科學家如是說--什麽是真實?

    幾年以前，意大利莫劄(Monza)市議會禁止市民將金魚養在圓形魚缸裏。提案人指出這樣做很殘酷，因為當金魚凝視外麵時，圓弧形的魚缸會讓金魚看到扭曲的真實。但是我們怎麽知道自己有未受扭曲的真實圖像呢? 人類是否也住在一個巨大的金魚缸裏，透過一麵巨大的透鏡而得到扭曲的視野呢？金魚對真實的圖像與我們不同，然而我們真的能夠確定他們的世界觀比較不真實嗎?

　　金魚的所見雖然與我們不同，但是它們仍然可以提出一套科學法則，用以描述所觀察到魚缸外麵的物體運動。 例如，我們觀察到一個物體以直線前進，但因為魚缸扭曲了視野，所以金魚會看到物體沿彎曲的路徑前進。雖然金魚的參考座標是扭曲的，但它永遠成立，所以可以 提出科學法則，並對魚缸外物體未來的運動做出預測。雖然金魚的法則看起來比人類架構中的法則更複雜，但是「簡單」與否隻是品味的問題。若是金魚提出這樣的 理論，我們都必須承認金魚的觀點是有效的真實圖像。

      對真實抱持不同圖像的一個著名例子，是托勒密（Ptolmy，約85-165）在西元150年左右所提出的天體運動模型。托勒密在他十三巨冊的《天文學大成》（Almagst）中，開門見山便說明為何他將地球想成是居於宇宙中央靜止不動的球體，並認定地球的大小與天體距離相比可忽略不計。盡管西元前愛裏斯塔克斯（Aristarchus，約310BC-230BC）已提出以太陽為中心的模型，但是至少從亞裏斯多德以降，大多數受過教育的希臘人都抱持著類似托勒密的信仰，例如亞裏斯多德便基於某種神秘的理由相信地球應該是宇宙的中心。在托勒密的模型中，地球居於天體中心靜止不動，行星和恒星以複雜的周轉圓環繞地球運行。

      這個模型似乎很自然，因為我們感覺不到腳下的地球在移動（除了地震或興奮過度的時候）。因為後來歐洲的知識都建基於希臘的傳承，所以亞裏斯多德和托勒密的想法也成為西方思想的基礎，天主教會更采用托勒密的宇宙模型做為正式教義長達1,400年之久，直到1543年哥白尼在過世那年出版《天體運行論》（拉丁文：D rvolutionibus orbium colstium）一書（不過他研究這個理論可是達數十年之久），才又有人重提地動說。

　　哥白尼和十七個世紀之前的愛裏斯塔克斯一樣，主張太陽靜止不動，而行星以圓形軌道環繞太陽運行，雖然這並不是什麽新觀念，但是重新提起卻遭到圍剿。因為大家認為聖經主張群星圍繞地球運轉，哥白尼的模型明顯抵觸了聖經。事實上，聖經從未明白宣稱這個觀點，撰寫聖經的時候，人們甚至相信地球是平的。哥白尼模型引發地球是否靜止的激烈爭辯，終於在1633年到達極點：支持哥白尼模型的伽利略因異端邪說而受審，教廷認為他「堅持宣告抵觸聖經之見，為其辯護並認為其具有說服力。」結果伽利略獲判有罪，終身監禁在家，還被強迫改變說法。據說他在承認錯誤時仍然喃喃自語道：「其實它還是在動啊。」一直到了1992年，羅馬天主教廷才終於承認對於判決伽利略有罪是一項錯誤。

　　所以，托勒密和哥白尼的模型到底哪個是真的？雖 然常有人說哥白尼證明托勒密是錯誤的，然而這種說法並不對。就像我們的「正常」視野與金魚的「扭曲」視野的例子一樣，托勒密和哥白尼的圖像都可做為宇宙模 型，因為不管是「日動說」或「地動說」，都可以解釋我們對天體的觀察。暫且不論哥白尼係統在宇宙本質思辯上所居的角色，它真正的優點便是在太陽靜止不動的 參考係統中，運動方程式簡單多了。

