第6章 何為實在 (2)

依賴模型的現實主義解決或至少避免的另一個問題是存在的意義。如果我走出房間而看不見桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那麽說我們看不見的東西，諸如電子或據說是構成質子和中子的叫誇克的粒子存在是什麽意思呢？人們可以擁有模型，在該模型中，當我離開時桌子消失了，而當我返回時，桌子又在同一位置出現了，然而那會是笨拙的。而如果我在外麵時發生了某些事情，比如講天花板落下怎麽辦呢？在我離開房間時桌子消失的模型下，我能夠解釋下回我進入時在天花板碎片之下損毀的桌子重現的事實嗎？桌子留在原地不動的模型簡單得多，並與觀測相符。那就是人們能問的一切。

在我們看不見的次原子粒子的情形下，電子是一個有用的模型，它能解釋象在一個雲霧室中的軌跡和電視顯像管上的光點，還有許多其它現象。據說1897年英國物理學家J·湯姆遜在劍橋大學的卡文迪許實驗室發現了電子。他是利用在真空玻璃管中的電流來做稱為陰極射線現象的實驗。從實驗裏，他獲得一個大膽的結論，神秘的射線由微小的“微粒”構成，這種微粒是原子的物質部分，那時原子被認為是物質的不可分的基元。湯姆遜沒有看到“電子”，他的實驗也沒有直接或清晰地證明他的預測。但在從基礎科學到工程的應用中這個模型證明是關鍵的，而現在所有的物理學家都確信電子存在，即便看不到它。

我們也看不見誇克，它是解釋原子核中的質子和中子性質的一個模型。雖然說誇克構成質子和中子，因誇克之間的束縛力隨著分離而增大，因此孤立的自由誇克不可能在自然中存在，所以我們永遠觀察不到誇克。相反地，它們永遠以三個一組(質子和中子)或者以誇克反誇克對(π介子)存在，而且它們正像由橡皮帶連接在一起似的。

自誇克模型首次提出之後的年代裏，人們一直在爭議，如果你永遠不能分離出一個誇克，說誇克真的存在是否有意義的問題。一些次次核粒子的不同結合構成了某些粒子的思想提供了一種編組原理，由此對其性質給予簡單而吸引人的解釋。但是，盡管物理學家已習慣於接受那些粒子，它們也隻從有關其它粒子散射的數據中的統計的短促嘩嘩聲中推斷其存在。對許多科學家而言，將實在性賦予一個在原則上也許不能被觀測到的粒子是太過分了。然而，這麽多年來，隨著誇克模型導出愈加正確的預言，反對的聲音也隨之消退。某種擁有十七隻手臂，紅外眼以及習慣從耳朵吹出濃縮奶油的外星生物會進行與我們相同的實驗觀察，但不用誇克描述之，這是完全可能的。盡管如此，根據依賴模型的現實主義，誇克存在於一個和我們對次核子粒子如何行為的觀察一致的模型中。

依賴模型的現實主義能夠為討論諸如以下問題提供框架：如果世界是在有限的過去創生的，那麽在那之前發生了什麽？一位早期的基督教哲學家聖·奧古斯丁(354—430)說，其答案不是上帝正為問此類問題的人們準備地獄，而是時間是上帝創造的世界的一個性質，時間在創生之前不存在，他還相信創生發生於過去不那麽久的時刻。這是一個可能的模型。盡管在世界上存在化石和其它證據使之顯得古老的多，(它們被放在那裏是用來愚弄我們的嗎？)那些堅持創世紀中的敘述確實是真的人很喜歡這個模型。人們還能擁有一個不同的模型，在這模型中時間往回延續137億年到達大爆炸。該模型解釋了包括曆史和地學的證據在內的大部分我們的現代觀測，它是我們擁有的對過去的最好描繪。第二種模型能解釋化石和放射性記錄，以及我們接受來自距離我們幾百萬光年的星係來的光的事實。因此，這個模型——大爆炸理論——比第一個更有用。盡管如此，沒有一個模型可以說比另一個更真實。

