面，物质既是粒子又是波。这很像波兰裔美国心理学家约瑟芬·贾斯特罗（Joseph Jastrow）在1899年绘制的鸭兔图（duck-rabbit illusion）[2]，亚原子实在对我们来说几乎就像是两种不同的存在。

但与此同时还存在另一个矛盾：物理学本身被量子力学和广义相对论分裂开来。这两个对立的体系对世界的描述不尽相同，奇妙地反映出波和粒子之间的对峙。在面对极大和极小的事物时，物理实在似乎并不唯一，而是有两个。一面，是量子力学将亚原子世界描述成一个个狂舞着的量子（quantum）[3]的领域；一面，则是广义相对论将宇观尺度的事物描绘成时空的平滑流逝，宛若跳着雍容温雅的华尔兹那般。广义相对论就像古典乐，深邃、庄重、典雅。量子理论则像爵士乐，间断、不循常规、缭人视听[4]。

物理学家对物理学这种矛盾的性质难以释怀，他们期望找到矛盾双方的融合或统一体，这便是“万有理论”（theory of everything）[5]的目标所在。不过，对非物理学者来说，这些思想的碰撞史以及由之带来的各种矛盾，似乎既让人不明所以又显得怪诞不经。以我作为科学作家的经验来说，还没有哪个学科会引发如此不同的反应。

但几个月前我才认识到这一观念分裂的严重性。当时，我在两星期内刚好参加了两场公共讨论会。一场是和帕萨蒂纳加州理工学院的一名宇宙学家一起，另一场则是和南卡罗莱纳大学的一名顶尖的文学研究学者一起。在和宇宙学家（我很欣赏他的研究）参加的那场讨论会中，讨论的对象是时间。关于这个话题。他最近刚写了一本很精彩的书。物理学家和哲学家一样，为“时间”这个概念纠结了几个世纪。但那仁兄告诉我们，他们现在已经将时间在数学上确定下来，距离最终的理解只有一步之遥。在他眼中，物理学是通向一个无上精密且包罗万象的“至理”（Truth）的过程。而那位搞文学理论的老兄则完全没这么想过。作为一位研究刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）[6]的学者，他和我参加的是一个关于数学与文学、艺术及科学之间关系的讨论。对他来说，数学是一种令人愉悦的娱乐形式，是一种值得尊敬和享受的形式主义。而物理学家就真理所做出的任何宣言，在他眼里都是“毫无意义的”。他说，这类基于数学的科学，只是“另一种讲故事的方式”。

一方面，物理学被看作是迈向对实在的终极理解的道路；另一方面，它带给我们对实在的理解，在地位上又被认为与神话、信仰、甚至文学毫无二致。因为我花在科学和艺术领域的时间差不多，所以我遇到过不少这种二元论（dualism）[7]思想。根据对象的不同，我可以进行两类完全不同的交谈。我们究竟能不能讨论同一个对象呢？

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大部分物理学家都是柏拉图主义者（Platonists）[8]。他们相信，那些在我们世界中被发现的数学关系，说明存在某种独立于（或先验（a priori）[9]于）物理世界的超验（transcendent）[10]真理。由这种观点看，宇宙是遵照一个数学计划形成的，英国物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）称之为“宇宙蓝图”（a cosmic blueprint）。发现这个“计划”是很多理论物理学家的目标，因此，理论框架基础上的二元分歧让他们极度沮丧。这就好像宇宙的创建者设计了一个精妙复杂的谜题，一定要我们把两个完全不相容的部分结合在一起。两部分都是必须的，因为二者做出的预测都被证明精确到小数点后十几位。而且，正是以这些理论为基础，我们才创造出了芯片、激光器和全球定位卫星等划时代的发明。

就算先回避广义相对论和量子力学的对立，二者各自还是引发出了一些哲学问题。空间和时间，是像广义相对论认为的那样，是宇宙的基本量，还是某个更基本的、可能由某个量子过程导致的量的表象？再看量子力学，其中大量的讨论都围绕着最简单的情形进行。原子内的电子每改变一次轨道[11]，或者光子每穿过一条狭缝，是否都会让宇宙分裂出几个副本？一些人表示肯定，其他人则完全不认同这点。

