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  • 宇宙終極理論尚未完成,斯人已逝 | 紀念溫伯格

    2021/07/24
    導讀
    尋找物理學中的美貫穿著整個物理學的歷史。

    撰文 | 鈕衛星(上海交通大學教授)

    我曾介紹過兩位“斯蒂芬”,一位是斯蒂芬·霍金(《文景》2003年第一期),另一位是斯蒂芬·沃爾夫勒姆(《文景》2003年第三期),現在要介紹的碰巧也是一位“斯蒂芬”。難道叫這個名字的人特別合適做科學家?


    美國有一個叫做“國家科學教育中心”的機構,其宗旨是為了捍衛在公立學校進行進化論教育。該機構為了紀念去世不久的生物學家斯蒂芬·杰·古爾德(Stephen Jay Gould,1941-2002),在其網站上搞了一個頗有點玩笑味道的“斯蒂夫計劃”(Project Steve),讓全世界所有支持進化論反對神創論并叫“斯蒂夫”(Steve,也包括讀音相近的Stephen、Steven、Stephanie、Stefan等)的科學家都去報到簽名。


    截至2005年2月22日,已經有543名“斯蒂夫”簽了名,名單中赫然便有大名鼎鼎的斯蒂芬·霍金和斯蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)


    01

    溫伯格其人


    無論在專業領域還是普及領域,溫伯格的名頭比之霍金其實都有過之而無不及。溫伯格因提出電弱統一理論:統一了電磁力和弱相互作用力,與另外兩位物理學家分享了1979年的諾貝爾物理學獎;霍金是否能因他的黑洞理論而獲得諾貝爾獎則還在未知之數。


    1977年溫伯格出版了他的科普名著《最初三分鐘》(科學出版社,1981年),通俗而精彩地介紹了關于宇宙起源的現代觀念,一時洛陽紙貴,共被譯成二十二種文字;霍金在寫作《時間簡史》時,心目中的模仿對象就是溫伯格,希望《時間簡史》能像《最初三分鐘》那樣成功和暢銷――這一點他是做到了。


    溫伯格現在執教于德克薩斯大學奧斯汀分校物理與天文系。他曾在康內爾大學、哥本哈根大學和普林斯頓大學學習,獲得十多所著名大學的榮譽學位,先后任教于哥倫比亞大學、加利福尼亞大學伯克利分校、麻省理工學院和哈佛大學。他還當選為英國皇家學會會員、美國科學院院士、美國科學與藝術研究院院士、美國哲學學會會員等。1991年布什總統在白宮授予他國家科學獎章。他還是美國物理學學會安德魯·吉芒特獎和美國斯蒂爾基金會-美國物理學會科學作品獎的獲得者。


    在溫伯格獲得的所有獎項中尤其值得一提的一項是他獲得的1999年洛克菲勒大學“劉易斯·托馬斯獎”(Lewis Thomas Prize)。這個獎項授予這樣一些科學家作者:“他們的意見和觀點能向人們揭示科學的美學和哲學維度,不僅提供新的信息,而且還能像詩歌和繪畫一樣引起人們的沉思、甚至啟示”。溫伯格因“在充滿熱情地、清晰地傳達基礎物理學的觀念、歷史、解釋力和美學維度方面所取得的杰出成就”而獲得該獎。


    獲得“劉易斯·托馬斯獎”的科學家又被叫做“詩人科學家”,這個稱號在肯定他們的寫作技巧的同時也充分概括了他們對科學的美學和哲學層面上的思考。事實上,被用來命名這個獎項的美國微生物學家和免疫學家劉易斯·托馬斯(Lewis Thomas,1913-1993)就是這樣一個把科學寫得跟文學作品一樣優美的成功典范,他獲得了用自己名字命名的這個獎。


     溫伯格主要是因為他為普通讀者寫的《最初三分鐘》和《終極理論之夢》(1992年,中譯本:湖南科學技術出版社,2003年)而獲獎的。其實,溫伯格還經常在諸如《紐約書評》、《科學美國人》等一些大眾傳媒上發表一些闡明自己對科學的看法和觀點的文章,在這些文章中,他以同樣優美、生動的文筆清晰地表達了自己是一位理性論者、還原論者、實在論者和非宗教論者,有些文章還致力于在科學的文化對手們面前為科學辯護。


    這些文章的一部分在2001年被輯為一冊出版。2004年底我們有了這本集子的中譯本:《仰望蒼穹:科學反擊文化敵手》(Facing up: Science and its cultural adversaries,上海科技教育出版社,2004年11月)。在溫伯格的這些作品中,以他對文字的嫻熟駕馭和在文字中浸透的對物理學的熱情來說,是無愧于“詩人科學家”的稱號的。



