社科网首页|论坛|人文社区|客户端|官方微博|报刊投稿|邮箱 中国社会科学网

【赵煦】论霍金的依赖模型的实在论

从地心说到日心说,再到牛顿的绝对时空,人类追求的是一个稳定不变的静态世界。进入20世纪以后,相对论为世界提供的说明取代了牛顿的经典力学所描述的世界图景,宣告了那种如钟表式运作的世界的终结。而最新的科学研究表明,宇宙处于不断的膨胀之中,而且膨胀是加速的。随着人们的这一系列有关世界认知的观念性的变革,科学实在论的那种客观的世界形象早已遭到颠覆。近年来,工具实在论、结构实在论、经验实在论等层出不穷,但其中“实在性的幼稚的观点和现代物理不相容”①。他们众多的观点似乎都不能为世界提供一个令人信服的说明。出于对上述实在论主张的不满,霍金提出了一种新的实在论主张——依赖模型的实在论。

一、依赖模型的实在论的提出

在《大设计》一书中,霍金以科幻影片《黑客帝国》所描述的一种不同类型的另类实在为例,指出影片中的人不知不觉地生活在由智慧电脑制造的模拟实在之中,而能够保持平静而满意。其中的“模拟实在”对于我们绝大多数人来说,都是荒唐可笑的,它似乎与我们的实际生活无法相容,仅可作娱乐之用。但霍金却表示,这也许没那么牵强,并进而提出了一个令人深思的问题:何以得知,我们不仅仅是一部电脑制作的肥皂剧中的角色呢?如果我们生活在合成的虚世界中,事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。但如果合成虚世界的外星人实施一致的定律,我们就无法得知这模拟的实在背后还有另一个实在,原因是这些模拟世界中的生物不能从外面注视到他们的宇宙之中,他们就没有理由怀疑自己的实在图像。由此,霍金得出结论:“不存在与图像或理论无关的实在概念。”②在此基础上他提出了依赖模型的实在论观点:“一个物理理论和世界图像是一个模型(通常具有数学性质)以及一组将这个模型的元素和观测连接的规则的思想。”③

接着,霍金对他的依赖模型的实在论进行了详细的阐述。他指出,根据依赖模型的实在论主张,“去问一个模型是否真实是无意义的,只有是否与观测相符才有意义”④。哲学家们一直在喋喋不休地争论理论的真与假问题,这在霍金看来,仅仅是一些无意义的不值得讨论的话题。他所关心的只是理论模型是否可以与观察或实验的经验数据相符合、相一致。能够与经验数据相符合的理论模型是有用的;反之,则没有存在的价值。从这个意义上看,牛顿的经典力学体系,由于和“光线弯曲”的现象不相符合,因此在大尺度宇宙空间失去了存在的价值。而爱因斯坦的相对论则由于可与之相符合,因而就有了存在的根基。

不过,随之而来的问题是,相互竞争的理论可能会同时建构出与观测的经验数据相符合的不同的模型。霍金表示:“如果存在两个都和观测相符的模型……那么人们不能讲这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下,哪个更方便就用哪个。”⑤霍金的这一观点与科学史的实际是相符合的。就目前人类的已有认知来看,在托勒密的地心说模型与哥白尼的日心说模型之间,就不存在真假之分,因为两个理论模型都存在问题——宇宙既不是以地球为中心,也不是以太阳为中心。但二者之间却有好坏之别,由于从哥白尼的那个时代科学所得到的数据来看,哥白尼的日心说可以对世界作出更为简洁的说明,且同时面临更少的反常现象,因此日心说模型更好,使用起来更为方便,所以逐渐得到了人们的认同。不过,在霍金的眼中,这并不否认地心说也有合理的成分。

那么,既然可能同时存在两个或两个以上相互竞争的、与经验数据都相符合的理论,那么哪一个更为方便、更为有用呢?这是霍金必须回答的问题。因此,虽然霍金不想在理论的真与假方面参与到哲学家们的争论之中,但由于有用性的需要,他却必然要在理论模型的好与坏之间作出判断。霍金认为,如果一个模型具备以下条件:

(1)它是优雅的,

(2)它包含很少任意或者可调整的元素,

(3)它和全部已有的观测一致并能解释之,

(4)它对将来的观测作详细的预言,如果这些预言不成功,观测就能证伪这个模型。⑥

那么,这个模型是好模型。

事实上,霍金的“好模型”的标准中,(1)(2)都是主观的。因为一个模型是否“优雅”,是仁者见仁智者见智的事,无法给出一个客观的标准。而模型中所包含的元素多少才叫作“很少”呢?什么样的元素为“任意或者可调整的”?这都无法给出确切的答案。因此,(1)(2)在霍金的“好模型”标准中并非刚性存在的。它们只有在相互竞争理论的比较中,才会有所显现。而(3)(4)由于涉及模型与经验数据的比对,则成为一个模型“好”与“坏”的刚性判据,甚至可决定一个理论模型的生与死。需要说明的是,(3)(4)在本质上是一致的。如果非得说二者之间有所差别的话,最多就是(3)要求模型与已有经验数据相符合,(4)则是要求模型与未来经验数据相符合。而不管是在与已有经验数据,还是在与未来经验数据相比对时,一旦出现反常现象,理论模型就可能被证伪。因此,在霍金为“好模型”所设定的衡量标准中,“好”的内在要求是“与经验相符合”。

霍金对于模型好坏的认知,完全是以实用为准则作出判断的。从依赖模型的实在论出发,霍金认为,似乎不存在一个单独的数学模型或理论能够描述宇宙的方方面面。因此,霍金相信,在M理论网络中,各种模型都能够找到对应的位置。这样,依赖模型的实在论就可以为当前科学的实际作出一个较为贴切的描述。

二、依赖模型的实在论的方法论意义

霍金从实用主义的角度出发,将实在与模型相结合,避开了哲学家们激烈争论的理论的真与假问题。从依赖模型的实在论出发,霍金甚至允许与一个事实相符合的多个模型在M理论网络中并存。这使得依赖模型的实在论在指导科学实践时,具有重要的方法论意义。主要表现在三个方面:

()好模型的标准

当竞争成为科学常态的情况下,相互竞争的理论必然会将实用性作为首要的追求目标。一个具体的科学理论如果一味地在真与假的问题上纠缠不休,在世界是否是客观存在的这样的千百年来人类一直难以作出定论的终极哲学问题上耗费精力的话,该理论将可能失去许多发展的机会和实际存在的价值。而依赖模型的实在论完成了人们从“对实在的追求”到“对有用的追求”的转变,使得这一新实在论在方法论上表现得更加灵活,更能够推动科学的发展和得到实际的运用。

在传统的宇宙学中,无论是在直观感觉上,还是从数学计算上来看,一个静态的宇宙都是可能的而且更能获得人们的心理认同。为了构建一个静态宇宙模型,爱因斯坦曾尝试用引力场方程描述一个宇宙模型:

 

但在这一宇宙模型中,爱因斯坦认为,如果宇宙在欧几里得的空间内存在一个有限的边界,那么宇宙内部的物质就不会和宇宙外部的空间保持平衡,而这样世界就不会形成一个稳定的体系。因此,爱因斯坦所设想的宇宙“可能有一个有限的体积,但没有固定的边界”⑦。但新的问题随之产生,假设宇宙在三维空间上是有限无边的,而由于爱因斯坦的引力场方程只包含引力效应,不包含排斥效应,由于物质只相互吸引而不排斥,世界将会不断坍缩,这样就不可能形成一个稳定的静态宇宙。为了克服这一困难,爱因斯坦又在引力场方程中引入了一个常数,形成了一个起相互排斥作用的项。他将方程修改为:

 

新引入的项被称为“宇宙项”,这一宇宙模型被称为爱因斯坦静态宇宙模型,它是一个静态的均匀各向同性的宇宙模型。显然,爱因斯坦为了实现一个静态的世界,颇费了些心思。但在不久后的1922年,一位名不见经传的苏联数学家弗里德曼从不含宇宙项(或者说宇宙常数为0)的引力场方程中得到了一个均匀的、三维各向同性的宇宙解。这个解所描述的宇宙是膨胀的或脉动的(膨胀与收缩交替进行)。弗里德曼的动态宇宙模型遭到了爱因斯坦的多次拒斥。