甚至在量子理论中众人皆知的波的含义上，理论物理学家都不能统一意见。到底是什么在“波动”？这种波是物理实在的，还是只是概率分布的数学表示？“粒子”是否由“波”引导？如果是，则如何引导？由波粒二象性引发的两难只是认识论[12]冰山（epistemological iceberg）之一角，人类已经在那折戟沉沙不知多少回了。

本着不服输的精神，一些理论物理学家纷纷提出一些有趣而大胆的方法，试着解决这些困难。以量子理论“多世界”诠释（"many-worlds" interpretation）为例，它假设亚原子层面每发生一次事件，宇宙就会分裂成数个稍有不同的副本，每一个新“宇宙”呈现出该事件的一个可能结果[13]。

1957年，当这个想法首先由美国物理学家休·埃弗里特（Hugh Everett, 维基百科作Hugh Everett III）提出时，它被视作是几近疯狂极端的观念。即使20年过后（那时我还是物理专业的学生），我的教授们依旧认为走这条路有些冒险。不过多世界观点在近年来还是成为了主流。在被弦论家接受之后，这一准无限、不断涌现的宇宙链的说法变得更为可信。他们认为，弦论方程中每一种可能的数学形式，都对应于一个真实存在的宇宙。他们还估算出10的500次方种不同的可能性。让我们做点比较来说明这一点：物理学家认为我们的宇宙中总共有大约10的80次方个亚原子粒子。而在弦宇宙学中，既存宇宙的总数就远超我们宇宙中粒子总数400多个数量级之多。

在我们的经验中，没有哪个数能与这个超乎想象的大数相比。理论家认为，在弦论各因数范围内，每个数学上可描述的宇宙，包括那些有个拖着猴尾巴的你的宇宙（这个例子借用了美国弦论家布里安·格林（Brian Greene）的说法），都会在一个巨大的超空间宇宙链的某处出现。这条链是超然于我们宇宙的时空泡沫（space-time bubble）之外的。

这其中有个认识论上的冒险，即认为方程能表征基本的实在。数学上对大数种可能性的成立被视为是大数个真实世界存在的证据。

把方程这样具体化，让一些人文学者觉得自己天真而无知。至少，它提出了关于实在的数学模型和实在本身的关系这一严肃的问题。虽然，物理学史上很多重要的发现的确是从方程中受到的启发（保罗·狄拉克（Paul Dirac）关于反物质的公式也许是其中最著名的例子[14]），但就算我们没受过专业的相对论训练，也会对这个观点表示怀疑。这个观点认为当今唯一的方式就是接受一个包含无限宇宙的宇宙“图景”（landscape），这个图景囊括了任何能够想到的历史轨迹、包括那些包含永无止境的中世纪和希特勒最终获得胜利的宇宙。

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从我成为物理专业的学生到现在的30年里，物理学家对物理学的诠释越来越咬文嚼字，而人文学科则走向后现代主义（postmodernism）[15]。二者观念分歧的僵局就此产生。两边对于稍稍异己的观点都不予考虑，我们很难找到出路。不过在已故的英国人类学家玛丽·道格拉斯（Mary Douglas）的著作中，我觉得我们可以找到某种方法来思考其中的一些问题。

《纯洁与危险》（Purity and Danger, 1966年著）这本著作表面上看与物理毫无关系，它探讨的是全球各地文化中“肮脏”和“洁净”的本源。道格拉斯研究了各类与不洁相关的禁忌，但她的书最后是以人类语言和语言体系的局限这一深远的主题结束的。因为物理学是用数学的语言表述的，这样她的论证在此便有了参考价值。

简而言之，道格拉斯写道，所有语言都会把世间万物分类。以英语为例，我们把一些事物称作“哺乳动物”，而把另一些事物称作“蜥蜴”。通常我们对这两类事物都能分得很清楚，但还是有一些让我们没法干脆地将其归入其中任何一类的例外，穿山甲（又称披甲食蚁兽）就是一例。虽然穿山甲和哺乳动物一样都是恒温动物，而且直接分娩幼崽，但它们又像某些奇特的蜥蜴那样有着一个披有甲壳的身体[16]。这种界定模糊的现象并不为英语所独有。道格拉斯写道，所有的分类体系都包含有一定的不准确性，而她认为这些不准确就是不纯和不洁的本源。

