为什么世界的本源是物质(为什么世界的本源是物种)

作者Meinard cullmann(德国比勒费尔德大学哲学教授，拥有物理学和哲学双学位)

庞伟(理论物理博士，现任教于广东工业大学，主要研究方向为凝聚态物理和非线性物理)

(本文原载于《环球科学》2013年12月刊)

物理学家总是这样描述宇宙:宇宙是由各种微小的亚原子粒子组成的，它们通过一个力场相互吸引或排斥。他们把这门学科叫做“粒子物理学”，把他们的研究仪器叫做“粒子加速器”。他们坚持认为宇宙是一个像乐高玩具一样由粒子组成的模型。然而，这个概念掩盖了一个鲜为人知的事实:量子物理中“粒子”和“场”的表述完全颠覆了我们对“粒子”和“场”的传统认知，以至于越来越多的人认为世界可能完全是由别的东西组成的。

问题不在于物理学家缺乏描述亚原子世界的有效理论，而是他们确实有一个叫做量子场论的理论。物理学家在20世纪20年代至50年代发展了这一理论，这是早期量子理论和爱因斯坦的狭义相对论的融合。在粒子物理学中，有一个概念叫做“标准模型”(标准模型是描述组成物质的基本粒子以及这些粒子之间相互作用的统一框架)，量子场论是这个概念的基础。就实验精度而言，标准模型是科学史上最成功的理论。物理学家每天都用它来预测粒子碰撞的结果，大爆炸中的物质合成和原子核中的极端条件等等。

在这里，你会惊讶地了解到，物理学家并不确切知道量子场论说的是什么，也就是它的本质或基本物理图像。物理学家的这种困惑，与大家热衷讨论的量子力学中的那些神秘问题有着本质的区别，比如一只密封盒子里的猫是否可以同时处于生死两种状态。量子场论中那些模糊的表述束缚了我们对标准模型之外的物理领域的探索，比如弦理论，因为在不了解现有理论的情况下试图发展一套新的理论是非常危险的。

乍一看，标准模型的内容非常清楚。首先，它包含一组基本粒子，如夸克、电子等。其次，它包括四种力场，基本粒子通过这些力场传递相互作用。这些内容被画成挂图挂在教室里，也频繁出现在本刊的文章里。但这些内容看起来再完美，其实也差强人意。

首先，基本粒子和场的界限是模糊的。量子场论给每个基本粒子分配一个对应的场，所以有电子就一定有电场。另一方面，力场不是连续的，而是量子化的，从而产生类似声子的粒子。于是，粒子和场的区分似乎被人为地定义了，物理学家们经常谈论这两个概念哪个更基本。围绕“量子场论本质上是关于粒子还是场的理论？”，展开了激烈的争论。辩论的双方都是物理和哲学领域的著名人物，这就像一场巨大的战斗。今天，我们仍然在描述中使用粒子和场的概念，尽管大多数物理学家承认这些经典概念不符合量子场论描述的内容。如果我们对“粒子”和“场”的传统认知概念不符合理论描述，物理学家和哲学家必须想出用什么来代替它们。

面对这两个标准的经典概念带来的困境，一些物理领域的哲学家已经开始构思一些更“荒诞”的原语来代替它们。他们提出，物质世界最基本的组成部分，应该是“联系”、“属性”等无法表征的东西。一个颠覆性的想法是，宇宙万物都可以还原为没有任何物理概念的无形内容。这确实是一个违背常识的革命想法，但一些支持者认为，物理学会迫使我们接受这场革命。

“粒子”的困境

大多数人，包括科学家，想到亚原子物质，眼前就会出现各种粒子，像小球一样来回碰撞。但这个粒子概念是古典物理理论的产物，是古希腊原子论者提出的，在艾萨克·牛顿那里达到了顶峰。然而，如果我们仔细研究几个重叠的想法，我们会立即明白，量子场论的核心组成部分——粒子，在性质上远远不是弹性球体。

首先，经典概念中的粒子是指定域在某个位置附近的某种存在，而量子场论中的“粒子”并没有明确定义的位置:你身体中的一个粒子并没有严格地局限在你的身体之内。如果有人想测量它的位置，他会发现这个粒子出现在宇宙遥远边缘的概率很小但不是零。虽然这个问题出现在早期的量子理论中，但随着理论物理学家将量子力学和狭义相对论结合起来，这个问题变得更加严重。相对论量子粒子极其狡猾。他们居无定所，茫茫宇宙处处是家。