    02

    科學的文化敵手們


    按照一句西方諺語:在木匠眼里,月亮是木頭做的,在基本粒子物理學家溫伯格眼里,宇宙由基本粒子構成,這是最理所當然的事情了。自從古希臘德謨克利特和他的老師留基伯提出世界是由不可分割的最小粒子原子構成以來,原子論一直是唯物論的中堅。

    雖然原子論的內容被兩千多年以后的物理學家們大大豐富了,并且原子也早已被打破,物理學家發現了更為基本的粒子,在研究更小尺度的結構——超弦,但是無論是德謨克利特的原子也好,還是現在的基本粒子也好,它們都被認為是客觀的、實在的。用溫伯格的話來說,跟操場上的石頭一樣真實。

    可是有人卻說:諸如夸克這一類基本粒子是一群科學家建構出來的,進而說科學事實、科學理論也是建構出來的,科學理論“只不過是一種整理我們的經驗的人為方式”。是可忍,孰不可忍?溫伯格肯定是覺得有義務站出來駁斥這種言論,而且他顯然也是最有權利和資格站出來保衛科學的人。

    溫伯格捍衛科學的這些文章大多收集在《仰望蒼穹》中。按照溫伯格的交待,這個書名有三層意思。

    第一層意思所取正如書的封面所用的丹麥天文學家第谷雕像的姿態:翹首仰望蒼天;

    第二層意思是溫伯格要強調正確面對和正視人類自身在宇宙中位置的必要性,同時也表明對那 些宗教神創論等形形色色的科學的文化敵手要采取勇敢直面的態度;

    第三層意思是要表明這種直面正視和翹首仰望的姿態與匍匐在地的祈禱者的姿態恰恰相反。

    比較中譯本書名和原書名,中文書名的正題概括性稍弱,而副題則突出了沖突的“火藥味”。



    《仰望蒼穹》英文書名中的文化敵手是復數的。這些被溫伯格列為科學的文化敵手的,主要有宗教神創論者、宇宙智能設計論者,和科學理論的社會建構論者、后現代主義者、女性主義者,部分科學哲學家和科學史家或者他們的部分理論也被溫伯格列為科學的文化敵手。書中對以上各種論者的言論都進行了針鋒相對的駁斥。

    溫伯格對宗教神創論和宇宙設計論的駁斥可謂決不留情、毫不妥協。對于宗教和科學的沖突,各種論述已經汗牛充棟;而對宗教的道德功能一般爭議很少,人們大都承認宗教是有勸人向善的道德教化功能的。

    古爾德曾經在《科學美國人》上撰文說:科學與宗教沒有沖突,科學應對現實的存在,而宗教應對人類道德。然而溫伯格卻連宗教的道德功能也加以否定。在“宇宙有設計者嗎”中他用歷史上的事例證明:“宗教的道德色調從時代精神中受益要勝于時代精神從宗教中受益。”并且旗幟鮮明地提出:“不論有沒有宗教,好人都行善,壞人都做惡;可是要讓好人做惡,那就要利用宗教。”在《終極理論之夢》“上帝怎么了”一章中溫伯格承認科學也給世界帶來過悲哀,但它帶來的是相互殘殺的工具,而不像宗教帶來的是殺人的動機。

    對于宇宙萬物由仁慈的上帝設計創造的論調,作為猶太人的溫伯格提到了希特勒的納粹德國對猶太人的大屠殺,那時仁慈的設計者在哪里呢?或者退一步允許上帝不喜歡猶太人而任由德國人實現他們的自由意志,那么癌癥呢?這也是上帝的仁慈設計嗎?認為宇宙萬物是上帝為人類創造、人類處在宇宙的中心的思想只是人類智力發展早期階段的一種自作多情。天文學的進步已經證明人類只是棲息在一顆微不足道的宇宙塵埃上,人類這種生命形式出現在宇宙的這個角落里完全是出于一種偶然。

    在“直面奧布萊恩”中溫伯格十分肯定地說:“科學家沒有發現能顯示人類在物理規律中或是在宇宙的初始條件中占有任何特殊地位的任何東西。”在《最初三分鐘》一書的結尾溫伯格說了一句給他帶來很多麻煩的話:“宇宙越顯得可以理解,它就越顯得沒有意義。”在《終極理論之夢》和《仰望蒼穹》中溫伯格都為這話進行了辯解。他只不過是要強調,宇宙本身是沒有什么意義的,人類不要把自身的價值觀強加于宇宙。

