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第1部分 實在性之舞臺

第1章 通往實在性之路

空間、時間以及事物為什么是那個樣子

我的父親并不介意別人碰他那布滿灰塵的舊書架上的任何一本書。但從小到大，我從未見過任何人從中取下一本。那些書多半是大部頭——涉及方方面面的文明史、成套的西方文學巨著以及大量我已記不起來的其他書籍——它們看起來已經和因為數10年牢固的支撐工作而微微彎曲的架子融為一體了。但是在書架的最上一層，有一本薄薄的小書總能引起我的注意，因為它看起來如此不合時宜，就像大人國中的格利佛一樣。現在回想起來，很奇怪我那時候竟然沒有早點讀一讀那些書。或許是因為年頭太久了，使得那些書不像是用來讀的，倒像是祖上流傳下來的傳家寶一樣，令人不敢碰觸。不過，這種敬畏之心還是敵不過10來歲孩子不安分的天性。我最終拿起了那本書，拂去表面的灰塵，翻開了及時頁。那最開始的幾行文字，即使退一步說，也令人非常吃驚。

"只有一個真正的哲學問題，那就是自殺"，這本書就是這樣開始的。我有點退縮了。"這個世界是三維空間嗎？意識有9種還是12種方式？"這本書提出諸如此類的問題，并解釋說這些問題是人類勇敢天性作用下的一部分，但是只有當那個真正的問題解決時這些問題才值得討論。這本書就是阿爾及利亞哲學家諾貝爾獎得主阿爾伯特?加繆所作的《西緒福斯神話》。后來的一段時間內，隨著對他所說的話的逐漸理解，我心中感到的那絲冰冷才慢慢融化。當然，我覺得你可以一直思考和分析這些問題，但是真正的問題卻在于你所有的思考和分析是否使你確信生命值得存在。那才是所有問題的癥結所在，其他事情都只是細節而已。

雖然我只是偶然讀到加繆的書，但他的話給我留下了極為深刻的印象，時常縈繞耳旁，這遠非我讀過的其他書所能比擬的。我一次又一次的想：我所遇到的、聽說過的或者在電視上看到的各種各樣的人會怎樣回答這一根本性的問題呢。回想起來，盡管他的第2個論斷——關于科學進步所起的作用——對我來說，更具有特殊意義的挑戰性。加繆認為理解宇宙結構確實有價值，但是據我所知，他并不認為這種理解可以改變我們對生命價值的評價。現在看來，十幾歲的我讀有關存在主義哲學的書就像巴特?辛普森讀浪漫詩歌一樣深奧，但是即便如此，加繆的論斷仍然帶給了我相當大的震撼。對于這個具有抱負的唯物論者而言，對生命做出明智的評價需要對生命舞臺——宇宙的理解。我忍不住想，如果人類居住在深埋在地下的巖石洞穴里，那么我們就不會發現地球的表面、明媚的陽光、海洋的微風以及遠離我們的星球；假設人類沿著一個不同于現在的方向進化：如果人類不能獲得除觸覺以外的其他感覺，那么我們所知道的一切事物將來自于對周圍環境的觸覺印象；如果人類大腦發育停止在兒童早期，那么我們的情商和分析能力將不會超過一個5歲的孩子——簡而言之，如果我們的經歷僅僅是一些對實在性的瑣碎描繪——那么我們對生命的評價將大打折扣。當我們最終尋找到通往地球表面的路，當我們具有了視覺、聽覺、嗅覺和味覺時，當我們的大腦能夠發育到正常水平時，我們對生命和宇宙的看法必然將發生根本性的變化。這樣看來，我們現有的對實在性的理解將會對所有哲學問題的基礎產生非同小可的影響。

會產生什么影響呢？或許你會這樣問。任何一位清醒冷靜的思考者都會得出這樣的結論：雖然我們不可能理解宇宙的每一樣東西——關于物質運轉和生命功能的方方面面——但是我們仍然可以在大自然的畫布上按照自己的意愿添上粗糙的幾筆。確實正如加繆所暗示的那樣，物理學上的進步，比如對空間維度數目的理解；或者神經心理學的進步，比如對大腦的所有組織結構的理解；或者，就此而言，其他大量的科學進步都可以說是構成了重要的細節，但它們對我們理解生命和實在性的影響卻微乎其微。的確，實在性是我們對世界的認識；實在性是通過我們的經驗而展現在我們眼前的。

