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物理学哲学研究与方法论特征

 论文栏目:哲学基础论文     更新时间:2017/2/21 9:56:07   

摘要:文章围绕爱思唯尔科学哲学手册的《物理学哲学》一书中经典相对论、宇宙学哲学问题和量子引力部分进行分析,探讨了物理学哲学研究的新视野,指出了它们所揭示的物理学概念解释的新特征以及物理学理论理解的新特征。

关键词:经典相对论;宇宙学;量子引力;概念解释;形而上学

正如巴特菲尔德和厄尔曼编撰的《物理学哲学》一书所言,近半个世纪以来,物理学哲学充满活力有两个重要的原因,第一是与所分析的科学哲学的形成期相关,第二则是近半个世纪以来物理学自身的研究有关。也正因此,在物理学哲学发展的进程中,其研究的论题和研究方法也随着科学哲学和物理学自身的论题和方法进行着改变。在很长一个历史时期内,物理学哲学曾经关注经验物理学领域,物理学哲学的探讨与对客观性、真理性以及科学合理性的辩护分不开。而在当前宇宙学、量子引力发展的前沿时刻,《物理学哲学》一书体现了当代物理学哲学研究的新特点。本书与以往物理学哲学书籍最大的不同之处就在于,在以往物理学哲学著作往往重点讨论统计物理学、相对论和量子力学的哲学问题的基础上,增加了新的领域:“这些支柱的结合”———量子引力,并运用决定论和对称性这两个“能架起联结物理学理论间(甚至三大支柱间)鸿沟的桥梁”的主题,把最终的讨论由具体引向一般,从而让我们看到两个结论:第一,物理学哲学和物理学之间并不存在清晰的界限。第二,物理学概念的复杂化,想要借由物理学去丰富哲学,并非容易。本文主要就书中的“经典相对论”、“宇宙学中的哲学问题”和“量子引力”等内容进行分析,指出它们所揭示的物理学概念解释的新特征以及物理学理论理解的新特征。

