质朴的选择
1985-07-15阿巍
阿 巍
耶和华对亚伯拉罕说：“如果不是由于我的缘故，你就根本不存在！”“是的，我知道”，亚伯拉罕回答道，“但是，如果不是因为我的缘故你也不会被知道。”
——一个古老的传说
美国著名理论物理学家J.A.惠勒是现代宇宙学领域的一个开拓者，他曾首先预言“黑洞”的存在。近年来，他热衷于物理学最根本问题的研究，提出所谓“质朴性原理”。《物理学和质朴性》是惠勒一九八一年来华讲学的演讲集。虽然寥寥数万字，却妙趣横生，发人深省。即使是对物理学、宇宙学知之不多的读者，也丝毫不会感觉艰深晦涩，值得一读。
惠勒十分推崇中国古代的文化思想。他的每次讲演，几乎都要提到当年玻尔在中国发现阴阳太极图，把它当作量子力学“互补原理”的最好标志这件往事，他看舞剧《凤鸣岐山》，得知姜子牙指挥一切的旗上写的就是“无”——NOTHING异常兴奋，因为这和“质朴性”不谋而合，他所倡导的这种科学哲学观竟也在东方的远古找到了思想的先驱。
物理学大厦越宏伟，越包罗万象，她的基础也就越令人关心。如果说，相对论深刻地改变了牛顿以来的绝对时空框架；那么，关于量子的理论则从根本上动摇了经典物理学的基础，它那异乎寻常的观念是那样不可思议！即使是象爱因斯坦这样的大师，也对量子力学的种种提法很不放心，质疑问难，百般挑剔。人们常常提到一个著名的理想实验，有两个小孔，它们先后被打开和同时被打开。如果光子(或电子)通过这两个小孔，在接收屏上出现的竟是两种截然不同的图景。也就是说，光子在这两次实验中，走的不是同样的路线，通过同时打开两个小孔其中任一小孔的光子并不一定走或先或后只打开一个小孔时它所走的路线。奇怪的是，光子又怎么知道另一个小孔开着还是关着，从而决定自己该走哪条路线呢？同样的光子，既能穿过一个给定的小孔，又能穿过两个小孔中的任一个，而光子又是不能分裂的。爱因斯坦对此很不以为然，玻尔却强调这里讨论的是两个实验。在他们旷日持久、友好而又激烈的论战中，各自理解的“实在”和观察到的“现象”之间的关系是不一样的！这的确也并不是什么不言而喻的问题。
惠勒以为，人们只有在最后一刻，即“光子已经完成它的旅程之后，才决定它到底是经过一条路径还是两条路径而来的。”(第4页)如果用海森伯的话说，就是“只有在观察的瞬间才显现为时空现象，而关于其在两个观察之间的中间时间内的任何直观的物理陈述，都是毫无意义的。”(《严密自然科学基础近年来的变化》第142页)即光子在被观察到以前是无法也不能说出其行为的。就象谈论光子的途径本身一样，抽象地谈论“现象”也是没有意义的，“除非这个现象已由不可逆的作用使之成为既成的事实。”“基本的量子现象只有当它被观察到时才是一个现象。”(第13页、第4页)因为一切关于微观客体的知识，都是依据实验现象例如我们观察到光子在屏上的图景这样的结果，反推得知的。光子的信息，实际上是由观察者所选择的实验条件、仪器和方法观察到的，较之玻尔所议论的观察本身固有的不可逆性，惠勒更强调选择——这就是他反复论述的“延迟选择”。实验的选择影响实验的结果，“所得的答案依赖于所提出的问题、所安排的实验以及所选择的仪器，我们自身不可回避地要介入‘什么要发生这一问题。”(第6页)重要的是，不可能两个实验同时进行，不能预先肯定任何一个给定的实验将指示什么。
的确，人们为了扩大感知的范围，加强认识的可靠性，引进实验仪器，克服感官的限制，但是同时也使仪器本身介入实验观察过程，仪器本身的作用总要对观察的对象施加影响。事实上，这种影响并不是任何情况下都可以忽略不计，尽管在经典物理学处理问题时常常是被忽略的。如“温度”这一物理量，物体的温度是通过温度计测量得到的。测量游泳池的水温，我们认为温度计标志的就是实在的水温，但是如果水变得越来越少，少到与温度计本身的尺度差不多。这时，还能不考虑这个温度计对水的温度会有什么影响吗？温度计标志的水温还是实在的吗？进一步问，实在的水温测得到吗？当然可以采用更精密细致的仪器测量，但无论如何总有一个极限，倘若你想消去温度计对水的影响，那又要借助于其他的仪器，于是陷入无穷的窘境，越陷越深，不可自拔。“测不准原理”实际上说出了这个意思，使用经典概念描述微观客体，原则上应有一个精度上的限制。任何实在的物理量，都是由仪器观测得到的，严格地说，观察到的总是依据某种先行理论设计的实验及其仪器进行观测的现象。
不仅如此，纯粹的观察也是没有的，任何观察经验都离不开理论的背景，否则它将是盲目或无价值的。观察活动中的每一步骤及成分(目的、方法、工具、表述等)都有赖于先行理论的指导，所启示的期待以及观察者所受过的特殊训练，包括假设、联想、推理等一系列自觉理性行为。观察渗透着理论，由于这种不可分性，对于常识或旧的理论背景，公认不可观察的东西，在新的理论背景下，就有可能是可以观察得到的。同样面对太阳东升西落，月行星移，哥白尼就看到了托勒密地心说看不到的地球环绕太阳运转。“是理论决定我们能够观察到的东西。……才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”(《爱因斯坦文集》第一卷211页)理论背景的深化，知识框架的重构以及实验手段的改进，都带来观察范围的扩展延伸，现象是可以不断地被发现的，甚至可以说，科学的进步也就是现象从不可观察向可观察的转化过程，它们之间并没有一道不可逾越的鸿沟。然而，我们又必须承认，在观察到这个现象之前，的确还不成其为“现象”。
