真實應該是什么樣

苗千

量子引力學家卡羅·羅韋利教授認為，或許又到了人類應該重新審視自己對于真實的理解的時候。時間和空間，可能僅僅是人類的感官對于真實進行的一種近似。

真實的概念從何而來

意大利理論物理學家卡羅·羅韋利（Carlo Rovelli）教授今年60歲，他在意大利和美國都工作過，現(xiàn)在法國馬賽理論物理研究中心工作。羅韋利教授不僅從事前沿量子引力研究，亦通曉科學史，他寫過一本物理學科普書《七堂極簡物理課》（Sette brevi lezioni di fisica）。這本以物理學為主題的書在意大利已經(jīng)再版了19次，被翻譯成了41種語言。

繼上一本現(xiàn)象級的物理科普書之后，羅韋利教授又完成了一本《真實不是看起來的樣子》（Reality is not What it Seems）。這本以意大利語完成的新作在2016年底剛剛有了英文翻譯版本。羅韋利教授帶領讀者們從物理學的起源開始，一步步來到21世紀，回顧了物理學發(fā)展中一些標志性的人物和事件。

人類的大腦經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，已經(jīng)遠遠超越了其他動物，但是人類的感官與其他在野外生活的哺乳動物們并無太大的不同。人類為了生存所進化出的感官所能夠感受到的外部世界（例如能夠感知的聲音頻率和電磁波頻率）并不完整，甚至不真實。讀者可以從《真實不是看起來的樣子》這本書中看到，每一次人類的物理學發(fā)生進步，人們所理解的真實就會發(fā)生改變。現(xiàn)在，真實的意義似乎又一次面臨改變。那么，所謂真實，到底應該是什么樣？

人類所理解的真實世界最初是由自己的生活經(jīng)驗所決定的。在還沒人能環(huán)游地球的時代，人類很容易依照自己的生活經(jīng)驗形成天圓地方的概念，并且相信存在著一位造物主。如果人類能夠看得更遠，自然會明白地球是圓的。假設人類的感覺無比靈敏，可以感受到身邊引力場的微弱變化，可以感受到一納秒的時間的流逝，那么人類對于時空的理解，關于真實的概念，又會有怎樣的變化？

不能通過感官所體會到的真實，可以通過理性思維來達到，人類2000多年的科學史，就是一部逐漸探索真實世界的歷史，科學才是人類最堅實的依靠，而正是我們知識和感官的不完整讓科學探索的過程變得有趣并且珍貴。但科學思維并非從天而降，它需要人擺脫對神的崇拜，對權威的盲從，并且愿意相信，通過理性思考，人類可以理解自己所生活的世界。羅韋利教授所講述的人類科學故事，是從26個世紀之前的古希臘城市米利都（Miletus）開始的。

羅韋利教授相信，在現(xiàn)代興起的關于時空的觀念，其源頭正在古代。而最開始的科學想法，一直到現(xiàn)代科學研究，包括作者目前所研究的量子引力問題，直至最激進的科學猜想，實際上并無本質(zhì)區(qū)別。我們會發(fā)現(xiàn)，古人提出的問題，與現(xiàn)代物理學家們所給出的答案，出奇的契合。

從有文字記錄開始，人類就開始追問，為什么會有宇宙？為什么會發(fā)生各種自然現(xiàn)象？關于這些問題的答案從來都是混雜著想象和神話——直到在26個世紀前的米利都，另外一種答案成為可能。一些人通過觀察和推理，而不是通過幻想、神話或是宗教，用一種批判式的思維方式發(fā)現(xiàn)了真實的另一面。羅韋利教授寫道：科學由實驗、假設、公式、計算和長時間的思考組成，但那都只是工具而已，正如樂器之于音樂家——最重要的是音樂本身。對于人類來說，最重要的發(fā)現(xiàn)是一種完全不同的思考方式，并不依賴于大師和古人，而是依賴自己。米利都的天文學家和哲學家安納西曼德（Anaximander）正是通過這種思維方式認識到大地是浮于空中，雨水來自于地面水分的蒸發(fā)，而世上的所有東西都形成于同一種本質(zhì)，他稱為阿派朗（apeiron）。

科學的誕生是一種偶然

科學并非從天而降，實際上科學思維的產(chǎn)生可以說極為偶然。在當時米利都的政治氣氛非常自由，這座城市還會聚了古希臘、美索不達米亞和古埃及的智慧。在一個沒有皇宮貴族，市民可以自由討論的環(huán)境中，米利都的居民第一次創(chuàng)造出了自己的律法，有了歷史上第一個議會。正是在這里，第一次有人開始質(zhì)疑是上帝創(chuàng)造了世間萬物。只有通過自由討論和思考，哲學與自然科學才有可能誕生，人類才有可能理解這個世界。

受到米利都精神的影響，古希臘哲學家留基伯（Leucippus）后來在阿夫季拉創(chuàng)辦了一所哲學與科學學校，還有了一個著名的門徒德謨克利特。這一對師徒最大的發(fā)現(xiàn)就是這個世界可以通過推理來理解，紛繁復雜的景象必然可以通過比較簡單的理論來理解，他們還共同創(chuàng)立了人類最早的古典原子學說——人類開始走在了一條正確的道路上，開始發(fā)掘這個世界潛在的規(guī)律。