任何不能在既定的语言体系中顺利归类的事物，都会成为使用这种语言的文化的焦虑源。道德拉斯宣称，它们会引起一些特殊仪式，其本身实际上就是承认了这种语言的局限性。以刚果的莱勒（Lele）文化为例，这一认识论上的冲突在他们对穿山甲的特殊崇拜上可窥一斑。他们以吃掉这种令人反胃的动物为仪式，使之神圣化，并为整个部落洗去“污秽”。

道格拉斯写道：“任何思维结构都能产生力量。”我们倾向于认为我们理解的分类都必然是真实的。“我们内在地都渴求着固有不变，”她继续写道，“期望明确的界限和清晰的概念是人类生存状态的一部分。”不过，在我们拥有它后，她说：“我们要么得面对有些事物并未囊括其中的事实，要么就干脆对这些概念的缺陷视而不见。”无法给穿山甲归类的不止莱勒人，生物学家仍在为它在物种进化树上的位置争论不休。

在道格拉斯眼中，文化本身可以根据其对语言模糊性的理解来进行分类。一些文化接受其语言乃至语言本身的局限，认可总有一些事物无法清楚地归类这一观点。一些文化则沉浸在找寻更好的分类方式上，试图在体系中剔除所有像穿山甲那样的“鸭兔”怪胎。道格拉斯称，在这类社会中，随着分类方式对能量和思维活动的需要越来越多，一种恐惧便随之产生。如果我们遵照这一分析，借用道格拉斯的话，是否就可以说波粒二象性就是物理学中的穿山甲呢？也许我们在这里遇到的不是实在的吉光片羽，而是物理学分类体系的局限。

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物理学的现代体系扎根于数学语言。它是所谓的“硬”科学，意指物理学毫不含糊。它和生物学等学科不同，后者的分类体系一直处于争论之中。物理学以数学为本，它的分类被认为拥有其它科学所没有的严密。大量近乎神秘的关于这一学科的论述，都和数学在其中“源”何产生有关。

用世称“科学革命”时期的伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）及其他先驱者的话来说，自然是上帝写就的一本“书”，他所用的语言是数学，因为它具有柏拉图主义意义上的至高无上和永恒不变。虽然现代物理形式上与基督信仰已经没有了联系，但它先前与宗教的长久关联还是让物理学家或多或少地体现出了一些“上帝的思想”（the mind of God）的感觉，而很多“万有理论”的支持者本质上也还是柏拉图主义者。

要想明确地对物理学是什么做出更细致的理解，我们得先用另一种思想替代柏拉图主义。我们先不假设数学是由某个永恒之物或过程预置的，然后来解释数学是怎么在这个世界上“产生”的[17]。为不带偏见地解决这个问题，抛开圣书[18]中美妙而含蓄的隐喻以及作者引起的情感共鸣，让我们将注意力集中到物理学（而非世界）作为一门科学的创生过程吧。

我们说“数学是物理的语言”的意思是，物理学家有意将世界归纳成各种数学化的模式，这些模式就是“自然律”（laws of nature）。因为数学模式是数字化的，所以物理学家的主要任务，就是找到将物理现象抽象成数字的方法。十六、十七世纪的哲学讨论称其为“量化”（quantification）过程，今天我们则称之为“测量”（measurement）。我们可以用这样一种方式来看待现代物理学：它是一个更加精巧的量化过程，可以增加和丰富我们把世界抽象成数字的方法，从而给予我们的模式或“定律”所需的原材料。这可不是一个不值一提的事情。实际上，哪些量可以测量、如何测量这些量等问题，是物理学史的主线。

现在让我们暂停片刻，看看身边的事物。你觉得周围哪些东西是可以量化的？你看到的颜色和形状是怎样的？房间亮不亮，热不热？有没有鸟鸣？你还能听到什么声音？这些感观中，哪些（如果有的话）是可以测量的呢？

