苗千

量子引力學(xué)家卡羅·羅韋利教授認(rèn)為，或許又到了人類應(yīng)該重新審視自己對(duì)于真實(shí)的理解的時(shí)候。時(shí)間和空間，可能僅僅是人類的感官對(duì)于真實(shí)進(jìn)行的一種近似。

真實(shí)的概念從何而來

意大利理論物理學(xué)家卡羅·羅韋利（Carlo Rovelli）教授今年60歲，他在意大利和美國(guó)都工作過，現(xiàn)在法國(guó)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(xué)史，他寫過一本物理學(xué)科普書《七堂極簡(jiǎn)物理課》（Sette brevi lezioni di fisica）。這本以物理學(xué)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(jí)的物理科普書之后，羅韋利教授又完成了一本《真實(shí)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(lǐng)讀者們從物理學(xué)的起源開始，一步步來到21世紀(jì)，回顧了物理學(xué)發(fā)展中一些標(biāo)志性的人物和事件。

人類的大腦經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他動(dòng)物，但是人類的感官與其他在野外生活的哺乳動(dòng)物們并無太大的不同。人類為了生存所進(jìn)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(shí)。讀者可以從《真實(shí)不是看起來的樣子》這本書中看到，每一次人類的物理學(xué)發(fā)生進(jìn)步，人們所理解的真實(shí)就會(huì)發(fā)生改變?，F(xiàn)在，真實(shí)的意義似乎又一次面臨改變。那么，所謂真實(shí)，到底應(yīng)該是什么樣？

人類所理解的真實(shí)世界最初是由自己的生活經(jīng)驗(yàn)所決定的。在還沒人能環(huán)游地球的時(shí)代，人類很容易依照自己的生活經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)，自然會(huì)明白地球是圓的。假設(shè)人類的感覺無比靈敏，可以感受到身邊引力場(chǎng)的微弱變化，可以感受到一納秒的時(shí)間的流逝，那么人類對(duì)于時(shí)空的理解，關(guān)于真實(shí)的概念，又會(huì)有怎樣的變化？

不能通過感官所體會(huì)到的真實(shí)，可以通過理性思維來達(dá)到，人類2000多年的科學(xué)史，就是一部逐漸探索真實(shí)世界的歷史，科學(xué)才是人類最堅(jiān)實(shí)的依靠，而正是我們知識(shí)和感官的不完整讓科學(xué)探索的過程變得有趣并且珍貴。但科學(xué)思維并非從天而降，它需要人擺脫對(duì)神的崇拜，對(duì)權(quán)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(xué)故事，是從26個(gè)世紀(jì)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(guān)于時(shí)空的觀念，其源頭正在古代。而最開始的科學(xué)想法，一直到現(xiàn)代科學(xué)研究，包括作者目前所研究的量子引力問題，直至最激進(jìn)的科學(xué)猜想，實(shí)際上并無本質(zhì)區(qū)別。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，古人提出的問題，與現(xiàn)代物理學(xué)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(huì)有宇宙？為什么會(huì)發(fā)生各種自然現(xiàn)象？關(guān)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(gè)世紀(jì)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(shí)的另一面。羅韋利教授寫道：科學(xué)由實(shí)驗(yàn)、假設(shè)、公式、計(jì)算和長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(xué)家和哲學(xué)家安納西曼德（Anaximander）正是通過這種思維方式認(rèn)識(shí)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(xué)的誕生是一種偶然

科學(xué)并非從天而降，實(shí)際上科學(xué)思維的產(chǎn)生可以說極為偶然。在當(dāng)時(shí)米利都的政治氣氛非常自由，這座城市還會(huì)聚了古希臘、美索不達(dá)米亞和古埃及的智慧。在一個(gè)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(gè)議會(huì)。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(xué)與自然科學(xué)才有可能誕生，人類才有可能理解這個(gè)世界。

受到米利都精神的影響，古希臘哲學(xué)家留基伯（Leucippus）后來在阿夫季拉創(chuàng)辦了一所哲學(xué)與科學(xué)學(xué)校，還有了一個(gè)著名的門徒德謨克利特。這一對(duì)師徒最大的發(fā)現(xiàn)就是這個(gè)世界可以通過推理來理解，紛繁復(fù)雜的景象必然可以通過比較簡(jiǎn)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(xué)說——人類開始走在了一條正確的道路上，開始發(fā)掘這個(gè)世界潛在的規(guī)律。