一相对论、宇宙学和量子引力哲学概要

巴特菲尔德在引言中指出,数学的相对论者在不断深化我们对广义相对论基础的理解。大卫•马拉蒙特的“经典相对论”[1]一文就明显具有这样的特点,并不讨论经典相对论的历史发展及其实验依据,而是以微分几何的语言,从概念和形式化的角度对相对论的结构以及相对论引发的一些基础问题进行了分析和讨论。首先从描述相对时空的结构开始,相对论的弯曲时空是一类几何模型(M,gab)表示的相对时空,其中M为一个平滑的连续的四维流形,gab是M中的一个平滑的半黎曼度规。其中每个模型都代表一个与理论的约束条件相容的可能世界。M可以解释为世界中点事件的流形,而gab的解释则关乎四个物理学解释性原理,由点粒子和光线的行为决定,由此把引力和时空几何效应等同起来。当粒子只受到引力作用时,它的轨迹为弯曲时空的测地线。而任何质量粒子的加速度即偏离测地线的轨迹,由引力以外的力决定。马拉蒙特详细地描述了gab的解释性原理和限定条件。在此基础上分析了本征时间、某一点的空间时间分解及粒子动力学、物质场、爱因斯坦方程、类时曲线的汇与“公共空间”、基灵场与守恒量等内容。经典相对论中所有发生的事件都可以用物质场F表示,为时空流形M中的一个或者多个平滑张量或旋量,满足包含gab的场方程。Tab为与F相关的能量-动量场,时空的弯曲受物质分布的影响,任意区域的时空度规和物质场会发生动力学相互作用,遵循爱因斯坦方程。在专题讨论部分,关于闵可夫斯基时空中的相对同时性的地位,试图还原爱因斯坦定义同时性对标准关系选择的特定背景;关于牛顿引力理论的几何化,将引力化的牛顿理论与爱因斯坦相对论进行了结构上的对比;关于时空的整体“因果结构”,关注了什么程度上时空的整体几何结构能够从其“因果结构”中得到。“宇宙哲学中的问题”[2]的作者是乔治•F.R.埃利斯。宇宙学哲学的部分在书中起着承上启下的作用,因为一方面,宇宙学哲学的研究基于爱因斯坦广义相对论引力理论时空曲率和宇宙的演化由物质决定的思想,用广义相对论描述宇宙远古时期之后的演化;另一方面,由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物质高密度状态下无法忽略引力问题,因而无法避免引力理论。总的来说,整篇文章把当代宇宙学看作是观测宇宙学、物理宇宙学、天文宇宙学与各种形式的量子宇宙学共生共长、互惠互补的综合理论系统,想要给出一个“描绘真实宇宙起源和演化的理论”。主要内容分为两大部分,第一部分为宇宙学概论,包括基本理论、热大爆炸、宇宙观测、因果和可视世界、理论的发展、暴胀、极早期宇宙、一致性模型等内容,并澄清了关于宇宙暴胀和超光速等问题的一些误解。在埃利斯看来,“宇宙学正在由一种猜测性的事业向真正的科学转变,这不仅带来了与科学革命相近的多种哲学问题,也使得其他哲学问题更加紧迫,例如关于宇宙学中的说明和方法等问题。”因此文章第二部分进行的问题讨论围绕这些说明和方法问题展开,讨论了宇宙的唯一性、宇宙在空间和时间上的巨大尺度、早期宇宙中的无约束能量、宇宙起源的解释问题、作为背景存在的宇宙、宇宙学明确的哲学基础、有关人类的问题:生命的精细调节、多元宇宙存在的可能性和存在的本质等九大问题。在此过程中,埃利斯提出了34个论点,关涉到这9个问题的方方面面,包括人择原理和多重宇宙存在的可能性等。这些论述关乎几何学、物理学和哲学,它们构成了宇宙学面面临的哲学问题的环境及其与局域物理学之间的关系。埃利斯期望通过这一系列讨论改变人们认为宇宙学只不过是确定一些物理参数的简单看法。“量子引力”[3]一文的作者是卡罗尔•罗韦利,内容大致可分为四个方面。第一,量子引力的研究方法,包括早期的历史和方向、目前的主要尝试性理论等。量子引力的早期思想可以概括为“用一个理论来描述引力的量子特性”。期间出现的第一种方法是罗森菲尔德等人的“协变化”方法,通过引入一个虚构的“平坦空间”来考虑周围度规的微小涨落,并且运用电磁场中的方法来对这些波进行量子化;第二种是伯格曼等人的“正则化”方法,研究和量子化整个广义相对论的哈密顿函数,而不只是量子化其围绕平坦空间的线性化函数;第三种是米斯纳等人的路径积分方法。目前主要的尝试性理论主要介绍了基于协变化方法发展起来的弦理论和基于正则化方法发展起来的圈量子引力理论以及它们之间的争论。第二,关于量子引力研究方法论问题。指出量子引力研究的理由包括经验数据的缺乏和对引力是否应当量子化的思索。分析了当前量子引力研究中的各种态度以及科学知识的累积性和科学哲学的影响。第三,空间和时间的本质,包括广义相对论的物理意义、背景无关性、时间的本质等。第四,与其他未决问题之间的关系,包括统一、量子引力学的解释宇宙学常数、量子宇宙学等等。这些章节的详细内容不是本文的重点,我们想要做的,是分析作者的研究方式所代表的当代物理学哲学研究的视野和方法的转变。本书的研究方式明显地具有两个特征:第一个特征关乎物理学概念的解释:物理学的概念解释脱离不开数学形式化下的整体系统;第二个特征关乎新的物理学理论的理解:在理论的发展中处处显示物理学和形而上学的交织统一。这两个特征与这些物理学研究领域实验检验的缺乏以及理论构造的特征密切相关。

二物理学概念解释的新特征:数学形式化整体系统中的关联解释

巴特菲尔德相信当前基本物理学中的基础问题会为物理学哲学提供从最为有趣且最为重要的问题,而我们关注的是本书处理这些基础问题的方式。虽然从章节上来看,物理哲学的论题被划分为若干个领域,但从内容上,完全可以看到作者的用心,站在当代数学物理学发展的高度用整体微分几何等数学语言对物理学系统进行重新形式化和解释,每一章节的紧密联系使得物理学作为一个整体系统得以呈现。其中对每一个物理概念解释的细节,正是物理学哲学追求的基础问题的答案。可以说,概念解释居于本书的核心地位,物理学哲学解释问题的最重要的方式就是处理当代物理学中的概念和解释问题。