在14世纪之初，牛津大学里一群日后被称为“计算家”（calculator）[19]的学术修士（scholarly monk）开始思考这一问题。运动是他们关注的课题之一，而且正是他们首次提出了我们现在称为“速度”和“加速度”的量——前者是物体位置的变化率，后者是速度自身的变化率[20]。在我们这个可以从汽车的数字仪表盘读出车速的年代，发现“速度”，对我们这群对速度概念司空见惯的人来说，着实是一个惊人的想法。

不过，虽然有计算家的进步，运动学还是几乎没有什么进展，直到16世纪末伽利略和他的同辈们才接过这跟接力棒。在这中间的时段里，量化过程不得不得从理想的重担中抽离出来。老实说，它们在这些理想中是受阻碍的。除却运动之外，计算家还对罪恶和恩典等品质感兴趣，而且他们也试图找到量化这些品质的方法[21]。在计算家和伽利略中间的时代，研习量化的学者开始研究哪些量需要从计划中排除。说白了就是，要让物理学走上正道，我们的眼界就得放窄一点。

准确地说，清楚说明如何达成这一限定的人是17世纪法国的数学家兼哲学家勒内·笛卡尔（René Descartes）。一门基于数学的科学可以描述什么呢？笛卡尔的答案是，新一代的自然哲学家必须将自己的研究限制在物质关于空间和时间的运动上。他说，数学可以描述延展的物质领域，或称“物质实体（res extensa）”。思维、感觉、情绪和道德则被他归入“思维领域”，或称“精神实体（res cogitans）”，是不能数量化的，从而超出科学的范围。笛卡尔的这一区分并没有将意识从肉体中剥离出来（这是希腊人的认识），他只是澄清了新物理学的研究对象，这一点至关重要。

那么，在运动之外还有哪些量可以量化呢？在很大程度上说，物理学的发展就是一个缓慢扩充这个问题的答案的过程。以色彩为例，红色看上去有一种无以名状难以约化的感觉（quale）。然而，在19世纪末，物理学家通过棱镜散射发现，彩虹中的每一种色彩都对应不同波长的光。红光的波长在700纳米左右，紫光则在400纳米左右。色彩可以对应成数字，即电磁波的波长和频率[22]。至此我们便遇到了二象之一的波。

电磁波的发现实际上是量化计划的伟大胜利之一。在19世纪20年代，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）注意到，如果在一块磁铁周围撒上铁屑，它们就会立即组成一种线状图样。他猜测，这种现象是由“磁场”引起的。物理学家今天已经将场视为自然的一种基本形态了，但当时正值工业革命伊始，机械哲学论（philosophical mechanism）[23]达到顶峰，法拉利的同行都对他的猜测嗤之以鼻：不可见的场简直就像魔法那样荒诞不经。然而，在19世纪末，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）阐释了磁场和电场可以用一组精确的方程联系起来（即现在广为人知的麦克斯韦定律[24]），他以此预测了电磁波的存在。这些对当时还是世界未知领域（即那些隐藏的“场”）的量化，衍生出整个现代电通信。由此，我们现代生活中的很多事物才得以出现。

现在让我们转向二象的另一边：粒子。在一系列如雨后春笋般出现的电磁设备的帮助下，19世纪末、20世纪初的物理学家开始探测物质的内部。他们发现，原子是由分别带正电荷和负电荷的部分构成的。带负电的电子成对地围绕带正电的核运动，每对电子中两个电子的状态（或称“自旋”）都稍有不同[25]。自旋后来被证明是亚原子领域内的一个基本特征。物质粒子，如电子，自旋值为1/2[26]。光粒子（或称“光子”），自旋值为1。简而言之，将“物质”与“能量”区分开来的性质之一就是粒子的自旋值。

我们已经看到了光的那些像波一样的表现。然而，过去一百年来的实验还说明，在很多情况下，光表现地反而像一束粒子。在光电效应[27]中（阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）凭借对此现象的解释[28]而获得了1921年的诺贝尔奖），单个光子将电子击出其原子轨道。而在托马斯·杨（Thomas Young）1805年的著名的双缝实验[29]中，光的行为既像波又像粒子。实验中，待测的离散光子束神奇地被某种波引导着，其效果要经过一段很长的时间才会显现[30]。这种波的根源是什么？数以亿计的孤立光子在一个很大的时空间范围内被分开，这种波又是怎样影响它们的？已故的诺奖得主理查德·费曼（Richard Feynman, 量子场论的先驱之一）在1965年曾说，双缝实验处在“量子力学的核心”[31]。其实，在过去的两百年里，物理学家一直都在探讨如何解释业已证实的光的二象性。