在某種程度上，我們當中的許多人對實在性都會有上述的看法，只是未明確表述出來而已。我發現自己在日常生活中常以這種方式思考；這樣我們就很容易被自然的表象所迷惑。但是，從我及時次讀到加繆的書以來的幾十年間，我發現現代科學給我們上了與眾不同的一課：上個世紀以來的科學研究告訴我們，人類的經驗往往會對我們理解實在性的本質的起誤導作用。隱藏在日常生活背后的是一個我們幾乎沒有多少了解的世界。神秘現象的追隨者、占星術的信徒以及那些宣揚超自然的宗教主義的人們，盡管其觀點各不相同，但都得到了類似的結論。但那并不是我要說的，我要說的是天才的創造者和孜孜不倦的科學家們的工作，如同剝洋蔥一樣，揭開了宇宙一層層的面紗，探索了一個又一個的難題，向我們了展示了一個不同于平常人們所認識的宇宙，一個令人驚奇、興奮和優雅的宇宙。

但是這些科學進展也只是細節而已。自然科學的重大突破已經驅使并且有力量繼續驅使我們的宇宙觀發生戲劇性的變化。現在，我仍然像幾十年前一樣確信，加繆把生命的價值作為基本問題討論是正確的，但現代自然科學讓我相信，通過日常經驗來評價生命就像通過一個空可樂瓶來凝視凡高一樣。作為先鋒的現代科學，向我們的基本感知發起了一輪又一輪的攻擊，使我們對我們存于其間的這個世界產生了很多概念性的迷惑。因此，即便加繆把物理問題分離出來并置于從屬地位，我仍然相信科學才是最根本的。在我看來，科學的實在性為反駁加繆的觀點提供了舞臺和一些啟示。評價存在性問題而忽略了現代科學的洞察力就像在黑暗中與一名不知名的對手摔跤。加強對科學實在性的真正本質的理解，將有利于重塑我們的人生觀和宇宙觀。

這本書的核心在于闡釋對實在性的理解起最為關鍵作用的一些修正，主要集中在那些長期以來影響人類時空觀念的工作上。從亞里士多德到愛因斯坦，從羅盤到哈勃望遠鏡，從金字塔到山頂上的天文臺，自從思想產生時，時空就為我們的思想確立了框架。隨著現代科學的到來，它們的重要性已大大提高。近3個世紀以來，物理學的發展表明，時空觀念已被看作最令人困惑且最引人注目的問題，但同時也是對宇宙進行科學分析的基礎；時空觀念已列于古老的科學概念之上，而這些古老的科學概念被邊緣研究改建的更加奇妙。

對于艾薩克?牛頓而言，空間和時間只不過是一個永恒不變的、普適的宇宙舞臺，以便宇宙中的事件能夠在此一幕幕的上演。對于同時代可與牛頓匹敵的戈特弗萊德?威廉?范?萊布尼茨而言，"空間"和"時間"只是與物體在哪里和事件何時發生有關系的詞匯。換句話說，空間和事件對他們而言并不能代表什么。但對于阿爾伯特?愛因斯坦而言，空間和時間是隱藏在實在性下面的原始材料。通過相對論，愛因斯坦震撼了我們的時空觀，向我們展示了它們在宇宙演化中所起的重要作用。從那時起，空間和時間就成為了物理學界最耀眼的明珠。對我們而言，時間和空間是既熟悉又神秘的；徹底的理解時間和空間已成為最令物理學家膽怯的挑戰，而它同時也是受歡迎的獵物。

本書所講述的物理學進展主要是一些關于時空結構的不同理論。其中的一些理論挑戰了人類長久以來——即便沒有幾千年也有幾百年——的時空觀。另外一些理論則將試圖尋找我們對時空理論的理解和日常生活經驗之間的聯系。而其他理論將質疑普通觀念限定范圍內所不能解釋的一些問題。