有些人支持時間能回到甚至比大爆炸還早的模型。目前還不清楚其中時間延續回到比大爆炸還早的模型是否能更好地解釋現代的觀測，因為宇宙演化的定律似乎在大爆炸處崩潰。如果出現這種現象，那麽去創造一個包含早於大爆炸的時間的模型就沒有意義，因為那時存在的東西對於現在沒有可觀測的後果，如此我們也可以堅持大爆炸是世界的創生的觀念。

一個模型是個好模型，如果

1.它是優雅的。

2.它包含很少任意或者可調整的元素。

3.它和全部已有的觀測一致並能解釋。

4.它對將來的觀測做詳細的預言，如果這些預言不成立，觀測就能證偽這個模型。

例如，在亞裏士多德的理論中，世界由土，氣，火和水四種元素構成，而且物體是為了滿足它們的目的而行為，這個理論是優雅的，並不包含可調節的元素。但在許多情形下，它並未做出確定的預言，而當它預言時，又並不總與觀測一致。這些預言中的一個是，因為物體的目的是下落，因此較重的物體應下落得較快。在伽利略之前似乎沒人想到過去驗證這個預言。傳說他從比薩斜塔上釋放重物來檢驗它。這故事可能是偽造的，但我們確知，他把不同的重物從一斜麵上滾下，並且觀察到它們都以同樣速率獲得速度，這與亞裏士多德的預言矛盾。

上麵的標準顯然是主觀的。例如，優雅就不是容易測量的某種東西，但科學家們非常珍視它，因為自然定律是意味著把許多特殊情況經濟地壓縮成一個簡單公式。優雅是指理論的形式，但它與缺少可調整元素緊密相關，由於一個充滿了修補的因素的理論不很優雅。轉述愛因斯坦的話，一個理論應該盡可能簡單，但不能更簡單了。托勒密把周轉圓加到周轉圓上，或者甚至在其上再加周轉圓。雖然增加的複雜性可使模型更精確，可科學家不滿意一個被扭曲去迎合特有的一組觀測的模型，他們傾向於把它看成數據表，而非一個可能體現任何有用原理的理論。

在第五章裏，我們將要看到，許多人認為描寫自然的基本粒子相互作用的“標準模型”不優雅。那個模型比托勒密的周轉圓成功得多。它在幾個新粒子被觀測到之前就預言其存在了，並於幾十年間以巨大的精確性描述了極多實驗的結果。但它包含了幾十個可調節的參數，其數值必須為了配合觀測而被固定下來，而不是由理論本身所確定的。

關於第四點，當新的令人震驚的預言被證明正確時，總給科學家留下深刻印象。另一方麵，當一個模型發現做不到這一點，一種普遍反應是說實驗錯了。如果證明不是那種情形，人們經常仍然不拋棄這個模型，而試圖通過修正來挽救它。盡管物理學家執著地努力拯救他們讚美的理論，隨著改動變得做作而且繁瑣，理論因此而變得“不優雅”，人們修正理論的熱情也就消退了。

如果容納新的觀測所需的修正過分雕琢，這就標誌需要新模型。穩態宇宙的觀念是老模型迫於新觀測而撤退的一個例子。1920年代，多數科學家相信宇宙是靜止的，或者在尺度上不變。後來埃德溫·哈勃於1929年發表了他的觀測，顯示宇宙正在膨脹。哈勃觀察到由星係發射出的光，但並未直接觀察到宇宙在膨脹。那些光攜帶特征記號，或曰基於每個星係成分的光譜。如果星係相對於我們運動，光譜就會改變一個已知的量。因此，哈勃由分析遠處星係的光譜能夠確定它們的速度。他原先預料會找到離開我們運動的星係數目與靠近我們運動的星係一樣多。相反地，他發現幾乎所有的星係都離開我們運動，而且處在越遠的地方，它們就越快地運動。哈勃得出結論，宇宙正在膨脹。但其他人堅持早先的模型，試圖在穩態宇宙的框架中解釋他的觀測。例如，加州理工學院的物理學家弗裏茨·茲威基建議，也許因某些還未知的原因當光線穿越巨大距離時慢慢地損失能量。這種能量減小會對應於光譜的改變。茲威基提議的這種改變能夠模擬哈勃的觀測。在哈勃之後的幾十年間，許多科學家繼續堅持穩態理論，但最自然的模型是哈勃的膨脹宇宙模型，而它已被接受。