就像光波有时表现地像物质粒子那样，物质粒子有时也会表现成波。很多情形下，电子显然是粒子：旧式电视机里，阴极射线管内的电子枪把它们打到屏幕上，每个电子都会在屏幕上引起一个细小荧光。然而，在围绕原子核的轨道运动中，电子更像是一个三维波。电子显微镜利用的就是它在波的方面的性质[32]：这时，它们实际就像是短波长的光。

波粒二象性是我们世界中的一个核心特征。或者，我们应该说，它是我们对世界的数学描述的核心特征。鸭兔体随处可见，大量地迎合着物理学家想要的形象而变幻，比如说，变成兔子。但这里需要注意的关键之处是，尽管我们所见的图象很模糊，宇宙本身却依旧是一个整体，显然它没有因两象矛盾而支离破碎。这个充满诱惑的整体性，就像永恒的圣光那样，近在眼前却又咫尺天涯，引领着物理学家前进。

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往重要性方面说，量化计划让物理学家获得了深刻有力的洞察力以及现实性的收获：如果物理学家没有发现描述半导体材料能隙（band-gap）[33]的方程，那么您现在用来阅读这篇文章所用的电脑将不复存在。芯片、等离子屏幕和手机都是量化过程的副产品。每十年里，物理学家都会确认一种新的性质，能够在修正后对其进行测量，然后引起新的技术可能。从这个意义上说，物理学就不只是讲述世界的另一个故事了：它与人文学科、神话和宗教所讲述的故事相比，在性质上完全不同。没有任何语言能比数学更胜任地表达粒子自旋和电磁场强度。物理学家，同其方程一道，向我们展现了世界的新维度。

也就是说，我们应该谨慎地处理终极真理的问题。量化计划还远不完备，其最终会包含哪些内容还尚有争议。让我们再来看看红色。红色并不仅仅是一个电磁现象，它也是一种感观和对比现象。紧盯一张绿色方块一分钟后再看别处，你会看到一个红色方块状的余像[34]。即便没有红光传入眼睛，你的大脑还是接收到了一个清晰鲜明的红色色块。这就如歌德（Goethe）在18世纪末提出、埃德温·兰德（Edwin Land, 宝丽来胶片的发明者）重提的那样，颜色不会转化为单纯的光学效果，它在我们思维中的比重和在外部世界中的一样多。就我个人来说，任何关于电磁波谱的知识都无法让我理解为什么某种色度（shade）的黄色会让我反胃，而亮橘色（electric orange）[35]却让我很舒心。

笛卡尔可不简单。通过将实在分为物质实体和精神实体，他捕捉到了某些对人类经验至关重要的东西。你不必是一位铁杆的二元主义者，就可以意识到主观经验可能不能用数学来处理。对道格拉斯来说，“强行将经验用非矛盾的逻辑来分类的尝试”，是痴求纯粹（purity）的“最终矛盾”。她强调，“经验不能[被这般狭隘地]处理，做这种尝试的人会发现自己终将陷入矛盾之中。”

典型的说法是，可以量化的性质是那种同类物质共有的性质。所有的电子在本质上都是相同的：任给一种物理情形，每个电子都表现一致。但人不会如此。我们的个性决定我们变成令人发疯的人：当科学试图将我们降格为电子时，无怪乎人文学教授会抓狂。

道格拉斯关于将经验做非矛盾逻辑分类的论述，也显然适用于物理学，尤其是最近关于量子理论和相对论结合部的研究。两个或多个亚原子粒子会发生“纠缠（entangle）”，这是量子科学最迷幻的发现之一。一旦粒子间处于纠缠状态，我们对其中某个所做的操作都会立即对其它粒子产生影响，即使它们在几百千米之外也不例外。然而，这与狭义相对论的一条基本假设相悖。这条假设认为，没有任何信号的传播速度比光速更快。纠缠的存在证明，量子力学和狭义相对论之一、或二者一并，需要人们重新构建。