　　另外一種不同的真實出現在科幻電影《駭客任務》（The Matrix）中，電影中人類不知道自己其實住在由智慧電腦所創造出來的虛擬真實中，隻要人類活得快樂知足，電腦便可吸收「生物電能」（天曉得那是什麽）維持運作。也許這不算太難想像或太牽強，畢竟有許多人寧願沈溺在網路的虛擬生活中，例如大受歡迎的「第二人生」（Second Life）便是。但是，我們 怎麽知道自己不是電腦創造出來的肥皂劇角色呢？假設我們住在一個合成的虛擬世界中，事情發展不一定要有邏輯、一貫性或遵守法則，掌控的外星人可能會更樂意 看到我們手足無措的反應，例如讓滿月突然裂成兩半，或者讓全世界節食者都突然對香蕉奶油派陷入無法抑製的狂熱。但是如果外星人嚴格執行一貫的法則，我們就 沒辦法知道在虛擬的真實 外，是否另有一個真實存在。要說外星人住的世界是「真的」而合成的世界是「假的」很容易，但是對於隻能住在模擬世界中的生物（例如我們）而言，既然無法從 外麵環視自身所在的宇宙，便沒有理由質疑自己擁有的真實圖像；自古就有人懷疑我們都隻是某個人的南柯一夢，虛擬真實正是這個概念的現代版。

　　這些例子帶出本書一項重要的論點：與圖像或理論無關的真實，是不存在的。相反地，我們將采用的觀點是真實與模型相關，換句話說，我們將物理理論或世界圖像視為將觀察現象與模型元素連結的一套規則（通常是數學規則）。這套規則提供了我們可用來闡述現代科學的架構。

　自柏拉圖 以來，哲學家長期爭辯真實的本質。古典科學的基礎在於相信有真實的外在世界，這個世界具有明確且獨立於觀察者而存在的特性。根據古典科學，物體存在具有明 確量值的物理特性（如速度和質量）。在這種觀點中，理論是用來嚐試描述物體與其特性，而人類對物體進行的測量和感官知覺所對應的便是真實特性；觀察者與被 觀察者都是屬於客觀世界的一部分，兩者間的區分並無意義。換句話說，如果看到停車場有一群斑馬在搶停車位，那就是因為真的有一群斑馬在停車場搶停車位。所 有的觀察者都會測量到相同的特性，而無論有無觀察者存在，這群斑馬都會擁有這些特性，在哲學上，這種信仰便稱為真實論。

　　雖 然真實論可能是蠻誘人的觀點，但是我們以後會發現，根據對現代物理學的認識，真實論很難站得住腳。例如，根據對大自然提供正確描述的量子力學，在觀察者進 行測量之前，粒子並不具明確的位置或速度等特質。因此，說某某測量得到特定結果的原因在於被測量的特性於測量那一刻真的具有該量值，是不正確的。甚至，在 某些情況中個別物體甚至沒有獨立的存在，而是集合物的一部分。再者，若「全像原理」（holographic principle）的理論是正確的，那麽我們和這個四維世界隻是更大的五維時空在邊界上的影子罷了。就這種情況看來，我們在宇宙的地位恰可比擬於先前那條金魚。

　　嚴格的真實論者常會主張，科學理論能夠如此成功地描述世界，代表它是真實的。然而不同的理論能以不同的概念架構成功地描述相同的現象。事實上，許多成功的科學理論日後由同樣成功、卻具有全新真實概念的理論所取代。

　　傳統上，不接受真實論的人被稱反真實論者。這派人士主張經驗知識與理論知識有所區分，認為觀察和實驗才有意義，理論隻是有用的工具，不會比觀察到的現象具有更深的意涵。有些反真實論者甚至想將科學限製在僅能被觀察的事物上。基於這點理由，19世紀有許多人不能接受原子的想法，因為永遠看不見它們。英國近代經驗主義哲學家貝克萊主教（Gorg Brkrly, 1685-1753）更是極端，他說除了心智和想法之外，甚麽東西都不存在。當英國作家兼辭典編撰家約翰生博士（Dr. Samul Johnson, 1709-1784）的朋友請教他有無可能駁斥貝克萊主教的想法時，據說約翰生走向一顆大石頭用力一踢，然後說：「我如此駁斥。」當然，約翰生博士腳上感受到的痛也是他心裏的一個想法，因此他並沒有真的駁倒貝克萊主教的想法。但是他的行為倒可說明同時期的哲學家休謨（David Hume, 1711-1776）的觀點，那便是雖然我們沒有理由相信客觀的真實，但是在生活中別無選擇，隻能表現出相信真實的確存在的模樣，否則隻會自找麻煩。

      模型真實論可以平息爭辯，以及跳脫真實論與反 真實論學派間的討論。根據模型真實論，問道一個模型是否真實並無意義，隻要看它是否吻合觀察即可。隻要兩個模型都吻合觀察，就像我們與金魚對真實各自具有 成功的圖像，便不能說那個模型比較真實，而是可以視情況使用較方便的模型。例如，如果是住在金魚缸裏，金魚的圖像會比較有用；但如果是在金魚缸外麵，那麽用地球上一個金魚缸的座標來描述遠方星係的事情將會非常古怪，尤其是這個金魚缸還會隨著地球公轉與自轉而轉動呢！