古典原子學(xué)說與現(xiàn)代人對(duì)于原子的理解有很大不同。古典學(xué)說認(rèn)為，在無邊無際的空間中有著無數(shù)的原子構(gòu)成世間萬物。原子不可再分，它們是真實(shí)世界最細(xì)微的顆粒，一切由原子構(gòu)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(guān)，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(gòu)成了世間萬物——一切沒有終點(diǎn)，沒有目的，自然就是原子組合形式的實(shí)驗(yàn)，所有原子共同構(gòu)成了整個(gè)的真實(shí)世界，而其他一切都是副產(chǎn)品。

這種機(jī)械性的古典原子論當(dāng)然沒法得到當(dāng)時(shí)所有人的認(rèn)同。柏拉圖與亞里士多德都不同意德謨克利特的觀點(diǎn)，他們堅(jiān)信一切的發(fā)生都是有原因的——這或許可以看作科學(xué)與哲學(xué)的第一次分道揚(yáng)鑣。柏拉圖傾向于用善與惡來理解世界，他說，當(dāng)物理學(xué)家向他解釋地球是圓的時(shí)候，他會(huì)問，圓形對(duì)于地球來說的善在哪里？就是因?yàn)闊o法從善惡的角度理解，柏拉圖最終遠(yuǎn)離了物理學(xué)，選擇通過其他的方式來理解世界。

古典原子論還會(huì)引起各種爭(zhēng)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(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)和不可分性，提出了一系列的悖論。芝諾當(dāng)年所提出的問題，也正是目前量子引力研究所需要面對(duì)和解決的問題：任意小的時(shí)間和長(zhǎng)度存在嗎？

針對(duì)原子學(xué)說可能引起的悖論，德謨克利特總結(jié)，原子的數(shù)量是有限的，并且也有大小。而留基伯針對(duì)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(gè)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(huì)引起長(zhǎng)久的爭(zhēng)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(shí)期的偶像、奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫還聲稱他不相信原子的存在。他認(rèn)為化學(xué)只是一種總結(jié)自然規(guī)律的手段，而非驗(yàn)證原子真實(shí)存在的證明。

最終真正證明了原子存在，并且計(jì)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(duì)物理學(xué)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響的論文，其中的一篇就通過統(tǒng)計(jì)力學(xué)的手段證明了原子存在，并在理論上計(jì)算了原子的大小，而在另一篇論文中，愛因斯坦提出的相對(duì)性理論深刻地改變了人們對(duì)于真實(shí)的理解。羅韋利教授認(rèn)為，從某種意義上來說，狹義相對(duì)論比廣義相對(duì)論更加偉大，它第一次用抽象思維向人們展示了一個(gè)完全不同于經(jīng)驗(yàn)的世界：絕對(duì)同時(shí)性并不存在，宇宙中并不存在“現(xiàn)在”，而且時(shí)空緊密相連，能量與質(zhì)量統(tǒng)一了起來。

人類之所以會(huì)對(duì)真實(shí)產(chǎn)生出錯(cuò)覺，認(rèn)為自己生活在牛頓力學(xué)所描述的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間之中，是因?yàn)槿祟悓?duì)于時(shí)間和空間的感覺并不靈敏——彌補(bǔ)這種缺陷需要理性的力量。現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)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(shí)空，這個(gè)時(shí)空現(xiàn)在仍然在膨脹的過程中，而人類目前描述時(shí)空之中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)理論又一次遇到了困難。

真實(shí)到底是什么

依照目前物理學(xué)的解釋，宇宙中時(shí)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(gè)星系之內(nèi)，物質(zhì)由量子場(chǎng)構(gòu)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?，F(xiàn)代物理學(xué)最深刻的問題在于，廣義相對(duì)論沒有考慮到場(chǎng)實(shí)際上是量子化的，而量子理論又沒有考慮到時(shí)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(gè)理論都能夠很好地與現(xiàn)實(shí)相契合。羅韋利教授形容：一個(gè)物理系的學(xué)生在上午聽了廣義相對(duì)論的課程，在下午學(xué)習(xí)量子力學(xué)，（兩門課程相互矛盾）他會(huì)以為教這兩門課的教師已經(jīng)有100年沒有見過面了。