古典原子學說與現(xiàn)代人對于原子的理解有很大不同。古典學說認為，在無邊無際的空間中有著無數(shù)的原子構成世間萬物。原子不可再分，它們是真實世界最細微的顆粒，一切由原子構成。它們自由在空間中穿梭，相互碰撞，聚集，相似的原子之間相互吸引。一切都與原子組合的方式有關，就如同不同字母的組合形成了語言，原子的不同組合方式構成了世間萬物——一切沒有終點，沒有目的，自然就是原子組合形式的實驗，所有原子共同構成了整個的真實世界，而其他一切都是副產(chǎn)品。

這種機械性的古典原子論當然沒法得到當時所有人的認同。柏拉圖與亞里士多德都不同意德謨克利特的觀點，他們堅信一切的發(fā)生都是有原因的——這或許可以看作科學與哲學的第一次分道揚鑣。柏拉圖傾向于用善與惡來理解世界，他說，當物理學家向他解釋地球是圓的時候，他會問，圓形對于地球來說的善在哪里？就是因為無法從善惡的角度理解，柏拉圖最終遠離了物理學，選擇通過其他的方式來理解世界。

古典原子論還會引起各種爭議。例如，組成一切事物的原子是什么形狀的？如果事物無限可分，那么最終將只剩下沒有任何形體的虛無。如果說原子沒有大小和形狀，那么把兩個沒有大小的東西拼湊起來，仍然沒有大小。這樣的理論難免引起各種悖論，留基伯的老師、埃利亞的芝諾正是針對運動的本質(zhì)和不可分性，提出了一系列的悖論。芝諾當年所提出的問題，也正是目前量子引力研究所需要面對和解決的問題：任意小的時間和長度存在嗎？

針對原子學說可能引起的悖論，德謨克利特總結，原子的數(shù)量是有限的，并且也有大小。而留基伯針對芝諾的悖論也提出過，或許任意小是不存在的，不可能無限地劃分，而是存在一個最小的數(shù)值，宇宙是顆粒化而不是連續(xù)存在的。這樣一種理想化的概念必然會引起長久的爭論，畢竟沒有人用肉眼見到過原子。直到1897年，愛因斯坦青年時期的偶像、奧地利物理學家恩斯特·馬赫還聲稱他不相信原子的存在。他認為化學只是一種總結自然規(guī)律的手段，而非驗證原子真實存在的證明。

最終真正證明了原子存在，并且計算了原子大小的人是愛因斯坦。在被稱作愛因斯坦的奇跡年的1905年，愛因斯坦一連發(fā)表了三篇對物理學發(fā)展有深遠影響的論文，其中的一篇就通過統(tǒng)計力學的手段證明了原子存在，并在理論上計算了原子的大小，而在另一篇論文中，愛因斯坦提出的相對性理論深刻地改變了人們對于真實的理解。羅韋利教授認為，從某種意義上來說，狹義相對論比廣義相對論更加偉大，它第一次用抽象思維向人們展示了一個完全不同于經(jīng)驗的世界：絕對同時性并不存在，宇宙中并不存在“現(xiàn)在”，而且時空緊密相連，能量與質(zhì)量統(tǒng)一了起來。

人類之所以會對真實產(chǎn)生出錯覺，認為自己生活在牛頓力學所描述的絕對時間和絕對空間之中，是因為人類對于時間和空間的感覺并不靈敏——彌補這種缺陷需要理性的力量。現(xiàn)代宇宙學認為大約140億年之前發(fā)生的一次宇宙大爆炸產(chǎn)生出了彎曲的時空，這個時空現(xiàn)在仍然在膨脹的過程中，而人類目前描述時空之中運動規(guī)律的科學理論又一次遇到了困難。

真實到底是什么

依照目前物理學的解釋，宇宙中時空與物質(zhì)之間的相互作用由愛因斯坦方程來描述。宇宙中的物質(zhì)分布在大約1000億個星系之內(nèi)，物質(zhì)由量子場構成，以粒子或是波的形式表現(xiàn)出來，物質(zhì)之間又存在著相互作用。現(xiàn)代物理學最深刻的問題在于，廣義相對論沒有考慮到場實際上是量子化的，而量子理論又沒有考慮到時空的彎曲，它們兩者之間無法以現(xiàn)有的形態(tài)兼容——奇怪的地方在于，這兩個理論都能夠很好地與現(xiàn)實相契合。羅韋利教授形容：一個物理系的學生在上午聽了廣義相對論的課程，在下午學習量子力學，（兩門課程相互矛盾）他會以為教這兩門課的教師已經(jīng)有100年沒有見過面了。