(一)物理学概念的解释:我们理解世界的基础

物理学的发展时时刻刻影响着人们对世界的理解方式,其途径就是物理学概念的解释。经典物理学、相对论和量子力学曾极大地改变我们对世界的看法,它们在经验上的有效性曾经强化过我们对科学理论客观性和真理性的观点,也曾让很多物理学家追求理论的实用性而认为有些基础性的问题毫无意义。但当前宇宙学和量子引力理论的提出,使人们重新注视广义相对论和量子力学的不相容性的时候,从广义相对论以来的一些基础性问题和哲学问题得以重新复兴。相对论为我们宇宙的时空结构确定了一类几何模型,其中每个模型都代表了一个与理论的约束条件相融的可能世界或区域。而我们对时空的理解涉及整体时空结构和爱因斯坦方程的约束条件等等。宇宙学和量子引力的研究则让我们明白,改变我们对空间和时间的理解的广义相对论是在可以忽略引力的量子特性时对引力进行描述的场理论,那么真正的空间和时间的本质又是如何呢?我们对宇宙起源的理解绕不开量子引力方法的尝试,但这种尝试要受到很多约束,比如成熟量子引力理论的缺乏、量子力学基础问题,比如测量问题、波函数的塌缩问题等。现在人们期望得到的成功量子引力的路径基于目前理论的发展,比如惠勒-德维特方程和宇宙波函数思想、来自弦论思想的高维时空方法,或者圈量子引力的应用等。但这些问题是否能真正解决宇宙起源的问题却并没有确切的答案,比如维兰金的创生虚无的真理论的理解要依赖于量子场论的精致框架和粒子物理学标准模型等很多结构,而这些基础本身也是需要解释的。可以说,我们理解世界的基础就在于我们用于理解它的那些概念的意义。

(二)概念解释的新特点:数学形式化下整体系统中的关联解释

巴特菲尔德在经典力学的辛约化中指出,经典力学的核心理论原理已经被欧拉、拉格朗日、哈密顿和雅可比等改写,“我们已经认不出来了,因此对它们的哲学反思也发生了变化。”因此引入辛几何、李代数等语言对理论进行形式化,旨在利用辛约化理论使连续对称和守恒量之间产生联系的特征,从理论结构上显现经典力学与量子物理学的联系,这是运用数学形式化系统展现物理学理论的对称性本质。相对论、宇宙学和量子引力哲学部分,情况也是如此。整本书是站在当代数学发展的高度,运用拓扑学、群理论和微分几何等重新形式化物理学的整个体系,并对其概念进行剖析的一个过程。而对基本问题的理解,则建立在概念剖析的基础之上。在这些文章中,理论发展的历史状况和实验成果,只是系统阐释整个理论概念和解释的背景而已。作者们的重点则放在用数学领域的发展和物理学理论形式化的诉求,促进对物理学理论结构的探索,进而把论题转化为对其哲学问题的探讨。理论的形式化体系、概念结构和物理学解释是有机地结合在一起的。在牛顿引力的几何化中,也是站在当代物理学和数学发展的高度,重新形式化作为相对论弱场近似的牛顿理论,得到与广义相对论类似的数学结构,正是在这个意义上,才能够好地发现两个理论在何种条件和何种程度上是相符的,又在何种条件和何种程度上是区别的。在这个形式化的整体系统中,对于物理概念的解释不再是孤立的解释,而是站在理论的数学结构的高度,成为一个整体系统中的关联解释。这在很大程度上突出了物理学哲学中语义分析方法的重要性,因为没有完全独立的概念,物理学的概念定义之间互相依赖,只有在一个系统的语义结构中才能理解概念的意义。如普斯洛斯在这套爱思唯尔哲学手册的《一般科学哲学》一书中所言:“理论解释的唯一方式就是把它嵌入到同类概念的框架中,并尝试着解开它们的相互关联。”[4]