那么,这两个宇宙模型哪一个是“好模型”呢?根据依赖模型的实在论,这决定着这两个理论模型能否为科学界所认同并接受。在某种意义上说,这决定了一个理论的未来发展走向。爱因斯坦的静态宇宙模型显然符合霍金的“好模型”的(1)(2)两个衡量指标,因为这一模型在数学上是和谐的,在人们的心里感觉上是优雅的,而且其中包含的变量也实现了最少化。相比较而言,弗里德曼的动态宇宙模型在数学上同样是自洽的,只不过二者对宇宙常数的态度不同。但动态宇宙模型在心里感觉方面明显处于劣势,因为人们在内心深处总是难以接受一个动荡的世界。但从(3)(4)两个刚性指标上看,情况就不一样了。因为在1929年,哈勃通过观测发现,来自遥远星系的光线普遍存在红移现象,且红移与它们的距离成正比。这意味着,河外星系的视向推行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越大。哈勃的这一发现,可为弗里德曼的动态宇宙模型提供一个强有力的经验数据,同时证伪了爱因斯坦的静态宇宙模型。因此,爱因斯坦晚年声称,在宇宙模型的建构中,宇宙常数的引入是他一生中最大的错误。

事实上,从依赖模型的实在论出发,宇宙常数的引入并不一定是爱因斯坦的错,因为在当时建构模型的条件下,爱因斯坦必须在静态宇宙与动态宇宙之间做出选择,之后等待经验验证。况且,目前人们正在追寻暗能量的踪迹。如若暗能量真的存在的话,宇宙常数的提出将是爱因斯坦的又一伟大贡献。但不管怎么说,根据依赖模型的实在论,在爱因斯坦与弗里德曼的理论之间进行对比,动态宇宙模型是好模型。需要指出的是,弗里德曼之后还可能会出现新的更“好”的宇宙模型,并取而代之。

()实在与模型相结合

把实在与模型相结合,使实在概念的外延有所延伸,让实在具有了更大的包容性。此处霍金的实在概念包涵“在自然界中真实存在的物质实体,以及与自然界有物质关联的理论实体”⑧。

自夸克诞生以来,对于它的争论与疑惑就一直未曾停止过。这是由夸克的独特的性质所决定的。在物理学标准模型理论中,夸克是构成质子和中子的一种基本粒子。但由于相互结合的夸克之间的束缚力会随着相互分离而增大,所以孤立的自由夸克不可能在自然界中存在(人们称之为“夸克禁闭”)。这意味着我们将永远无法观察到孤立的、自由的夸克。于是,人们会自然而然地想到,如果你永远不能分离出一个夸克,那么说夸克真的存在是否有意义呢?因此,霍金设想,某种拥有17只手臂、红外眼以及习惯从耳朵吹出浓缩奶油的外星生物可能会进行与人类相同的实验观察,但在建构理论模型时不用夸克描述之,而是构建了其他更为简洁的模型。霍金认为这是完全可能的。因为一些基本粒子的相互结合构成某些更大粒子的思想只不过提供了一种编组原理,根据依赖模型的实在论,夸克存在于一个和我们对亚核子粒子如何行为的观察一致的模型中。

况且,夸克模型所导出的一系列预言也陆续为后来的实验所验证。这样,虽然夸克因为它永远不能被人们直接观察到,而导致它是否如人、树、石头等事物一样具有客观实在性的问题得不到绝对肯定的回答,但夸克在科学中的有用性使得它只能作为一个理论实体存在的合法性问题得到了解决。当然,这并不表明人类仅凭主观想象就可以任意建构出像夸克一样的理论实体来,因为夸克作为一个理论实体而存在的根基是它与自然界存在着物质关联,与夸克模型有关的粒子得到验证,就是夸克与世界存在物质关联的表现。

依赖模型的实在论关于实在概念的这一扩展,对于当代科学前沿所面对的“看不见”的世界的探索有着重要的意义。因为,无论是宇观世界中人类无法从中得到任何信息的奇点,还是2012年刚发现的希格斯玻色子,都和夸克一样,仅仅能依赖模型和它们与世界存在的一些物质关联对世界作出说明。