更具挑战的是，考虑一下这种情况：如果我们将两个处于纠缠的光子分别发送到两颗在外太空运行的卫星上，会发生什么。这是一组与纠缠态理论家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）一同工作的中国物理学家目前打算做的[36]。在这里，我们要考虑到这一点：物体在近地轨道上会受到狭义、广义相对论的双重影响，这使得细节上很复杂。但我们知道如下信息就够了：由狭义相对论，卫星的运动使其时间变慢；而弱引力场又使得时间加速[37]。在这样的情形下，我们就不太可能知道哪个光子会先到达哪颗卫星。对地面的观察者来说，两个光子同时到达两颗卫星。而对卫星一上的观察者来说，向卫星二发射的光子会先到；对卫星二上的观察者来说，则是卫星一的光子先到。我们就此陷入矛盾的泥潭，没有人知道实际那在发生了什么[38]。如果中国组的实验能够进行，我们可能就会需要一些全新的物理观念。

你一定注意到了，这几个例子关注的都是时间问题，这与许多涉及相对论及量子力学的佯谬（paradox）[39]一样。时间确实是一个贯穿物理学的大难题，关于它的佯谬出现在不同层次的存在中。在《时间重生：从物理学的危机到宇宙的未来》[40]（2013年出版）一书中，美国物理学家李·斯莫林（Lee Smolin）宣称，在四百多年里，物理学家思考时间的方式，从根本上说都是有悖于经验的，因此也是错误的。他说，要想从物理学某些最深的矛盾中挣脱出来，我们必须从最根本上重新构想时间。斯莫林在今年四月份的《新科学家》（New Scientist）的专栏中写道：有一种观点是，自然的基础是由原子组成，原子则具有永恒的性质，在不变的空间中移动，受不随时间变化的规律制约。这些都是基于一个形而上学的观念，即时间不存在或影响甚微[41]。这个观点是几世纪以来科学进程中的根本观念，但它对基础物理学和宇宙学的作用也要到此为止了。

为解决物理学家描述时间和我们感受时间的矛盾，斯莫林认为物理学家有必要放弃时间不变的概念，而接受一个自然律也在演变的观点。

这是很激进的说法，不过斯莫林素以异见著称，比如，他曾毫不留情地批评过弦论[42]。不过他这本书的核心思想还是很有价值的：他反对方程的自反性物化（reflexive reification）[43]。他说，因为数学上对时间的描述极大地违背了我们对时间的感觉，那么要改变的就应该是我们的数学描述。

这句话用道格拉斯的方式来说，就是，那些被归功于物理学家思维结构的力量其实是金玉其外。她会说，“强行将经验按非矛盾逻辑归类”已经不可避免地失败了。在波粒穿山甲的迷思中，我们已经发现了物理学家语言系统的极限。我和斯莫林一样，一直相信物理学中时间的“块”概念（"block" conception）[44]是不充分的，我要为这本令人兴奋不已（有时也具有高度的猜测性质）的书鼓掌。不过，如果我们可以通过重建公理来修正当前的体系，那么（假设道格拉斯是对的）这个新体系也还是会有其自己的穿山甲。

在量子力学的早期发展中，Niels Bohr总爱说，我们可能永远都不会知道“实在”是什么[45]。Bohr借用John Wheeler杜撰的一个词语，将宇宙称作是“一头巨大的喷雾龙”（"a great smoky dragon"）。而且他还声称，我们能用科学所做的事，只是创制出预测越来越精确的模型。玻尔的实证主义（positivism）[46]在理论物理学家中已经过了时，它被一种更坚定的柏拉图主义替代。方程的每个可能的形式都一定有物质性的对应，我把这种说法（某些弦理论家正是这样做的）看做是一种简单粗暴的对映主义（literalism）[47]。它让我想起古老的托勒密信徒，他们认为，演示仪器上的每个数学化本轮都一定代表一个物理上存在的宇宙传动轮[48]。