其次，假设你在你的厨房里看到一个微粒，你的朋友开车经过你家。他可能会看到粒子遍布整个宇宙。对你本地化的东西对你的朋友来说是不本地化的。不仅质点的具体位置取决于你的视角，质点是否有确定的位置也会随着视角的变化而变化。在这种情况下，把定域粒子看作世界的基本组成部分是没有意义的。

第三，即使放弃寻找粒子的确切位置，只考虑粒子的数量，也会陷入困境。现在假设你想知道你家里的颗粒数量，于是你起身四处走动，在客厅发现了三个，在卧室床下抓到了五个，在厨柜里又发现了八个。所以，一个房间一个房间看，把每个房间的数量加起来，就得到你家的粒子总数？但是结果又会让你失望，因为这不是粒子总数。根据量子场论，房子里的粒子总数是房子的属性之一。为了得到正确的结果，你必须一次测量所有房间里的粒子，而不是一个房间一个房间地搜索。这显然是一个不可能完成的任务。

粒子无法精确定位导致了一种极端情况——在量子场论中，真理空会有矛盾的性质。假设你现在有一个完整的真值空，这个真值根据定义是一个包含0个粒子的状态，但它被限制在某个有限的区域内。你看到的会和真相大相径庭空。换句话说，虽然你家里的整个空空都是一样的，但是你到处都能找到粒子。如果消防员问你屋里还有没有人，你会回答一般没有人，但是他冲进火里，肯定会质疑你神智是否正常。

量子场论中还有一个令人惊讶的真值空效应，叫做Unruh效应。一个处于静止状态的飞行员可能会认为自己处于[/k0/]，但在另一个处于加速中的飞船的飞行员眼中，他会觉得自己处于无数粒子的海洋中。这种不同视角的差异在黑洞边缘也存在，导致我们在讨论“物质落入黑洞后会发生什么”这个问题时，得出了两个完全矛盾的结论。如果说truth 空充满了粒子听起来很可笑，我们可以这么理解，因为我们被经典粒子的概念误导了，量子场论的描述和经典物理的描述是不一样的。我们可以接受这种解释。但是，如果粒子的数量也取决于观察者的视角，那么粒子是基本元素的假设是非常不合理的。我们可以接受许多其他属性依赖于观察者，但我们不能接受图元数量不可预测的事实。

最后，根据量子场论，粒子并不具有独特的性质。在量子纠缠这种令人困惑的现象中，粒子会变成一个更大的系统，可以相互区分的属性会消失。这些粒子不仅共享质量和电荷等固有属性，还共享位置和时间属性，例如特定时间的可能位置。这样，当粒子纠缠在一起时，观察者就分不清了。结果你怎么确定有两个粒子处于纠缠态？

物理学家可能会简单地规定，纠缠态确实是由两个不同的粒子组成的。哲学家称这一规则为“基本假设”。根据它的定义，这个假设无法通过观察来证实。大多数物理学家和哲学家都对这个特殊解持怀疑态度，因为事实上，两个纠缠的粒子不再是两个实体，它们的行为就像是一个不可分割的整体。“部分”这个概念在这里已经失去了意义，更不用说单个粒子了。

这些与粒子有关的理论问题完全颠覆了我们传统的认知观念。如果没有粒子，我们的“粒子探测器”探测什么？答案是我们从未直接探测到粒子，粒子只是推测的结果。当传感器材料被独立激发时，探测器仅记录大量数据。我们冒昧地把这些亮点联系起来，推测它们是粒子在不同时间留下的轨迹。(注:虽然在少数解释量子力学的文章中使用了“严格定义的粒子轨迹”的概念，但这些解释都遇到了一些问题，我仍然坚持标准的量子力学观点)。

现在，让我们想清楚。我们把粒子看作微小的球，但物理学家今天所说的“粒子”与它们无关。根据量子场论，任何物体无论大小，都不可能局限于一个有限空。不仅如此，这些假设粒子的具体数量也会因为观测者的运动状态而有所不同。所有这些结果总结起来，几乎谴责了“宇宙是由像小球一样的粒子组成的”这一观点。