()相互竞争理论模型的关系

同时允许两个或两个以上相互竞争的理论模型并存,这是依赖模型的实在论与科学史的实际相符合的突出表现。

在传统的科学哲学领域,理论的进步总是一个占统治地位的理论不断地被后来理论取而代之的过程。早期的逻辑实证主义者主张,科学的发展是一种不断为经验所证实的累积的渐进过程。而波普尔则认为,理论的划界标准不是可证实性,而是可证伪性。他要求理论“能在否定的意义上借助经验检验的方法被挑选出来;经验的、科学的系统必须有可能被经验反驳”⑨。在此基础上,他通过把科学发展模式概括为四段模式:—TTEE—……主张理论的进步是一个动态的演进过程。在这一过程中,先前的理论总是不断地被后来理论所证伪而替代。证伪“借助于确凿事实的帮助,不断地推翻理论,这便是科学的增长”⑩。

库恩则认为,不存在逻辑主义者所追求的那种具有明确演绎结构的理论。他以范式为核心概念,将科学发展分为常规科学和革命两个阶段。在常规科学时期,科学共同体遵循着一个统一的范式进行解谜活动。科学的大部分时间都处于这样一种状态之中——科学在缓慢地前行。一旦遇到某一个或一些严重的反常问题,常规科学时期占主导地位的范式便面临危机,当反常严重到难以克服的时候,旧有的范式将遭到颠覆,“向新范式的转变便是科学革命”(11)。库恩指出,在新范式“同化反常的过程中,新理论势必取代旧理论”(12)。这意味着,前后相继的理论如人类社会的朝代更替一样,是交替而行的,“在革命之后,科学家们所面对的是一个不同的世界”(13)

此后,拉卡托斯、费耶阿本德、劳丹等人要么继续在波普尔和库恩所创立的道路上前行,要么寻求二者之间的融合,以期使自己的见解能够与科学史一致起来。但在实际上,上述哲学家们都没有注意这样一个事实——前后相继的理论之间必然会有一个并存阶段的存在。这种并存情况的存在一直未能引起科学哲学界的注意。因为在大多数时候,后来理论取代先前理论的时间都很短,通常是伴随着一个标志性的历史事件,理论的统治地位就发生了变化。比如,以比萨斜塔实验为时间节点,伽利略的自由落体运动理论与亚里士多德的自由落体运动理论之间的地位转换。而在事实上,这在科学史上只占少数情况,并不是理论发展的主流形态。科学哲学家们忽视了大多数情况——前后相继的理论并存情况的存在。日心说与地心说,上帝造人说与进化论,牛顿的经典力学与爱因斯坦的相对论等,都有一个长期并存、相互竞争的过程。霍金的依赖模型的实在论的一个重要成就,就是抛弃了传统的科学哲学理论中,一个理论战胜另一个理论或一个理论取代另一个理论的非此即彼的错误思维。在此意义上,波普尔的证伪主义、库恩的科学革命、劳丹的研究传统等,都属于同类错误思维。

这就是说,可能同时存在两个理论模型和,在某些情况下运用更为合适,而在另一些情况下运用更为合适。目前,科学对世界所作的说明是基于三个理论之上的:相对论为宇观世界作出说明,量子力学为微观世界提供解释,而在我们所生活的宏观世界中运用的依然是牛顿的经典力学理论。看看我们的现实生活,小到用手拿着一本书,大到三峡工程的建设,甚至是火箭发射、宇宙飞船上天等,凡是涉及力的计算的,大多数依然是在牛顿的经典力学理论体系框架内运作的。当然,运用相对论原理也必然可以为上述各种活动作出说明,但是实际上人们却并没有选择它。事实上,严格说来,相对论比经典力学为上述活动所提供的理论支撑应该更为可靠。但在宏观世界中,牛顿的经典力学使用起来无疑更为方便。因此,这就导致了牛顿经典力学理论与爱因斯坦的相对论同时并存的局面,虽然爱因斯坦的相对论更为精确,甚至在相对论发现光线弯曲、红移与水星近日点的运动等牛顿经典力学理论所不允许的现象之后,依然如此。因此,依赖模型的实在论对相互竞争的理论模型可以并存的认识,与科学史的实际更相符合。