我們在本書中將盡可能少的涉及到哲學問題(這里當然不是指關于自殺和生命的意義的那些哲學)。但在探尋科學解釋空間和時間之奧妙的過程中，我們是不受任何限制的。從宇宙最小的微粒和最早的時刻到其所能達到的最遠的邊界和最遙遠的未來，我們將在熟悉和寬廣的環境中探索時間和空間，不停歇的去追求其真正性質。科學家們對空間和時間的探索還在繼續，此刻我們還無法做出最終的評價。我們將會介紹一系列的進展——有些非常奇怪，有些令人非常滿意，有些已被實驗證實，有些還只是空想——它們將向我們展示人類對宇宙結構的思考究竟到了何種地步，人類的指尖對實在性真正紋理的觸摸已到了何種深度。

經典意義上的實在性

關于現代科學從何時開始，歷史學家們眾說紛紜，尚無定論。但毫無疑問的是，從伽利略、笛卡爾、牛頓們開始創造他們的學說時起，現代科學已經走上正軌了。在那個時代，新的科學意識體系正在穩步地建立起來，地球上和天文學上實驗數據的規律性使人們越來越清楚的看到，宇宙的過去和未來是有規律可尋的，通過精密的推理和數學分析我們可以找到這些規律。富有現代科學思想的早期先驅們指出：回顧走過的科學之路，宇宙中發生的事件不僅可以解釋，而且也可以預測。科學所具有的預言未來方方面面的力量——持續而定量的——早已得到了證實。

早期的科學研究主要集中我們在日常生活中可以看到或體驗的各種事物。伽利略從斜塔上拋落重物(大約是人所共知的傳奇)，或者觀察沿斜面滾落的小球的運動；牛頓研究樹上落下來的蘋果(又是一段傳奇)和月球軌道。這些研究的目的在于使新生的科學研究與大自然和諧一致。當然，物理學中的實在性是各種體驗的來源，但更富挑戰的是聆聽自然的和諧之聲并尋找隱藏在其背后的原因。許多著名學者和無名英雄都為早期科學的飛速發展做出了巨大貢獻，但只有牛頓成為了舞臺上的明星。通過對數學方程的運用，牛頓將地球和天空中的各種已知運動現象綜合了起來。就這樣，今日所謂的經典物理學誕生了。

在牛頓完成其工作之后的幾十年間，他的方程被發展出了詳盡精密的數學結構，大大豐富了原始理論，擴展了其實際用途。經典物理學逐漸成為一種深奧精妙而又成熟的科學體系。但是照亮科學之路的卻是牛頓富有創造性的洞察力。即使今天，300多年過去了，我們可以發現牛頓方程依然出現在世界各地的初級物理學課程中；在NASA(美國國家航空和宇宙航行局)的飛行計劃里依然用牛頓方程來計算太空船的運行軌跡；在前沿研究的復雜計算中也常常有牛頓方程的一席之地。在一個單獨的理論體系下，牛頓帶來了豐富的物理學現象。

但在總結他的運動學定律時，牛頓遇到了一個棘手的問題，而這個問題對于我們所要講述的故事也很重要(第2章)。每個人都知道物體可以運動，但是這些運動發生在哪里呢？空間，也許大家都會回答。但是，牛頓卻會問，空間又是什么呢？空間是一個真正的物理實體？還是人們根據對宇宙的理解而得出的一個抽象概念呢？牛頓意識到這個關鍵問題必須得以解決，因為如果沒有對空間和時間的正確理解，他的公式將變得毫無意義。理解需要來龍去脈，思考需有正確的方向。

因此，在他的《數學原理》一書中，牛頓用簡明的語言闡述了空間和時間的概念，他認為空間和時間是的、不可改變的實體，這就為宇宙提供了一個固定而不可改變的舞臺。根據牛頓的理論，空間和時間為宇宙提供了一個不可見的框架從而形成了宇宙結構。

即使在當時，也并不是每個人都同意牛頓的說法。有些學者就指出把理論建立在你摸不到又看不著也無法影響的事物上是沒有意義的。但是牛頓的解釋和牛頓方程驚人的預言能力使這樣觀點銷聲匿跡。在之后的200年里，牛頓關于空間和時間的性觀點成為鐵律。