　　除了在科學上我們 會建造模型，日常生活中我們也會建立模型；模型真實論不僅適用於科學模型，也適用於我們創造來詮釋與了解日常世界的意識及潛意識心智模型。在我們的世界 中，沒有辦法除去觀察者（我們），因為我們的真實是透過感官處理與思考、理解的方式所創造。我們的認知以及該認知理論所根據的觀察，並不是直接形成的，而 是由一種「透鏡」所塑造，也就是由人類大腦的詮釋結構所形塑。

　　模型真實論符合我們察覺物體的方式。就視覺來講，腦部從視神經末稍接受一連串的訊號，這些訊號和電視畫質的影像比起來可差得很遠。在視神經連接視網膜的地方有一個盲點，不但如此，人類視野中具有良好解析力的範圍， 大約隻有視網膜中心１度視角的狹窄區域，相當於將手臂伸直時姆指寬度而已。所以，送到腦部的原始資料不僅解析度極差，而且裏麵還會有個洞。幸運的是，人類 腦部處理資料時會結合來自兩隻眼睛的訊息，並基於相鄰地區的視覺特性相似的假設，填滿中間的縫隙。再者，腦部讀取來自視網膜的二維資料，再創造三維空間的 形象。換句話說，我們所見的世界是腦部所建造的心智圖像或模型。

　　由於腦 部善於建造模型，縱使能讓人配戴特殊鏡片導致成像上下顛倒，但是經過一陣子後，腦部還是會改變模型，讓看見的事物恢複正向。如果摘掉眼鏡，看見的世界又會 呈現上下顛倒，然後經過一會兒腦部再次調整過來。這表示當有人說「我看到一張椅子」，那僅僅是光線從椅子散射而成的心智圖像或模型；如果模型上下顛倒，運 氣好的話腦部會在我們坐下來前先將模型導正過來。

　　模型真實 論所解決（或至少避免）的另一個問題是存在的意義。例如，怎麽知道離開房間看不見的時候，一張桌子仍然在那裏呢？到底，我們看不到的事物（像是電子或組成 質子和中子的誇克等粒子）「存在」是什麽意思呢？我們可以采用「離開房間時桌子消失，回來房間後桌子重新出現」的模型，可是這樣會很奇怪，而且如果離開房 間時發生別的事情（例如天花板掉下來），又該如何解釋呢？在離開房間－桌子消失」的模型中，怎麽解釋回到房間後發現桌子被掉落的天花板壓碎的情況呢？相較 之下，桌子留在原地不動的模型簡單多了，而且吻合我們的觀察，這就夠了！

      就看不到的次原子粒子來說，電子模型便很管用，可以用來解釋許多觀察到的現象，像是雲霧室中的軌跡和電視顯像管光點等等。電子是1897年由英國物理學家湯姆森（J. J. Thomson，1856－1940）在劍 橋大學卡文迪西實驗室所「發現」，當時他正在真空管裏做陰極射線的電流實驗。這項實驗讓他提出大膽的結論，指那些神秘的射線是由微小的「粒子」所構成，而 此粒子又是原子組成的材料；在當時，原子已被認為是物質的基本單位，無法再分割。湯姆森沒有看見「電子」，其推測也沒有獲得實驗直接或確切的證明，然而這 個模型從基礎科學到工程學都有重要應用；今日所有物理學家都相信電子的存在，縱使無法用眼睛看見。

    另外，看不見的誇克也是模型，可解釋原子核內質子和中子的特性。雖然說質子和中子是由誇克所組成，但是我們永遠看不到單個誇克的存在，因為誇克間的結合力會隨著分離而增加，所以分開時個別的誇克無法存在自然界中。相反地，誇克會以三個成組出現（質子和中子），或是以誇克和反誇克（介子）成對出現，看起來有如被橡皮圈綁在一起。

　　既然無法獨立分割出一個誇克，那麽說誇克真的存在有沒有道理呢？自從誇克模型首度被提出來的那天起，這個問題便長期受到爭議。主張核子是由幾個次－次核粒子組成的想法，是一套整理歸納的原則，能對於核子特性提供簡單有力的解釋。然而，雖然物理學家通常可以接受粒子散射資 料的統計圖上小小的一個凸起即是粒子真實存在的證據，但是要賦予這種即便是理論上也無法觀察到的粒子真實的特性，對於許多物理學家而言還是難以辦到。不 過，隨著誇克模型出現愈來愈正確的預測，反對聲浪逐漸褪去。當然，擁有十七隻手臂、紅外線眼睛並會從耳朵吹出奶油的外星人可能與我們做出同樣的實驗，卻不 用誇克來描述。然而，根據模型真實論，誇克存在的模型吻合我們對次核粒子運作的觀察。