    對于有人提出科學與宗教之間應該展開建設性的對話這種主張,溫伯格說:“對話是可以的,但決不是建設性的。”他的言下之意很明顯:宗教在科學面前只有俯首帖耳“挨訓”的份。在“宇宙有設計者嗎”中溫伯格這樣結束全文:“最偉大的科學成就之一是,即便不是讓智慧者不可能成為宗教信徒,那么至少是讓他們可能不成為宗教信徒。我們不應該從這個成就上倒退。”這可以看成是溫伯格對待科學與宗教關系的一個鮮明態度。

    溫伯格反擊的另一群科學的文化敵手就是社會建構論者、后現代主義者和女性主義者。對于科學與人文由來已久的沖突,溫伯格有時也有一些建設性的想法,譬如《仰望蒼穹》的第一篇就是“把科學作為文科的一門課程”,這是他在一所文科院校畢業典禮上的演講。他還深信“不論目前在科學家和公眾的交流之間存在什么障礙,它們都不是不可逾越的”,而且他自己就身體力行,進行通俗創作,不惜被譏為“浪費寶貴的時間和精力”、“大材小用”等等。然而對社會建構論等一些科學的文化敵手,溫伯格的反擊是無情和嚴厲的。

    獲得過物理學博士學位的皮克林(Andrew Pickering)著有《建構夸克:粒子物理學的社會史》一書。在溫伯格看來,皮克林在書中把高能物理學中的重點轉移描寫成“不過是一種時尚的改變,就像從印象派轉向立體派,從長裙子轉向短裙子。”對于這種論調,溫伯格以物理學家的身份說:“許多正在盡職的科學家發現,這種‘社會建構論者’的觀點與科學家們自身的經驗不符合。” 并認為“按照這種(社會建構論)觀點,科學理論除了是社會建構之外什么也不是,這在我看來是荒唐可笑的。”

    對于科學規律受發現它們的社會背景的影響這種論調,溫伯格作為一名理論物理學家,習慣性地做起了思想實驗:“如果我們認為科學規律的適應性足以受發現它們的社會背景的影響,那么出于一些可能的誘惑而迫使科學家去發現更無產階級的或更婦女化的或美國的或宗教上的或印歐語系的或任何其他什么的他們所需要的規律。這是一條危險的道路……更有引起爭議的危險。”

    確實,對于我們中國人來說,在剛剛拋棄了“無產階級科學”和“資產階級科學”的劃分之后不久,應該更能認清這種社會建構論是有害無益的。在“索卡爾的惡作劇”一文結尾,溫伯格寫道:“如果要從仍然包圍著人類的不理性的趨勢中保護我們自己,我們就務必要鞏固和強化理性地認識世界的洞察力。”這是在語重心長地提醒讀者:理性來之不易,應該多多珍惜。

    一些后現代主義者,“他們不僅懷疑科學的客觀性,而且還厭惡客觀性,他們歡迎某些比現代科學更熱烈也更模糊的東西”,對他們溫伯格似乎懶得大舉討伐,因為一些爭論很容易滑入哲學的沼澤。譬如,科學家們相信他們在向客觀真理邁進,但反對者說真理還沒有被很好地定義。溫伯格只是說就像給奶牛下定義是動物學家的事,給真理下定義是哲學家的事;而科學家就像農民遇見奶牛能認識它們一樣,他們遇見真理也通常能認識它們。

    在說到科學理論的客觀性和實在性時,溫伯格多次打那個石頭的比方:“我們之所以說巖石是實在的,是因為它具有穩定性和不依賴于社會背景這些性質,而科學理論同樣如此。”

    對于女性主義,溫伯格提到:“按照女性主義者的批判科學的一種版本,現代科學本性上是男性化的,特別是因為它對客觀真理的堅持,以及它對一些科學理論的堅持。這些都完全是錯誤的。”他還說:“我非常高興地發現,男性和女性物理學家研究物理學的方法都沒有明顯的差別。”

    對于哲學,溫伯格坦陳他不喜歡閱讀從亞里斯多德到阿奎那的大多數哲學著作。但是正如他在“伽利略的遺風”一篇中提到的:“現代科學再次遇上了它的由來已久的老對手,也就是伽利略曾經遭遇的主要對手,即哲學的偏見。”所以他有時不得不也要正面接觸哲學,特別是科學哲學。在《終極理論之夢》中專辟了一章“反對哲學”來談論科學與哲學問題。