相對論意義上的實在性

經典的牛頓世界觀之所以令人心悅誠服，并不僅僅是因為它能以驚人的度描述自然現象，更是由于這種對大自然的描述的細節之處——數學——是與經驗緊密相聯的。你用力推一個物體，它就會加速。你擲出球時花的力氣越大，球撞墻時所發生的形變也就越大。當你擠壓某個物體時，你也會感覺到那個物體在擠壓你。一個物體的質量越大，它所具有的重力也就越大。所有這些都是自然世界的最基本性質。當你學習牛頓的力學體系時，你會發現所有的這一切都可由牛頓的方程清晰直觀的表示出來。不同于用水晶球占卜那一套無法了解的騙人伎倆，任何一個只受過很少數學訓練的人都可以掌握牛頓定律。經典力學為人類的直覺提供了堅實的基礎。

引力很早就被牛頓納入到其方程之中。但直到19世紀60年代，電力和磁力才由蘇格蘭物理學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋添加到經典物理體系中。麥克斯韋需要使用新的方程來描述電力和磁力，而他所用到的數學知識需要更高層次的訓練才能掌握。由麥克斯韋引入到經典物理體系中的新的方程在描述電磁現象上恰如牛頓方程在描述運動上那樣成功。到了19世紀末，宇宙的奧秘顯然已不是人類智力的對手了。

事實上，隨著電與磁的成功統一，科學家們逐漸產生了一種認識：理論物理即將完善。有人提出，物理學正在飛速的發展為一門完善的學科，它的定律不久后就會被雕刻在石碑上。1894年，著名的實驗物理學家阿爾伯特?邁克遜評論道，"大多數重要的基本理論已牢固地建立起來"，他引用了一位著名的科學家的話——大多數人認為這句話是英國物理學家羅德?開爾文說的——物理學界剩下的工作只是確定小數點后的數字之類的問題。11900年，開爾文曾指出物理學界上空盤旋著兩朵烏云，一個與光的運動之性質有關，另一個則是物體被加熱時的輻射問題，2但在當時，大家都覺得這些也僅是一些細節問題，它們很快就會被解決。

在隨后的10年間，一切都改變了。雖然正如人們所預料的那樣，開爾文提出的這兩個問題很快被解決了，但是它們的解決卻帶來了更多的故事。每個問題的解決都導致了一場革命，都需要改寫基本自然定律。空間、時間和實在性——幾百年來它們不僅有效運轉，而且的表達了我們對世界的直覺——將不得不被丟棄了。

從1905年到1915年，阿爾伯特?愛因斯坦完成了狹義相對論和廣義相對論，掀起了一場解決開爾文及時朵"烏云"的革命(第3章)。在電、磁和光的運動的謎團中掙扎時，愛因斯坦意識到，經典物理學的基石——牛頓的空間和時間概念出現了狀況。通過1905年春季幾個星期里的努力，愛因斯坦提出：空間和時間并不像牛頓認為的那樣具有獨立且的存在性；兩者實際上以一種與日常經驗相反的形式相互聯系。10年之后，愛因斯坦重寫了引力定律，為牛頓定律的棺木敲上了一顆釘。這次，愛因斯坦指出空間和時間不僅是一個統一整體的一部分，而且通過自身的蜷曲參與了宇宙演化。空間和時間遠非如牛頓所想象的那樣具有穩固且不可改變的結構；在愛因斯坦的理論中，它們富有彈性并且可以不斷變化。

狹義與廣義相對論是人類最寶貴的成就，愛因斯坦正是利用它超越了牛頓體系中實在性的概念。即使牛頓的經典物理學在數學上看起來與我們所能感知的物理世界相符合，但它所描述的實在性并不是我們世界的實在性。我們生活于其中的乃是一個具有相對論意義上的實在性的世界。但是，由于經典物理與相對論性物理的實在性之間的偏離只有在極端的情況下(如在速度和引力非常大時)才非常明顯，因此在大多數情況下，牛頓理論作為一種近似，仍然具有一定的性及有效性。但功用性和實在性是不同的標準。我們將會看到，我們習以為常的空間和時間的性質只不過是錯誤的牛頓式臆想而已。

量子世界中的實在性

羅德?開爾文提出的第二種反常為我們帶來了量子革命，它是現代人類在對宇宙的認知上不得不承受的一場劇變。當這場劇變煙消云散、經典物理學的飾面被燒焦后，浮現出了新鮮的量子實在性的理論框架。