　　我們可以將模型真實論做為一個架構，來討論下麵的問題。例如：如果世界是在有限的時間前創造出來，那麽之前的情況是如何呢？有一位早期的基督教哲人聖奧古斯丁（St. Augustin，354-430）指出，答案並非是上帝忙著為 質疑者準備了地獄，而是時間屬於上帝創造的世界的屬性，所以時間在世界創造前並不存在（他也相信世界創造發生在不太久前）。這是一個可能的模型，為相信創 世紀故事是真實的人士所偏好，盡管有化石等證據讓地球的年代看起來更久遠。（難道化石是上帝放在那裏愚弄人類的嗎？）我們也可以采納另一個不同的模型，在 這個模型中時間一直回溯到137億年前的大霹靂。最能解釋現今觀察（包括曆史和地質證據）的模型，也最能代表我們的過去。第二個模型能夠解釋化石和放射性元素的紀錄，也能解釋為何我們接收得到從數百萬光年遠的星係所放射的光線，因此這個模型（大霹靂理論）比第一個模型更有用。隻不過，根據本章對真實的定義，還是不能說哪個模型比較真實。

      有些人支持時間可回溯到大霹靂之前的模型。但現在還不清楚這種模型是否能解釋現今的觀察，因為宇宙演化法則似乎在大霹靂那一刻會全部瓦解。若真是如此，要創造一個模型涵蓋大霹靂之前的時間便無意義，因為那時候存在的事物在現在不會有任何觀測的效應，所以還不如相信大霹靂是宇宙誕生的時刻。

　　一個好的模型擁有如下條件：

　　一、優美；

　　二、幾乎不含隨意或可變動參數；

　　三、吻合並能解釋現今所有觀察；

　　四、對未來的觀察能做詳細的預測，若預測未獲證實，可推翻或證明模型是錯誤的。

　　例如。亞 裏斯多德的理論指世界由水、火、氣、土四項元素構成。而物體行動在於實現其目的。這項理論很優美，也未含有隨意參數，但是它對於許多情況並未做出明確的預 測，縱使有預測也不吻合觀察。其中一項預測是指重物應該掉落的比較快，因為其目的便是掉落。直到伽利略之前，似乎沒有人覺得實際做測試很重要。傳說伽利略 是從比薩斜塔丟東西下來做測試，這大概是以訛傳訛，不過可以確定的是，他將不同重量的東西從斜板滾下，並觀察到所有的東西都有相同的加速度，與亞裏斯多德的預測不同。

　　這些條件顯然有主觀成份。例如，「優美」本身並不容易測量，隻是科學家很重視這點，因為自然法則本當將眾多複雜的特例化約為簡單的公式。優美指的是理論的形式，但是與不具可變參數也有密切關係；若是理論帶有雜七雜八的參數，可就很難稱得上優美了。借用愛因斯坦（Alb?Einst?in）一句話，一項理論應該盡可能簡單，但應不過於簡單！托勒密將周轉圓加入天體的圓形軌道中，是為了讓模型能更正確地描述天體運動。他原本能夠加入更多周轉圓，好讓模型做出更正確的描述，不過雖然愈複雜可以讓模型愈正確，科學家卻認為變造模型來配合特定的觀察並不是好事，比較像是資料目錄而非理論，難以成為有用的原則。

　　許多人認為描述自然界基本粒子交互作用的「標準模型」並不優美。這個模型遠比托勒密的周轉圓更為成功，在幾種新粒子被發現前便預測其存在，對數十年的實驗結果做出極為精確的描述。但是標準模型含有數十個可變參數，必須調整後才能符合觀察，而非由理論本身決定。

　　就第四點來說，當非比尋常的新預測證明為正確時，總是會讓科學家覺得十分振奮。相對地，要是發現模型有缺漏時，大家最常的反應是認為實驗有問題。若非如此，大家通常還是不會放棄模型，而是會修補模型，極力挽救。不過，雖然物理學家對於搶救鍾愛的理論不會輕易罷手，但若改到很虛假或很累贅而顯得「不優美」的時候，想要修正舊理論的企圖心也會消退。