基于以上原因以及其他关于量子场论的观点，我们必然会得出“粒子物理”其实名不副实的结论。虽然物理学家一直在说粒子，但其实是没有的。也许有人求助于“量子粒子”来缓解矛盾，但如果所有关于粒子的经典概念都崩塌了，“粒子”这个词还有什么意义？与其苟延残喘，不如壮士断腕，彻底抛弃这种观念。有人认为，粒子概念遇到的这些问题，暗示了量子场论应该纯粹用场来表示。按照这种思路，场是一种看不见的、可流动的物质，分散在各处空，粒子是场的波纹。但是，我们接下来会看到，量子场论也不能用来描述。

“场”也是一项艰巨的任务。

“量子场论”这个名字自然表明这是经典场论的量子版本。我们都很熟悉经典场，比如电场、磁场，但什么是“量子版”呢？一提到“场”，总会联想到这些画面:磁铁周围的磁场使小磁针相互平行；静电场让头发竖起来。但是量子场与经典场如此不同，以至于连理论物理学家都承认很难形象地描述它们。

在经典理论中，场代表一个物理量在不同点空的值，比如温度或者电场强度。但是对于量子场来说，每一个time 空点都代表一个抽象的数学实体，代表你可以进行的测量的类型，而不是你想要测量的结果。在量子场论中，确实有一些数学结构表示物理量的值，但这些值并不是特定时间空点的值，而是一些不确定区域的值。

历史上，物理学家通过“量子化”经典场论建立了量子场论。通常的程序是物理学家找到一个方程，然后用算符代替物理量。所谓算符是微分或平方根等数学运算，而有些算符对应的是光的辐射、吸收等特殊物理过程。操作者在理论和现实之间设置了一道抽象的障碍。一个经典场就像一张显示各个城市温度的气象图，而对应的量子场并不是直接标注一个城市“40℃”，而是一个城市“”。如果你想知道这个城市的温度值，你必须更进一步，把这个算符应用到另一个数学实体上，叫做状态向量，它代表整个地图的温度。

在某种程度上，量子场的奇特性质并不十分令人惊讶。因为量子力学作为量子场论的基础，无法得到确定的数值结果而只能给出概率。但就本体论而言，量子场论的情况似乎更离奇。最基本的“量子场”连概率都得不到，所以必须束缚一个态矢量。

量子场需要用状态向量来描述，这使得理论非常难以理解，因为你很难把它转换成一个你可以在脑海中想象和推导的物理图像。状态向量具有整体性，它描述了一个系统的整体性质，并不适用于某个特定的位置。根据定义，场具有在时间空中有序传播的特性，但状态矢量削弱了这种特性。我们可以把经典场想象成“光波以波的形式在空中传播”的形象，但在量子场中，场的性质完全不同，我们无法描述它是一种什么样的物质。

显然，基本粒子和力场的标准图像并不是物理世界的理想本质描述。其实物理学家连粒子和场是什么都不知道。对此，通常会有一种回应，认为粒子和场应该被视为真实情况的两个互补条件，但在那些我们应该观察纯粒子或场的情况下，这两种物质仍然不存在。幸运的是，量子场论所有可能的本体论描述都没有排除粒子和场。

结构现实主义？

越来越多的人认为，真正重要的不是事物本身，而是这些事物之间的关系。这种观点完全突破了传统的原子论或点粒子论，其颠覆之大，连我们所做的最激进的粒子和场的改造都望尘莫及。

这个概念被称为结构现实主义，是从一个相对和平的版本逐渐发展而来的。当时，它还被称为认知结构实在论。大意如下:我们可能永远不知道事物的真实本质，而只知道它们之间的关系。以质量为例。你见过质量本体吗？我们以前从未见过面。你看到的只是质量对另一个实体的意义，具体来说，一个有质量的物体如何通过周围的引力场与另一个有质量的物体相互作用。世界的结构是通过事物之间的关系表现出来的，是物理理论中最持久的部分。新理论可能会颠覆我们对世界基本要素的认识，但不会颠覆世界的结构，这是科学家能够一点一点进步的根本原因。