(三)旧概念重新解释的意义:还原理论创立过

程中概念选择的特定背景在物理学的发展中,每一次理论创新和进步都伴随着新概念的提出或旧概念的重新解释,站在理论发展的角度考虑,这样的解释会让我们更好地理解物理学理论的提出、发展和变迁的合理性。比如马勒蒙特在经典相对论一文中对闵可夫斯基时空环境下相对同时性关系的重新考虑。马勒蒙特指出,当相对于一个四维速度矢量将一点上的矢量分解为“时间”和“空间”分量进行讨论时,我们理所当然地相信包含正交性的相对同时性的标准认同。在解释这种认同的理由时,根据方便在闵可夫斯基时空结构即狭义相对论体系下进行分析。他援引霍华德•斯坦的论述,指出采用相对同时性的标准(ε=1/2)的惯例是需要特定背景的。在他们看来,爱因斯坦是为了解决我们无法检测到地球相对于以太的运动而采取的解决方案,以一种特定的方式(ε=1/2)来思考同时性,但如果并非从爱因斯坦最初的思路来考虑,而是从一个成功理论的高度来理解它,把相对论视为是针对时空结构不变性的论述时,其意义就完全不同了。这在很大程度上还原了爱因斯坦对同时性做出的“定义”中挑选出来的这种标准关系的实质,它可能并非一种自然的存在,而是理论选择的特定需要,还原这个过程,对我们更好地理解理论和概念的本质有着重要的意义。

(四)新理论的概念澄清:科学进步的必然现象

物理学史上每一个新理论的诞生都会引起旧的概念的澄清,量子引力就是个很典型的例子。量子引力是对空间和时间本质的探索,它引导我们重新思考关于时间、空间、“在某处”、运动和因果观测者的地位等很多问题。作为试图把广义相对论和量子理论结合的理论,我们需要以历史的眼光重新追问。我们都知道,广义相对论改变了我们对牛顿独立于物质运动的绝对空间和时间的理解。量子力学则用我们关于运动的一般性理论替代了经典力学,并改变了物质、场和因果性的观念。但量子力学的外在时间变量和量子场论静止的背景时空都是和广义相对论不相容的。而广义相对论中引力场被假设为一个经典决定论的动力学场,无法处理小尺度引力的量子特性。因此,想要把二者进行结合的量子引力就遇到了困难。正因为如此,罗韦利直言尽管基础物理学在经验上有效,但它正处于一种深刻的概念混乱的状态。虽然20世纪后半叶,物理学注重实用而忽略了这些基本问题,但量子引力告诉我们这些基本问题必须得到新的答案。但问题的澄清并没有一条唯一明确的路可以走,超弦理论和圈量子引力在假设、成就、具体结果以及概念框架上都有着显著的不同,但它们都有自己的代价,弦理论的思想基础是为了消除广义相对论的微扰量子化的困难,保留了量子场论的基本概念结构,其代价之一是放弃广义相对论的广义协变性。圈量子引力植根于描述广义相对论的协变性,但它的代价是忽略了理论的不完备性,放弃了幺正性、时间演化、基本层次上的庞加莱不变性以及物理学对象是在空间中局域化的且在时空中演化的概念。可以看出的是,新理论澄清概念的过程是科学理论进步的必然现象,而这一过程是通过分析在描述世界结构时所产生的概念上的困难来对以往科学的研究框架予以质疑或辩护,这涉及的是对世界本质更深刻的哲学和形而上的思考。

