桂起權(quán),王偉長(zhǎng)

(1.武漢大學(xué) 哲學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.華中科技大學(xué) 哲學(xué)系,湖北 武漢 430074)

為什么說(shuō)超弦理論有資格稱(chēng)作科學(xué)理論
——立足于休厄爾、亨普爾的觀點(diǎn)

桂起權(quán)1,王偉長(zhǎng)2

(1.武漢大學(xué) 哲學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.華中科技大學(xué) 哲學(xué)系,湖北 武漢 430074)

根據(jù)亨普爾的“安全網(wǎng)”模型,作為科學(xué)理論,超弦理論的眾多子理論之間相互纏繞而編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),它們?cè)诳傮w上得到經(jīng)驗(yàn)的支撐。根據(jù)休厄爾的歸納邏輯,特別是歸納一致性的概括,超弦理論從經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的底層理論逐級(jí)提升為越來(lái)越普遍的高層統(tǒng)一理論。這種歸納一致性、邏輯簡(jiǎn)單性和連續(xù)概括,本身就體現(xiàn)了科學(xué)理論的主要特征。

超弦理論;間接可檢驗(yàn);亨普爾的“安全網(wǎng)”模型;休厄爾的歸納邏輯

Abstract:According to Hempel's"safety net"model,superstring theory,as a scientific theory,consists of many sub-theories,which intertwine with each other to form a net structure;this structure in turn is empirically supported as a whole.According to Whewell's inductive logic,especially the generalization of inductive consistency,we conclude that superstring theory has risen gradually from a strongly supported bottom theory towards a higher-level unified theory with increasing generality.This kind of inductive consistency,logical simplicity and continuous generalization as such are a representation of the main features of scientific theories.

Key words:superstring theory;indirectly verifiability;Hempel's"safety net"model;Whewell's inductive logic

一個(gè)理論成為科學(xué)理論的必要條件是它的可檢驗(yàn)性,無(wú)論確證或者證偽都行,這種科學(xué)理論劃界的標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)成為科學(xué)哲學(xué)家的基本信條。超弦理論能不能算作科學(xué)理論?這是許多人都感到十分糾結(jié)的問(wèn)題。超弦理論與廣義相對(duì)論有非常相似的幾個(gè)特征:一是其數(shù)學(xué)抽象性可以與純粹數(shù)學(xué)或(至少是)精深的應(yīng)用數(shù)學(xué)媲美,二是其思辨上的深刻性可以與形而上學(xué)媲美。然而,廣義相對(duì)論畢竟仍然有少數(shù)可檢驗(yàn)的推論,可惜超弦理論在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)卻讓科學(xué)家感到無(wú)法進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。它還能算作科學(xué)理論嗎?

一、亨普爾“安全網(wǎng)”模型:科學(xué)理論只具有間接可檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)

正統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)家都是基礎(chǔ)主義者,他們的“公認(rèn)觀點(diǎn)”強(qiáng)調(diào)科學(xué)理論具有絕對(duì)可靠的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。自古以來(lái),由于月球的公轉(zhuǎn)周期等于自轉(zhuǎn)周期,因此月亮總是只有一個(gè)面朝向地球,我們無(wú)法看到它的背面。石里克和艾耶爾在探討“可證實(shí)性”時(shí),提出一個(gè)經(jīng)典性的說(shuō)法,在登月火箭發(fā)明之前,“月球背面有環(huán)形山”,是一個(gè)原則上可證實(shí)的命題,而不是實(shí)際可證實(shí)的命題,然而肯定不是一個(gè)不可證實(shí)的命題。事實(shí)上,隨著人類(lèi)登月計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)和繞月衛(wèi)星照片的發(fā)回地面,“月球背面有環(huán)形山”已經(jīng)變成實(shí)際可確證的命題[1](P34-35)(如圖1)。

圖1 月球背面照片

卡爾納普在《哲學(xué)與邏輯句法》中區(qū)分了“直接命題”和“間接命題”?！爸苯用}”是直接可檢驗(yàn)的,例如這是一塊藍(lán)底紅方格的手絹?！伴g接命題”不是直接可檢驗(yàn)的,卻是間接可檢驗(yàn)的,通過(guò)一系列推理步驟,只是到最后一步才化歸為直接命題。即使像“這個(gè)釘子是鐵質(zhì)的”那樣簡(jiǎn)單的命題,當(dāng)我們通過(guò)磁鐵吸引來(lái)檢驗(yàn)時(shí),都不能絕對(duì)確保得到直接的、可靠的、最后的可證實(shí)性。例如,鎳幣同樣可以被磁鐵所吸引,然而它并非鐵質(zhì)的。自然科學(xué)中所面對(duì)的都是十分復(fù)雜的問(wèn)題,實(shí)踐檢驗(yàn)包含高度的不確定因素。筆者在《自然科學(xué)認(rèn)識(shí)論問(wèn)題》一書(shū)的“實(shí)踐檢驗(yàn)”那一章,強(qiáng)調(diào)了“間接檢驗(yàn)”與“直接檢驗(yàn)”的區(qū)分,以及“間接檢驗(yàn)”對(duì)于全面、準(zhǔn)確理解“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的重要性。如果把“實(shí)踐檢驗(yàn)”簡(jiǎn)單等同于“直接檢驗(yàn)”,就根本無(wú)法理解“邏輯證明”和“假說(shuō)演繹法”為什么在“實(shí)踐檢驗(yàn)”的全過(guò)程中也占有不可或缺的重要地位?？柤{普提出了科學(xué)理論的“二層語(yǔ)言結(jié)構(gòu)”,區(qū)分了“理論名詞”和“觀察名詞”,理論名詞通過(guò)“對(duì)應(yīng)規(guī)則”還原為觀察名詞,從而使得科學(xué)理論立足于牢固的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。例如,統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的“分子平均平動(dòng)動(dòng)能”(理論名詞),可以與“溫度”(觀察名詞)對(duì)應(yīng)起來(lái)等等。但是,問(wèn)題來(lái)了,并非科學(xué)理論中的每一個(gè)理論名詞都能直接與觀察名詞聯(lián)系起來(lái)。例如量子力學(xué)中的波函數(shù)、希爾伯特空間等等。