    科學哲學家庫恩是溫伯格的朋友,在溫伯格的書中多次提到了庫恩,有一篇“庫恩的不革命”甚至是溫伯格專門針對《科學革命的結構》的書評。溫伯格對庫恩的“范式”、“不可通約”等概念進行了批評。

    從科學史和他親自參與的前沿物理學研究出發,溫伯格批評了庫恩在一些科學的史實和事實上的把握有偏差。面對庫恩的結論,即認為從一種范式向另一種范式的革命性轉變中,科學家沒有變得離真理更近一些,溫伯格幾乎有點痛心疾首的味道。他寫道:“正是這些結論使得他成為那些質疑科學知識的客觀本質的哲學家、歷史學家、社會學家和文化評論學家眼中的英雄,以及那些寧愿把科學理論在這方面說得與民主或者棒球無太大差別的社會結構論者眼中的英雄。”

    雖然庫恩自己也抱怨過他自己不是庫恩主義者,但他的理論所產生的影響是種種后現代科學觀的第一推動。所以在溫伯格看來,庫恩哪怕沒有喊反科學的口號,也是一位事實上的反科學者。

    有趣的是,對于時下被一些人大談特談的科學方法,溫伯格卻有出人意料的態度。他認為根本沒有什么科學方法。在“科學方法……和我們的生存之道”中他說:“許多科學家很少有科學方法是什么的概念,這就好像大多數騎自行車的人對自行車是如何保持直立的概念知之甚少一樣。在這兩種情況里,如果想得過多,往往可能會摔跟頭。”這點對于正熱衷于傳播所謂的科學方法的我們也許有一定的借鑒意義。

    03

    美、還原論與終極理論之夢

    在一部根據卡爾·薩根的同名小說改編的科幻電影《接觸》中,女天文學家艾利執著地搜尋外星智慧生物的信號,她克服重重困難,終于獲得成功,并被選定為地球人的使者乘坐按照外星文明傳來的設計圖紙制造的交通工具前往銀河系中心與外星智慧生物會面。在途中埃利看到天體莫可名狀的壯美,不知如何用語言來記錄這種景象,只是感嘆說:“應該派個詩人來!”

    一般認為詩是記錄和呈現美的恰當文體,詩人則是描繪和贊譽美的合適人選。溫伯格等人之所以被稱作“詩人科學家”,就是因為他們能發現和描述科學中的美。

    在科學史上,有不少科學家發現并描述了科學理論中的美。傳說畢達哥拉斯發現了2:1 、3:2 、4:3 這幾個數字比率跟最和諧的音程八度音、五度音和四度音一致,于是得到了“萬物皆數”的信念,認為宇宙中普遍存在著數的和諧,譬如各天體到地球的距離便應該符合和諧的音程。

    柏拉圖繼承了這種信念,認為自然界必定的是完美的,天體必定作完美的運動。亞里斯多德進而認為天體必定是有完美的第五元素構成。哥白尼為了恢復和保持這種古希臘的信念才做出了革命性的舉動。開普勒對行星運動規律的探索也一直在“宇宙存在先定的和諧”這種古希臘信念指導下進行。而正如眾所周知的,從哥白尼到開普勒,開啟了科學邁進近代走向現代的大門。  

    許多現代物理學家也都談到過美在科學中的作用。1974年量子電動力學的創立者之一狄拉克到哈佛大學演講,他對聽講的研究生說:只需要去關注方程的美,而不要去管那些方程是什么意思。溫伯格當時也在座,他認為對學生來說這也許不是什么好建議,但他承認尋找物理學中的美貫穿著整個物理學的歷史。

    在《終極理論之夢》一書中他專門用一章“美麗的理論”來講物理學中的美,認為美感是向著終極理論進步的標志。1987年溫伯格為牛頓的《自然哲學的數學原理》出版300周年做了一個“牛頓之夢”的紀念性演講,在其中他提到“如果我們是在談論非常基本的現象,那么在某種程度上美學思想是重要的”,他還強調:“我們所尋求的美是一種特殊類型的美……我們所尋求的美的理論,能給我們一種任何東西都不會使之改變的感覺。”

    溫伯格還用物理學家惠勒的話來說明他的觀點:“當我們最終認識到自然的終極規律之時,我們將會感到奇怪,為什么它們不是從一開始就那么明顯呢!”