在尋求製約宇宙的定律的探索之際，我們表述了許多理論或模型，諸如四元素理論，托勒密模型，熱素理論，大爆炸模型等。我們的實在和宇宙的基本成分的概念伴隨著每個理論或模型而改變。例如，考慮光的理論。牛頓認為光是由小粒子或微粒構成。這就解釋了為什麽光會沿直線旅行，而且牛頓利用它來解釋當光從一個媒質進入另一個媒質時，比如從空氣進入玻璃或者從空氣進入水時，它為什麽彎折或折射。

然而，微粒論不能用來解釋牛頓自己觀察到的稱作牛頓環的現象。把一個透鏡置於一麵平坦的反射板上，並用單色光諸如鈉光對其照射。從上往下看，人們將看到一係列明暗相間的圓環，它們以透鏡和表麵接觸點為圓心。用光的粒子論來解釋這個現象很困難，但在波動論中就能得到解釋。根據光的波動論，那被稱作幹涉的現象導致亮環和暗環。一個波，比如水波，是由一係列波峰和波穀組成。當波碰撞時，如果那些波峰和波穀剛好分別一致，它們就互相加強，獲得更大的波。這稱為建設性幹涉。在這種情形下，波被稱為處於“同相”。在另一種極端，當波相遇時，一個波的波峰可能剛好與另一個波的波穀重合。在那種情形下，波相互對消，被稱為處於“反相”。這種情形稱為破壞性幹涉。

在牛頓環中，亮環位於離開中心的距離為該處透鏡和反射板之間的分離使得從透鏡反射的波和板上反射的波相差整數(1，2，3，……)倍的波長，產生了建設性幹涉。(波長是一個波的波峰或波穀和下一個之間的距離)。另一方麵，暗環位於離開中心的距離為該處的兩個反射波之間相差半整數(1/2，3/2，5/2，……)倍的波長，引起破壞性幹涉——從透鏡反射的波抵消了從平板反射回來的波。

在十九世紀，這個被用來確認光的波動論，還證明了粒子論是錯誤的。然而，在二十世紀早期，愛因斯坦證明，用光粒子或量子打到原子上並打出電子可解釋光電效應(現在用於電視和數碼相機中)。這樣，光既作為粒子又作為波來行為。

波的概念深入人心，或許是因為人們見過海洋，或者見過把一塊小圓石扔進後的小池塘。事實上，如果你曾將兩塊小圓石扔進小池，你也許看到了幹涉作用，正如在前麵圖畫中那樣。其它的**也能觀察到類似的行為，也許除了酒以外，如果你喝得太多的話。從岩石，圓石和沙就很熟悉粒子的概念了。但這種波/粒對偶性——一個物體既可描述成粒子也可描述成波的思想——對於日常經驗而言,卻猶如你能喝下一塊沙岩的想法那麽怪異。

類似這樣的對偶性——兩個非常不同的理論精確地描述了同樣的現象的情形——和依賴模型的現實主義相一致。每個理論能描述並解釋某些性質，而沒有一個理論能說比其它的更好或更真實。考慮製約宇宙的定律，我們所能說的是：似乎不存在一個單獨的數學模型或理論能夠描述宇宙的方方麵麵。相反地，正如開篇提到，似乎存在一個稱作M理論的理論網絡。在M理論網絡中，每個理論都能很好地描述在一定範圍的現象。隻要在其範圍交疊之處，在網絡中的不同理論都一致，這樣它們都能被稱作同樣理論的部分。但在這網絡中沒有一個單獨的理論可能描述宇宙的各個方麵——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及這一切在其中發生的空間和時間框架。盡管這種情形未實現傳統物理學家的單獨統一理論之夢，然而在依賴模型的現實主義的框架中是可被接受的。

我們將在第五章進一步討論對偶性和M理論，但在這之前，我們將轉向量子論，它是作為我們現代自然觀基礎的基本原理。我們特別要關注稱作不同曆史的量子論方法。按照那種觀點，宇宙不僅具有單獨的存在或曆史，而是每種可能的宇宙版本在稱作量子疊加之中同時存在。這聽起來就象隻要你離開房間桌子就會消失的理論般的瘋狂，然而在此情形下，該理論通過了它所經受的所有實驗的驗證。