事实上,允许相互竞争的理论模型并存,还有利于鼓励创新,保护弱小的新理论,也将更有利于科学的发展。哥白尼在《天体运行论》中,一开始就向保罗三世教皇表明,他仅仅是模仿前人,而作出“地球有某种运动的假设,来确定是否可以找到比我的先行者更可靠的对天球运行的解释”(14)。众所周知,日心说和许多理论一样,在刚刚诞生之时,大多是比较弱小的,往往会遭到相互竞争的旧理论的打压。哥白尼、伽利略、达尔文等人都曾面临过几乎同样的问题。因此,他把自己的新学说解释成一种假设的目的,就是为了取得与当时占统治地位的地心说同时并存的机会。这样才会有发展壮大的可能。

三、对经验实在论的超越

众所周知,传统的科学实在论认为,我们生活在一个客观真实的世界之中,其性质是确定的,与人类的感知无关,不依赖人的意识而存在。这与经典科学所追求的一个机械运作的世界是一致的。但霍金指出,我们有关的现代物理知识使得要为它辩护变得非常困难。事实上,霍金对于反实在论者的主张也同样不满,因为他们相信经验知识和理论知识是互不相同的,所以他们认为观察和实验是有意义的,而理论只不过是一些工具,并不能揭露任何比观察和实验所得到的知识更为深刻的真理。作为一名科学家,霍金在内心深处显然也无法认同反实在论的主张。为了摆脱实在论与反实在论的困境,霍金才提出了依赖模型的实在论。

不过,将理论比喻为模型的观点并非霍金的创造,范·弗拉森在论证他的经验实在论时,就曾表示:“如果理论具有某种模型,以至于所有现象都与此模型的经验结构同构,那么理论在经验上是适当的。”(15)通过比较我们可以发现,范·弗拉森的这一表述与霍金的依赖模型的实在论主张基本一致。不过,范·弗拉森的理论诉求与霍金却大相径庭。因为他描述的理论图景,是为他的经验适当性真理观服务的。因此,范·弗拉森所追求的经验适当性,是为了判断理论的真与假,进而要求人们接受或抛弃它。但他很快就发现自己陷入麻烦之中:在任何特定的时候,经验的适当性都大大超过了我们所能知道的东西(所有的测量都不是完全成功的,它们也决不会完全成功,并且在任何情况下,我们都不能测量任何被测量的事物)(16)这就意味着,经验适当性的困难在于自身,即无法得出一个如何断定经验适当性的标准。对此,范·弗拉森也没有找到一个理想的答案。

相比较而言,霍金的依赖模型的实在论在方法论层面比范·弗拉森的经验适当性更具有可操作性。而回避了传统的实在论与反实在论之间长期的争论:有关客观实在之争,使得所有这类争议和讨论变得无意义。不再讨论理论的真与假,不在终极的客观存在的有无之间作无谓的争论,只关注理论模型的好与坏,或哪一个理论模型更加实用,这对于自然科学的发展显然有着更为积极的意义。

【注释】

①史蒂芬·霍金、列纳德·蒙洛迪诺:《大设计》,吴忠超译,长沙:湖南科学技术出版社2011年版,第5页。

②史蒂芬·霍金、列纳德·蒙洛迪诺:《大设计》,第34页。

③同上书,第35页。

④同上书,第37页。

⑤同上书,第38页。

⑥史蒂芬·霍金、列纳德·蒙洛迪诺:《大设计》,第42页。

⑦斯蒂芬·F.梅森:《自然科学史》,周煦良等译,上海:上海译文出版社1980年版,第533页。

⑧赵煦:《当代科学前沿背景下的实在论研究》,载《北方论丛》2013年第6期。

⑨卡尔·波普尔:《科学发现的逻辑》,查汝强、邱仁宗、万木春译,北京:中国美术学院出版社2008年版,第17页。

⑩伊姆雷·拉卡托斯:《科学研究纲领方法论》,兰征译,上海:上海译文出版社2005年版,第8页。

(11)托马斯·库恩:《必要的张力》,范岱年、纪树立译,北京:北京大学出版社2004年版,第83页。

(12)同上书,第90页。

(13)同上书,第101页。

(14)尼古拉·哥白尼:《天体运行论》,叶式辉译,西安:陕西人民出版社1999年版,第4页。

(15)B.C.范·弗拉森:《科学的形象》,郑福祥译,上海:上海译文出版社2002年版,第82页。

(16)同上书,第87页。

(原载《哲学分析》2017年第4期)