    顯然在溫伯格看來,也在許多其他物理學家看來,科學理論的美具有的一個最基本的屬性,就是簡單。在一篇闡述自己的世界觀和認識論的短文“直面奧布萊恩”中,溫伯格深信沿著解釋自然的鏈條深究下去,用來解釋的原理“看起來會變得更加簡單也更加統一”,“我們采用越來越少的原理來解釋越來越多的東西”,“我們會發現少數幾個及其簡單而又無比優美的普遍原理,即自然規律。”在為《喬治》雜志寫的一篇介紹自己如何發現電弱統一理論的文章“紅色卡瑪洛”中,溫伯格把他的工作說成是“力圖對復雜現象做出簡單的解釋”。

    溫伯格十分注重這種位于解釋鏈條最后端點的東西,認為這是物理學乃至科學的最終目的。在一篇“一位量子物理學家的深夜冥想”的文章中,溫伯格寫道:“如果你問到有關為什么事情是如此這般的任何問題……其解釋總是會還原到更深層理論的形式。更深層并不是指在數學上更意義深遠或更有用,而是指更接近我們解釋的起點。”他舉例說:“許多礦物學和生理學是根據化學來解釋的,化學是根據物理學來解釋的,普通物質的物理學又是根據基本粒子的標準模型來解釋的。”


    溫伯格就《終極理論之夢》接受《科學觀察》(Science Watch)記者采訪


    溫伯格的這種思想其實已經被恰當地命名為“還原論”。另一位1996年“劉易斯·托馬斯獎”的獲得者戴森(Freeman Dyson)把物理學上的還原論描述為力圖“使物理現象的世界還原為一套有限的基本方程”,他還把薛定諤和狄拉克在量子力學方面的工作稱作是還原論的勝利,“化學和物理學的令人迷惑的復雜性被還原為兩種形式的代數符號。”

    事實上,還原論在有些場合被用做貶義詞,被認為是屬于過時的機械論哲學而應該被拋棄。也有人把還原論稱作“物理帝國主義”,而溫伯格也委婉地承認自己在某種程度上是一位物理帝國主義者:即認為物理學家提供了一套能解釋其他所有事情的自然規律,其他科學看起來只不過是物理學的衍生物。

    溫伯格在不同場合多次闡述自己的還原論觀點,他的《終極理論之夢》可以說是一首還原論的贊歌,其中專門有一章叫做“為還原論歡呼”;在《仰望蒼穹》一書中,也收錄了“牛頓論、還原論和國會論證藝術”、“還原論的回歸”、“大還原:20世紀物理學”等篇。

    在“還原論的回歸”一文中溫伯格寫道:“從牛頓時代到我們所處的時代,我們已經看到,我們知道如何去解釋的現象的范圍在不斷地擴大,而用于這些解釋的理論在簡單性和普遍性方面也在不斷地得到改善。”、“由于簡單而普遍的定律,自然的一切就是它現有的這種方式(帶有初始條件和歷史偶然性的某種限制),所有其他科學定律在某種意義上都可以還原為這種定律。”

    按照還原論的思路,沿著解釋的鏈條,終點就是那解釋一切的終極理論。在《牛頓之夢》中溫伯格說:“把那些能夠解釋為什么每件事情理當如此的少數幾個簡單的原則系統化。這是牛頓的夢想。”這當然也是溫伯格的夢想,《終極理論之夢》充滿激情地表達了對實現這個夢想所抱有的信心。

    在“物理學與歷史”一文最后,溫伯格寫道:“終極理論將會是一種有效性不受限制的理論,一種能適用于整個宇宙中所有現象的理論,一旦最終達到,這種理論將成為我們關于這個世界的知識的一個永恒的部分。那時我們作為基本粒子物理學家的工作將會結束。” 

    傳說亞歷山大大帝因為沒有更多的世界讓他去征服而落淚。1980年霍金在就任劍橋大學盧卡遜數學教授職位的就職演講中雄心勃勃地宣稱:物理學家已經瞥見了一種“終極理論”的輪廓;在《時間簡史》中他又宣稱:科學家們正處在發現終極“萬有理論”邊緣。假如這一天真的到來,溫伯格大概是不會落淚的。

    但是霍金已經以一篇“哥德爾與物理學的終結”的演講宣告了自己對“終極理論”信念的背叛:他現在認為人類是不可能找到這樣的終極理論的;而溫伯格看來還在堅持,仍在追求這最后的理論。溫伯格的這種堅持和追求哪怕是唐吉克德式的,也仍舊是可敬的。人類對自然的了解和適應因為這樣的堅持和追求而在不斷進步。


    本文原標題為《溫伯格:“詩人科學家”與“物理帝國主義者”》,轉載自《文景》2005年第5期,已獲作者授權。

    制版編輯 | Morgan



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