新的问题又来了:为什么我们只能理解事物之间的关系，而不能理解事物本身？最直接的回答是，人脉就是一切。由此，结构实在论成为一个更大胆的假设:本体结构实在论。

在现代物理学中，无处不在的对称性强有力地支持了本体论结构实在论。在量子力学和爱因斯坦的引力理论中，世界结构的一些变化是无法通过观测来证实的。这些变化被称为对称变换。在这些转化中，构成世界的独立个体相互交换，但它们之间的关系不变。打个比方，你可以想象一张镜像对称的脸:一面镜子把左眼变成右眼，左耳变成右耳，以此类推。在这个过程中，面部器官的相对位置总是保持不变。这些器官之间的联系真正定义了这张脸，而“左”和“右”取决于你面对的是哪一边。我们一直所谓的“粒子”和“场”有更抽象的对称性，但道理是一样的。

基于奥卡姆剃刀原理，这个原理可以总结为:如果没有必要，就不要添加实体。常用于在两种假说之间进行选择，即如果同一现象有两种不同的假说，就应该采用较简单的一种。物理学家和哲学家倾向于用最少的假设来解释这一现象。就我们正在讨论的问题而言，一个完全适用的理论可以通过假设存在特定的联系来构建，而不需要任何独立实体的额外假设。因此，本体论结构实在论的支持者认为，我们不妨抛弃实体，假设世界是由结构或各种联系构成的。

在日常生活中，我们经常会遇到一些情况，只有联系才起作用，但是把联系中的个体考虑进去就会画蛇添足。例如，在地铁网络中，重要的是要知道不同的车站是如何连接的。在伦敦，你可以从圣保罗站直接到霍尔本站，但你需要从布莱克弗里亚斯站到霍尔本站至少换乘一次火车，尽管后者比前者离霍尔本站更近。连接结构是最重要的因素，像最近装修的Blackfall站这样的东西对于想了解地铁线路的人来说并不重要。

还有很多其他的例子，比如互联网，脑神经网络，基因组，都说明结构比组成它的物质更重要。即使互联网中的单个计算机、神经网络中的单个原子或基因组中的单个碱基出现故障，这些系统仍然可以很好地运行。虽然这些都是一般的类比，但本质上和量子场论的技术讨论差不多。

用这种类似的推理来研究量子纠缠，我们会得出一个结论:结构是真正建筑的基石。两个量子粒子的纠缠是一个整体效应。这两个粒子的所有内在性质，比如电荷，以及外部参数，比如位置，都不能决定这个纠缠系统的状态。整体不是部分的总和。一切都是由最基本的成分的性质和它们在时间空上的关系决定的，这个原子概念已经不成立了。对于量子纠缠态，或许我们可以不再以粒子为主，纠缠为辅，而是反其道而行之。

你可能觉得没有实体的关系很奇怪，那么关系是什么呢？听起来像是没有情侣的婚礼。不仅你觉得奇怪，很多物理学家和哲学家也觉得很奇怪。世界上的各种物体怎么可能仅仅通过连接就产生出来？一些本体论结构现实主义者试图做出一些妥协。他们并不否认实体的存在，只是声称连接或结构在本体论上更为基础。换句话说，一个实体没有内在属性，它只是在与其他实体的接触中获得属性。但是这个提法很空笼统，因为没有人否认实体之间有联系。真正有趣和新颖的是，为什么简单的连接可以构造一切。但是，归根结底，结构实在论是一个有争议的思想，我们还需要对它进行打磨，才能知道它是否能解决我们的解释困难。

属性交错

量子场论的第二种替代解释来自于一个简单的想法:虽然传统观点认为粒子和场有着本质的不同，但它们实际上是有共同点的。两种说法都假设物质世界的基本单位是独立的实体，要么是粒子，要么是场论中的时间空点，我们可以赋予它们各种属性。包括我自己在内的很多哲学家都认为，这种实体和属性的二元划分，可能是粒子论和场论都陷入困境的深层原因。我们认为最好将属性视为全部且唯一的基本分类。

传统上，人们假设属性是“通用的”，换句话说，它们属于一个抽象的广义分类。属性总是被具体的事物所占有，不能独立自存(当然柏拉图也确实想象过属性可以独立自存，但只是存在于更高的境界，而不是时间和空)之间的世界。比如，当你想到红色时，你通常会想到一些特定的红色物体，而不是漂浮在半空中的一个名为“红色”的东西。但是你可以认为属性是独立的，是自我存在的，是属性占据了对象。也许属性就是哲学家所说的“特质”，即具体独立的实体，而我们通常所说的只是属性的集合:颜色、形状、粗细等等。