兩個(gè)理論形成了兩個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)描述的是極大尺度下時(shí)空與物質(zhì)之間的相互作用，另一個(gè)描述的是在極小尺度下顆?；?、概率化的微觀世界，想要找出一個(gè)兩者都能適用的場(chǎng)合讓兩個(gè)理論相互驗(yàn)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(dāng)人們不去看月亮的時(shí)候，月亮是否也在那里？）；一個(gè)原子又太輕，無法體現(xiàn)出因?yàn)橘|(zhì)能造成的時(shí)空彎曲。物理學(xué)家們想象的能夠同時(shí)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的理想場(chǎng)景，一個(gè)是在黑洞的內(nèi)部，另一個(gè)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(shí)空在極小的尺度下如何運(yùn)轉(zhuǎn)——兩個(gè)理論互為彼此的反面。

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

或許又到了人類應(yīng)該重新審視自己對(duì)于真實(shí)的理解的時(shí)候。時(shí)間和空間，究竟是一種真實(shí)的物理存在，還是一種人類感官對(duì)于真實(shí)進(jìn)行的近似？早就有物理學(xué)家意識(shí)到，在時(shí)空的某一點(diǎn)上，引力場(chǎng)是沒有確定值的。假設(shè)我們?cè)跁r(shí)空一個(gè)非常小的區(qū)域放置了一個(gè)粒子進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)海森堡不確定原理，在越小的區(qū)域限制這個(gè)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(shí)空彎曲也就越大——最終將形成一個(gè)黑洞，使我們無法觀測(cè)這個(gè)點(diǎn)，也就無法將它作為參考。因此在理論上我們無法觀測(cè)一個(gè)無限小的點(diǎn)，我們可以得到一個(gè)結(jié)論：時(shí)空不是無限可分的，降到一個(gè)界限之下后，就無法進(jìn)行觀測(cè)。我們稱這個(gè)尺度為普朗克尺度，在這個(gè)尺度上，時(shí)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(gè)驚人的結(jié)論：時(shí)間并不存在。他認(rèn)為空間并不是量子的載體，空間描述的是它們與周圍的關(guān)系。如果我們拋棄空間的概念，自然也需要拋棄時(shí)間的概念。時(shí)間不是一個(gè)統(tǒng)一的物理現(xiàn)象，它與引力場(chǎng)有關(guān)。在普朗克尺度上，事件的發(fā)生將不再需要時(shí)間。羅韋利教授相信時(shí)間是一個(gè)有用的假設(shè)，并可以此發(fā)展出物理學(xué)，但是在量子引力的研究中，人們可以拋開對(duì)于時(shí)間的假設(shè)，只研究物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系。他堅(jiān)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(shí)間而變化，而是其他東西。在最基礎(chǔ)的層面上，并沒有時(shí)間，時(shí)間只是對(duì)最基礎(chǔ)的真實(shí)的近似而已。

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

時(shí)空是一種對(duì)于真實(shí)的近似，量子場(chǎng)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(rèn)識(shí)到真實(shí)的意義，但在同時(shí)，他也保持了一個(gè)科學(xué)家的冷靜，坦陳對(duì)于自己書中所寫，他自己并非完全確定，畢竟人的知識(shí)有限。羅韋利教授的態(tài)度不難理解，因?yàn)樗芯康娜α孔右φ摬⒎悄壳傲孔右ρ芯康奈ㄒ贿x擇，還有更多的理論物理學(xué)家愿意相信時(shí)空的真實(shí)性，在從其他角度尋找更為真實(shí)的存在。例如弦論學(xué)家們更愿意相信，在極小的尺度下，時(shí)空是由更多的維度所構(gòu)成。因此，哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家麗莎·藍(lán)道爾（Lisa Randall）批評(píng)羅韋利教授的新書并沒有區(qū)分開推理、可能被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的假說以及奇特的幻想，這可能會(huì)讓讀者感到迷惑。

對(duì)于大多數(shù)讀者來說，閱讀這樣一本以物理學(xué)和物理學(xué)史為主題的書，最大的收獲或許就在于暫時(shí)脫身自己周圍無比熟悉的世界，并且可能對(duì)周遭世界的真實(shí)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(chǎng)電影——但是其帶來的啟迪可能會(huì)比看電影更加深遠(yuǎn)。