人们曾以为宇宙独立于任何观察者面存在；电子在任一瞬间都有确定的位置和动量；时间和空间似乎只是一张巨大的记录纸，被动地运载着过去、现在和将来。“对这个呆板的图景，量子论却强加了一个无比生动的修正。它说，被我们称之为过去的那个时空，过去的那种事件，实际上是由前不久的过去以及现在所实现的选择测量来决定的，由于这些决定所实现的现象，可影响到过去，直至宇宙之始。此时此地所用的观察仪器，对于我们认为是过去已经发生了的事情来说，确实有一个无可回避的作用。说世界独立于我们之外而孤立地存在着这一观点，已不再真实了。在某种奇特的意义上，宇宙本是一个观测者参与着的宇宙。”(第16页)这里，我们大家既是观众(观察者)，又是演员(现象的组成)。
今天，人可以对宇宙这样说，每一个现象都依赖观察这种行为，没有我所进行的这种观察，你也就失去了意义。
六十年代后，有人提出，人在宇宙中虽然并不居于中心地位，但必须优越到足以成为观察者而存在，这需要某种特定环境。他们进而指出，宇宙及其基本物理常数必须容许在一定阶段产生出智能生命，从而才谈得上宇宙自身被认识，这就是“人择原理”。
早在三十年代，狄拉克发现，把宇宙大尺度世界和微观世界的特征物理常数联系起来考虑，如氢原子静电力和万有引力之比、以原子时间量度的宇宙年龄、以质子质量表示的宇宙总质量等等，都与10
恩格斯在一百多年前就指出，思维的生物“是在具备了条件(这些条件并非在任何地方和任何时候都必然是一样的)的任何情况下都必然要发生的。”(《自然辩证法》第186页)惠勒也曾设想具有不同物理常数、特征条件的无限宇宙系综。但其中绝大多数是流产了的宇宙，因为统治这些宇宙的物理定律不允许它产生令人感兴趣的事情，只有一开始就恰如其分的宇宙才能够最后变得有“自我意识”(见《科学与哲学》一九八○年第六辑214页)。与其说“人择原理”是用物理学，不如说是用哲学来解释“大数之谜”——并不是宇宙演化的任何条件都允许认识主体产生，人只能在我们这个宇宙的特定条件下存在，她在认识宇宙时当然不可能回避这种“巧合”，人类所选择观察的是一个允许其认识主体观察的宇宙。实际上，选择是互相的，就人不过是形形色色的宇宙中一个具备条件的产物而言。恰恰又是宇宙选择了人。人是我们的宇宙的人，我们的宇宙是人的宇宙。对此正是根本没有什么选择余地的。
“这个世界为什么是今天这个样子呢？”因为有上帝(科学家)吗？因为第一次推动(牛顿)吗？因为千载难逢的机遇(目的论)吗？……因为世界不能不是“巧合”的这样——“人择原理”如是说。
“我们的自然科学的极限，直到今天仍然是我们的宇宙，而在我们的宇宙以外的无限多的宇宙，是我们认识自然界时所用不着的。”(《自然辩证法》第215页)重读恩格斯的这段名言，能不为之激动吗？现行的物理学概念只对大爆炸以后的宇宙状态有效，“不仅粒子和场本身来自‘大爆炸，就连物理定律也是来自大爆炸的。……并没有一块预先刻定了物理定律的花岗岩。”(第19页)因为我们所采用的时空量值在大爆炸奇点等于零，物理学定律在那里也就失去了意义。奇点之前并不意味着什么也没有，但是如果以现行的概念、定律去讨论那样的问题，当然只能是一种无法企及的奢望。
“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”，“在玫瑰的眼中，从来不知园丁会死”。尽管晦朔、春秋和园丁之死都是客观存在的。问题是，如果它们的智慧足够发达，它能推测它的生前身后发生了什么吗？对人来说，我们不仅历经沧桑，观察到眼前星空灿烂；还追溯了曾经发生的大爆炸、预言未来的壮丽图景。那么，人根据自己宇宙的现象，又能不能推知其它的宇宙、天外之天呢？——这个问题的提出也许要比对它的回答更令人深思！
“上帝在掷骰子时，对结果是不能预言的。”(第8页)看来，上帝不仅在掷骰子，而且还把骰子掷到人看不见的地方。虽然人大可不必去告诉上帝应当如何掷。可是上帝又为什么偏偏要对人保守秘密呢？
有人说，宇宙不仅比我们想象的要古怪，而且比我们能想象的更古怪。“但是，这一切是如此简单，世界只能是这样，它怎么可能是其它样子呢！？”(第23页)这种简单性，也就是惠勒希望人们认真对待的质朴性——物理学是当代科学的骄子，整个物理大厦却建筑在一无所有之上，从一无所有我们导出几乎所有。“物理学曾是科学中最质朴者，它应当更加质朴。我们的任务是不轻的，决不能想当然地一蹴而就。物理学是一扇神奇的窗户，它使人们在实在的后面看到幻觉，而在幻觉的后面则又是实在！物理学的范围远远超过我们已实现了的东西。我们并不满足于只了解粒子、场、几何、时间和空间，今天，我们还要求物理学去理解存在本身。”(第28页)正如这本书的编者方励之教授所说，近代科学就是在这个世界、人类文明整体中繁衍出来的。科学之所以有今天这样的功利，那是与它赖以生长的过去分不开的——历史中就含有一切！
(《惠勒演讲集·物理学和质朴性》，方励之编，安徽科学技术出版社一九八二年八月第一版，0.35元)