經典物理學的一個關鍵特性在于，如果你知道某一時刻所有物體的位置和速度，那么根據牛頓方程和麥克斯韋添加的新方程，你就可以推算出任意其他時刻(包括過去和未來)所有物體的位置和速度。毋庸置疑，在經典物理學體系下，過去和未來都可以與現在的聯系起來。而狹義相對論和廣義相對論也有此一說。雖然在相對論框架下，過去和現在的概念比我們所熟知的經典物理中的過去和現在(第3章和第5章)的概念要微妙一些，但只要有了相對論方程以及現在的現在這一時刻的所有物理條件，我們還是能夠推導出有關過去和未來的一切。

而到了20世紀30年代，物理學家們被迫引進一種全新的理論體系——量子力學。令人意想不到的是，人們逐漸發現只有依靠量子定律才可以解開大量謎團，并為其時剛剛從原子和亞原子層次測得的各種數據找到合理的解釋。但是根據量子定律，即使你對現在的事物的狀態做出最完善的測量，你最多也只能預言物體在未來或過去某個時刻的運動路徑的概率。根據量子力學，宇宙并不能從現在推演出，我們所能得到的只是概率。

雖然對于如何解釋這些進展仍存在著爭議，但大多數科學家都認同概率的概念與量子意義上的實在性是密不可分的。人類直覺及其在經典物理中的表現形式會勾畫出一幅有關實在性的圖像，在這幅圖像中，物體總會明確的朝著這個或那個方向運動；但量子力學則不然，它所描繪的只是物體徘徊在各種運動狀態之間的實在性。只有當某種觀測事件強迫物體放棄量子概率時，我們才會得到確定的結果。而盡管我們不能預言這最終的結果，但我們卻可以預言物體處于或這或那的運動狀態的概率。

坦白的說，這聽起來的確有點不可思議。我們并不習慣這種在具體的觀測之前一直保持模糊的實在性。但是量子力學的奇異性并未到此為止。1935年，愛因斯坦和兩個年輕同事內森?羅森和鮑里斯?波多斯基寫的一篇論文令人們又一次震驚于量子力學的奇妙，在這篇論文中，作者們試圖發起一次對量子理論的攻擊。3基于科學發展的螺旋式上升說法，我們可以將愛因斯坦的論文看作是及時篇指出了量子力學——從表面意義上來說——隱含著某種可能性的文章。這種可能性即在此地發生的事情可以瞬時的與彼地發生的事情聯系起來而不用考慮距離的問題。愛因斯坦認為這種瞬時聯系荒謬可笑，并將這種來自于量子理論的數學結果視作證明量子理論仍有待發展的明證。但是到了20世紀80年代，理論和工程技術的極大發展使得用實驗來檢驗這種假想的量子謬論成為現實，研究者們證實了相距甚遠的兩個不同位置間發生瞬時聯系的可能性。在早期實驗條件下令愛因斯坦感到荒謬可笑的事情真的發生了(第4章)。

關于量子力學特性對實在性圖像的影響是一個正在進行中的研究課題。許多科學家，包括我自己，將它們看作是關于空間意義與性質的激進的量子升級中的一部分。正常看來，空間間隔意味著物理上的獨立性。如果你想要控制足球場那邊發生的事情，你不得不去那兒，或者，至少，你不得不送某人或某物(助理教練，可以傳播聲音的空氣分子，或能引起注意的閃光，等等)穿越球場以施加你的影響。如果你什么都不做——如果你保持原地不動——你將不會對球場的那邊產生任何影響，因為球場中間的大片空間將阻斷任何物理聯系。而量子力學，至少在某些情況下，通過展現超越空間的能力對這種觀點提出了挑戰；大范圍的量子關聯可以避開空間間隔。兩個物體在空間可以相隔很遠，但從量子力學的角度考慮，它們似乎就可看作一個整體。而且，由于愛因斯坦所發現的空間和時間之間的緊密聯系，量子關聯對時間也有影響。我們將在后面的章節中介紹一些巧妙又真正神奇的實驗，這些實驗最近探測到量子力學中一些令人非常吃驚的時空關聯，正如我們所看到的，它們非常有力地挑戰了經典的、我們大多數人所持的直覺性觀點。

除了上述的那些令人印象深刻的觀念，還有一個有關時間的基本特性——它的方向是從過去指向未來的——相對論和量子力學都沒法給出解釋。關于這一問題。令人信服的進展來自于物理學領域名為宇宙學的研究。

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