　　若是為了符合新觀察而需要做的修正變得太過繁瑣，那代表需要一個新模型了。靜態宇宙的想法便是一個舊模型無法滿足新觀察而遭淘汰的例子。在1920年代左右，大多數物理學家相信宇宙是靜止不動的，其大小維持不變，然而1929年哈柏（Edwin Hubble）發 表的觀察結果，顯示宇宙正在擴張。不過，哈柏並非直接觀察到宇宙的擴張，而是觀察星係發出的光線：光線會依星係組成而帶有獨特的光譜，若星係與我們的距離 有所變動，光譜也會改變。因此，隻要分析遠方星係的光譜，便能決定其速度。哈柏本來預期遠離我們和靠近我們的星係都應該存在，然而他卻發現幾乎所有星係都 在遠離我們，而且距離愈遠速度愈快。哈柏提出宇宙正在擴張的結論，然而其他人不以為然，試圖繼續在靜態宇宙的框架內解釋哈柏的觀察。比如說，加州理工學院 物理學家茲威基（Fritz Zwicky，1898-1974）提出，當光線行進很遙遠的距離時，基於某種不知名的原因會慢慢失去能量，且能量的減少符合光譜的變化，其假說的確可解釋哈柏的觀察，自哈柏之後，數十年來許多科學家繼續擁護靜態宇宙理論，但是哈柏的擴張宇宙還是最自然的模型，最後終於獲得大家的認同與接受。

　　在探索支配宇宙法則 的過程中，人們提出了許多理論或模型，像是四元素理論、托勒密模型、燃素理論、大霹靂理論等等。隨著理論或模型不同，人們對真實和宇宙基本組成的觀念也發 生改變。以光的理論為例，牛頓認為光是由小粒子或微粒組成，這可解釋光為何以直線行進。牛頓也用這來解釋為何當光穿越不同介質時會發生彎曲或折射的情況， 像是從空氣到玻璃或是從空氣到水中。

      然而，這種粒子理論卻無解釋牛頓自己觀察到的「牛頓環」（Newton's rings）現象：將一麵透鏡放在一個反射麵上，用單色光（如鈉燈）照射，從上往下會看到在透鏡與平板接觸之處出現一串明暗相間的圓環。這現象很難用光粒子理論解釋，但是用光波理論便能加以解釋。

      根據光波理論，明暗相間的圓環是由於幹涉現象所造成。波（如水波）是由一連串的波峰和波穀所組成，當波與波相遇時，若是波峰或波穀正好相疊（稱為「同相」），會彼此增強而產生更大的波，稱為相長幹涉。另一個極端的狀況是一個波的波峰可能與另一個波的波穀交疊（稱為「反相」），此時兩波會彼此抵消，稱為相消幹涉。

　　在牛頓環中，亮環出現在透鏡和反射麵相隔距離為兩者的反射波長（指兩個波峰或兩個波穀之間的距離）之差「整數」倍（1、2、3......）之處，這是相長幹涉；暗環出現在兩者相距為反射波長之差「半整數」倍（1/2、1-1/2、2-1/2......）之處，形成相消幹涉。

19世紀時，幹涉現象被視為肯定了光波理論並證明粒子理論是錯誤的。然而在20世紀初，愛因斯坦指出光電效應（現今使用在電視和數位相機中）可以解釋成是光的粒子或量子打在原子上將電子擊出所造成的效果，因此光既是粒子，同時也是波。

　　人類 思考裏出現波的概念，大概是平常看海或是觀察石頭掉進池塘的景象。事實上，若是曾經將兩顆小石頭丟進水池中，多半會看過如下圖中的幹涉現象。其他液體也可 以觀察到相似的情況，除了酒，因為你可能會醉到看不清楚波紋。粒子的概念跟石頭和沙子很像，不過波粒二象性，亦即一個物體可以描述成波與粒子的想法迥異於 日常經驗，好像說可以「喝」一大塊沙岩般奇怪。

      波粒二象性的情況，便是兩個不同的理論能夠正常描述相同現象的例子，這與模型真實論一致；兩個理論能夠描述並解釋某些特性，然而不能說那個理論更為真實。對於支配宇宙的法則，我們能說的是：幾乎沒有一項數學模型或理論可以全方位地描述宇宙；相反地，在M理論的理論網絡中，每項理論各自善於描述某個範圍的現象，在範圍 重疊的地方，這些不同的理論會吻合，因此可以說他們都是相同理論的一部分。但是這個理論網絡中沒有一個理論可以完全描述宇宙各個方麵，包括自然界的所有作 用力、承受這些作用力的粒子，以及這一切交互作用所處的時空架構。雖然這種情形並不能滿足傳統物理學家追尋的統一理論的夢想，但是在模型真實論的架構中是可以接受的。

Shixiang摘自＜大設計＞，史蒂芬 霍金(Stephen Hawking)。