三物理学理解的新特征:物理学和形而上学的交织统一

在本文提到的三个作者中,埃利斯和罗韦利都是从事数学物理学研究的科学家,这也很典型地反映了物理科学家在理论发展中针对基本概念及理论做出哲学思考的传统,在新理论出现和科学革命的时候,这种现象尤其明显,因为新的科学理论往往是形而上学思考和物理学思考交织特别紧密的时候。从各位作者对理论的分析过程我们也可以看出,物理学中的理论方法在解释中实现什么是有限度的,我们需要尊重这个限度,并且承认在很多时候物理学争论的结论是基于某种哲学立场而不是纯粹地给予可检验的科学论据的。事实上这个问题非常值得探讨。从古希腊开始,哲学的中心问题就归属于我们尝试了解自然的形而上学背景,虽然物理学分化以后具有了数学和理论的具体化的形式,这个统一的形而上学思想与本体论的还原论,对于现代物理学来说还是有着显著的重要性,因为物理学理论本身就内含着认识论和形而上学的结论。正如迈克尔•雷特黑德所说的:“物理学和形而上学融合为一个无缝的整体,各自丰富着对方,并且事实上它们谁离开对方也无法进步。”[5]以宇宙学的研究为例。宇宙学的独特性在于它的研究对象是整个宇宙,并且是其他物理和科学的背景。宇宙学的研究本身就具有哲学的性质,因为宇宙形成的条件和远古时期的物理关系是我们无法复制的,并且它已经超越了纯粹的描述解释性作用。我们会面临一系列问题,比如观测范围限制了我们用观测决定宇宙极大尺度几何的能力,物理学视界限制了我们关于及早期宇宙的物理学知识,暴胀的未知性意味着暴胀宇宙的方案是不完备的,初始奇点可能发生也可能没有发生过,可检验的物理学解释不了初始态,因此也解释不了宇宙的特殊性质……太多的问题存在,决定了哲学的选择必然是宇宙学理论的基础。不可避免的形而上学问题必然出现在观测宇宙学和物理宇宙学中。为了在理论中得到明确的几何模型,为了确定早期的物理宇宙学应当是什么形式的,在从已知物理学推测未知物理学过程中决定采用哪一种物理学原理作为核心原理的时候,需要明确的哲学。在理论竞争的过程中,哲学的选择有助于决定在形成理论时应当关注哪一方面的特征。如埃利斯所言,特别重要的是我们的宇宙学理论范围的选择,还有好理论的标准的选择,是一个哲学决定,它将会决定其余的分析。另外宇宙学的研究还包括宇宙如何提供我们赖以存在的生存环境问题。涉及宇宙学定律和边界条件、其他可替代的物理学、宇宙复杂性演变以及生命的精细调节等与人类有关的问题,这又涉及物理学定律和生态系统复杂性、物理学定律和生命适宜环境、宇宙学边界或初始条件与生命适宜条件以及弱人择原理和强人择原理等总体精细调节,另外还要考虑这些原理与基本物理学理论的关系、作为科学和存在的基础形而上学选择。作者强调,宇宙学中探讨的形而上学看似离开了科学的地盘,但它却是科学和存在的基础。再者,在宇宙学范围的理解上,物理学无法解决,多重宇宙学理论的存在就是形而上学不确定性的结果。量子引力的研究也是如此。理论的发展过程中处处充满着对形而上学问题的考虑。比如本节站在广义相对论立场上对时空“实体论和关系论”的形而上学之争的分析。这是老问题新回答的典型例子。牛顿时代对于时空的实体论和关系论的形而上学争论无法解决,但是作者认为站在当代场理论的基础上,如果把空间作为场来理解,实体论和关系论就仅仅是字面意义上的不同而已,但这并不是最终的答案,目前基于量子引力的实体论和关系论争论仍是物理学哲学的热门话题之一。量子引力方案在技术目标、动机和概念框架上的不同不仅仅是方法论的问题,它们代表的是对基本的形而上学问题的理解严重破碎的状况。也正因为如此,新理论的意义建构与解释对物理学哲学的研究有着非常重要的基础性作用。库恩所提到过的理论选择的四种标准意义在此凸显:令人满意的结构、内在解释力、外在解释力以及观测和实验(预言)的支持。对量子引力研究的影响的展望也许会像巴特菲尔德所言,虽然现在量子理论和广义相对论如此成功,但以后看来它们也可能和当年伽利略和开普勒的研究一样,是真知和谬误的大杂烩!物理学的发展也表明,观测和理论模型无论如何发展,都没能做到完全地反映实在。因为我们的理论是认识论意义上的,是关于知识的理论,而关于存在的本质的理论属于形而上学领域,二者之间并不等同。我们作为理解的基础所使用的实在理论和模型必然是实在的真正本质的部分和不完备的反映,随着理论的进步必然会有所更新,而我们对世界的认识,则一直处于物理学和形而上学交织统一的进步之中。

作者:程瑞 单位:山西大学 科学技术哲学研究中心

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