兩個理論形成了兩個系統(tǒng)。一個描述的是極大尺度下時空與物質(zhì)之間的相互作用，另一個描述的是在極小尺度下顆粒化、概率化的微觀世界，想要找出一個兩者都能適用的場合讓兩個理論相互驗證并非易事。像是月亮這樣的天體太大而無法體現(xiàn)出量子性（雖然愛因斯坦曾經(jīng)發(fā)問：當人們不去看月亮的時候，月亮是否也在那里？）；一個原子又太輕，無法體現(xiàn)出因為質(zhì)能造成的時空彎曲。物理學家們想象的能夠同時檢驗廣義相對論和量子力學的理想場景，一個是在黑洞的內(nèi)部，另一個則是在剛剛發(fā)生大爆炸之后不久的宇宙。除此之外，我們很難得知時空在極小的尺度下如何運轉(zhuǎn)——兩個理論互為彼此的反面。

這個矛盾正是量子引力研究的核心問題。量子空間和量子時間究竟是什么？全世界的量子引力學家都需要找到一組能夠統(tǒng)一描述這個世界的公式，更重要的是，他們需要找到一個對于這個世界的統(tǒng)一認識。羅韋利教授認為目前狀況對于物理學家們來說是一個難得的機遇：這并非是人類第一次面對兩個極其成功的物理理論，牛頓綜合了伽利略和開普勒的學說創(chuàng)建了牛頓力學，而麥克斯韋和法拉第則綜合了電學和磁學，創(chuàng)建了完整的電磁學。愛因斯坦的狹義相對論正是為了融合這兩者之間的矛盾——隨后的廣義相對論則是為了調(diào)和牛頓力學和他自己的狹義相對論之間的矛盾。從這個角度來說，理論物理學家在面對兩個非常成功又相互矛盾的學說時，應該意識到這是一個發(fā)展出全新理論的好機會，問題只是在于如何找到這個理論。

或許又到了人類應該重新審視自己對于真實的理解的時候。時間和空間，究竟是一種真實的物理存在，還是一種人類感官對于真實進行的近似？早就有物理學家意識到，在時空的某一點上，引力場是沒有確定值的。假設我們在時空一個非常小的區(qū)域放置了一個粒子進行觀測，根據(jù)海森堡不確定原理，在越小的區(qū)域限制這個粒子，它越可能以極大的速度逃離。速度越大，粒子具有的能量就越大，能量越大，所造成的時空彎曲也就越大——最終將形成一個黑洞，使我們無法觀測這個點，也就無法將它作為參考。因此在理論上我們無法觀測一個無限小的點，我們可以得到一個結論：時空不是無限可分的，降到一個界限之下后，就無法進行觀測。我們稱這個尺度為普朗克尺度，在這個尺度上，時空改變了它的性質(zhì)。

作為圈量子引力論（Loop Quantum Gravity）的專家，在全書的末尾，羅韋利教授得出一個驚人的結論：時間并不存在。他認為空間并不是量子的載體，空間描述的是它們與周圍的關系。如果我們拋棄空間的概念，自然也需要拋棄時間的概念。時間不是一個統(tǒng)一的物理現(xiàn)象，它與引力場有關。在普朗克尺度上，事件的發(fā)生將不再需要時間。羅韋利教授相信時間是一個有用的假設，并可以此發(fā)展出物理學，但是在量子引力的研究中，人們可以拋開對于時間的假設，只研究物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系。他堅信，這不僅是公式上的變換，更是觀念上的巨大飛躍。人們必須開始相信事物并非依據(jù)時間而變化，而是其他東西。在最基礎的層面上，并沒有時間，時間只是對最基礎的真實的近似而已。

羅韋利教授進一步解釋：如果時空都消失，連基本粒子也都消失，那么世界是由什么構成的？是由量子場構成，這些量子場并不存在于時空之中，而是相互依存。我們對于周圍的一切感知都是我們對于這些量子場大尺度上的模糊感知和近似——這類似于阿派朗，構成一切物質(zhì)的基本元素。只要我們相信時空也是量子場的一方面，那么相對論和量子論就可以非常好地融合在一起。而且當我們拋棄了對于時空連續(xù)性的假設，很多在量子場論中計算時經(jīng)常出現(xiàn)的惱人的無限也就消失了。

時空是一種對于真實的近似，量子場是最根本的存在——羅韋利教授以一種宗教般的熱忱呼吁人們認識到真實的意義，但在同時，他也保持了一個科學家的冷靜，坦陳對于自己書中所寫，他自己并非完全確定，畢竟人的知識有限。羅韋利教授的態(tài)度不難理解，因為他所研究的圈量子引力論并非目前量子引力研究的唯一選擇，還有更多的理論物理學家愿意相信時空的真實性，在從其他角度尋找更為真實的存在。例如弦論學家們更愿意相信，在極小的尺度下，時空是由更多的維度所構成。因此，哈佛大學的理論物理學家麗莎·藍道爾（Lisa Randall）批評羅韋利教授的新書并沒有區(qū)分開推理、可能被實驗驗證的假說以及奇特的幻想，這可能會讓讀者感到迷惑。

對于大多數(shù)讀者來說，閱讀這樣一本以物理學和物理學史為主題的書，最大的收獲或許就在于暫時脫身自己周圍無比熟悉的世界，并且可能對周遭世界的真實性產(chǎn)生出哪怕是一絲的懷疑。這種感受或許類似于看一場電影——但是其帶來的啟迪可能會比看電影更加深遠。