由于这种认为属性是特质性而非普遍性的观点与传统观念相悖，哲学家们引入了一个新名词称之为“比喻”(trope，目前没有确定的翻译，但有“逃避”和“比喻”的翻译。考虑到这个词与特质性和普遍性的联系，本文译者认为将其翻译为“比喻”更为恰当)。这个词听起来很搞笑，很不幸带有一些不恰当的内涵，但这个观点确实成立了。

将事物解构为一堆属性，并不符合我们通常对世界的定义，但如果我们试图忘记偏见，回到原点，这种解释似乎就不那么神秘了。当我们还是婴儿的时候，当我们第一次看到和触摸到一个球的时候，严格来说，我们所感知到的只是一个球形，一点红色的影子，触摸起来有一点弹性。只有长大了，我们才能把这些属性和一些明确的物体联系起来，比如球。所以，当我们再次看到球的时候，我们会说“看，一个球”，而忘记了这种看似欠考虑的认知背后，用了多少感觉器官。

在“Tep”的本体中，我们回到了婴儿般的直接感知。在外部世界中，除了像线一样的属性之外，什么也没有。我们不是先有一个球再赋予它各种属性，而是先感知各种属性再称之为球。除了各种属性什么都没有。

用这种思维去思考量子场论，那么我们所说的电子，其实就是各种属性或者说“特殊特征”的集合，包括三个本质属性(质量、电荷、自旋)，其余的都是不断变化的非本质属性(位置、速度)。这种“特殊观点”有助于量子场论的自证。比如量子场论预言基本粒子可以快速产生和消失。量子场论中的真理空的特征是不可思议的:真理空中的平均粒子数为零，但真理空却处处充满了粒子。Tepp的观点可以解释这一点，因为无数的过程一直在同时发生，包括各种粒子的诞生和死亡。

从粒子本体论的角度来看，这张图真的很矛盾:如果粒子是基本元素，那么它们是怎么产生的？是什么可以制造这些原始人？从“Tep”的本体论来看，这种情况是很正常的。True 空有属性，虽然没有粒子。当需要的属性相互作用时，就会产生粒子，而属性发生变化的粒子就会消失。

物理学和形而上学

为什么量子场论这样成功的理论的基本框架会有如此严重的冲突？原因很明显。虽然理论能告诉我们测量什么，但形成我们所见的实体的本质并不清楚。量子场论把我们看到的现象归结为夸克、介子、光子和各种量子场，但是它并没有告诉我们一个光子或者一个量子场到底是什么样子的。而且事实上也不需要解释，因为物理理论在很大程度上不需要考察这种形而上的问题也可以极其有效。

对于许多物理学家来说，这已经足够了。他们采取所谓的工匠态度:首先，他们否认科学理论必须是对自然的描述。在他们看来，理论只是产生实验预测的工具。当然，大多数科学家都有很强的直觉。在进行任何测量之前，他们的理论至少已经描述了自然界的某些方面。毕竟，如果科学不是为了了解他们周围的世界，那它有什么用？

为了获得物理世界的完整图像，我们需要结合物理和哲学的力量。这两门学科相辅相成。形而上学提供了各种可比较的本体论框架来解释物质世界，但除了保证这些框架内在自洽之外，形而上学无法在其中进行选择。另一方面，物理学对物体的定义、特征的作用、属性的地位、事物与属性的关系以及空与时间的本质等基本问题缺乏一致的描述。

这两个学科的结合非常重要，尤其是当物理学家发现自己在重新审视这个学科的基础时。形而上学的思维方式指导了牛顿和爱因斯坦，也在影响着许多试图统一量子场论和爱因斯坦引力理论的思想家。哲学家们写了无数关于量子场论和引力理论的专著和文章，但对量子场论中物理元素的探索才刚刚开始。我们正在建立一个新的视角来取代标准粒子理论和场论，这可能会激励物理学家，并帮助他们在追求大统一的艰难旅程中。

九天蓝月微信号:九天蓝月91

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