亨普爾在《經(jīng)驗(yàn)科學(xué)中概念形成之基礎(chǔ)》中進(jìn)一步提出了關(guān)于科學(xué)理論的著名的“安全網(wǎng)”模型,用以說(shuō)明科學(xué)理論的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)觀點(diǎn)與保護(hù)雜技團(tuán)演員的“蹦蹦床”或“安全網(wǎng)”有點(diǎn)相似?？茖W(xué)理論的公理系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),理論語(yǔ)言編織成網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)個(gè)科學(xué)概念中的理論詞項(xiàng),它們由固定在觀察層次(好比地面)上的一些鋼桿支撐起來(lái)。亨普爾注意到,盡管有的結(jié)點(diǎn)(“理論詞項(xiàng)”)在觀察層次上可能直接具有支撐點(diǎn)(即借助于對(duì)應(yīng)規(guī)則即語(yǔ)義規(guī)則與“觀察詞項(xiàng)”建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而得到定義),然而并非每一個(gè)結(jié)點(diǎn)在觀察層次的語(yǔ)句中都有一個(gè)支撐點(diǎn)(也就是總有一些“未直接定義詞項(xiàng)”存在)。那么,在什么條件下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被安全地固定了呢?怎么知道在網(wǎng)絡(luò)和觀察平面之間存在強(qiáng)度足夠的連接桿呢?亨普爾認(rèn)為,一個(gè)合適的確證理論,包含這樣一些規(guī)則,即對(duì)每一個(gè)理論和含有證據(jù)的觀察語(yǔ)言的每一個(gè)語(yǔ)句,這些規(guī)則都賦予理論(相對(duì)于觀察證據(jù))一個(gè)具體的確證度[2](P190-191)(見(jiàn)圖2)。

圖2 亨普爾“安全網(wǎng)”模型

二、夸克被幽禁而無(wú)法接受直接檢驗(yàn),夸克理論就不是科學(xué)理論了嗎

其實(shí),科學(xué)命題無(wú)法直接檢驗(yàn),在現(xiàn)代科學(xué)之中是一種算比較普遍的現(xiàn)象。現(xiàn)在還能有誰(shuí)會(huì)懷疑“夸克理論”的科學(xué)性?然而,“夸克的實(shí)在性”卻是一個(gè)比直觀概念更為復(fù)雜的課題。問(wèn)題在于,樸素直觀的實(shí)在觀念太陳舊,已經(jīng)不夠用了。大家不要受化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的形象化模型(如圖3)的迷惑,以為基本粒子就像一個(gè)個(gè)剛性球,堆起來(lái)或者用剛性連桿連接起來(lái)就行了。20世紀(jì)60年代那些堅(jiān)稱(chēng)“夸克實(shí)在論”者,其實(shí)只是在相信“獨(dú)立的夸克或早或晚在實(shí)驗(yàn)室里可以分離開(kāi)來(lái)并且被孤立地觀察到”這一意義上言說(shuō)的。但那不僅僅是一個(gè)不切實(shí)際的幻想,而且只是一個(gè)錯(cuò)誤的信念而已?？淇怂枷氲某珜?dǎo)者蓋爾曼,對(duì)于“夸克”抽象本質(zhì)的理解,顯然要比其他物理學(xué)家更早也更加深刻。他最清楚,作為科學(xué)上的理論概念的夸克,打破了樸素實(shí)在性的常規(guī)觀念,但在新的判別標(biāo)準(zhǔn)尚未確立之前,蓋爾曼自己也曾為“夸克”究竟是實(shí)在還是非實(shí)在,在心理上很糾結(jié),承受痛苦的煎熬和折磨。1964年首次提出了(流)夸克,但它起先并不是作為直接的實(shí)體性概念,而是作為輔助性的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)概念而提出來(lái)的,那只是數(shù)學(xué)性的抽象實(shí)體。看來(lái)認(rèn)真地把“夸克”當(dāng)作物理實(shí)體來(lái)理解,并不是一下子就能做到的。按照坂田昌一的劃分,在粒子物理學(xué)領(lǐng)域有兩種思考方式:“物的邏輯”—— 采取實(shí)體論觀點(diǎn),直接追尋微觀物質(zhì)各個(gè)層次的組成是什么;“形的邏輯”——偏重于數(shù)學(xué)或形式結(jié)構(gòu)特征的考慮,先不問(wèn)組成實(shí)體是什么。奇怪的是,對(duì)于夸克這種實(shí)體的發(fā)現(xiàn),居然更多關(guān)注“形的邏輯”和基本對(duì)稱(chēng)性的蓋爾曼反而比更多關(guān)注“物的邏輯”的坂田領(lǐng)先一步,蓋爾曼的流夸克模型比坂田模型取得了更大的成功。事實(shí)上,蓋爾曼優(yōu)先考慮的是與物質(zhì)客體有關(guān)的基本對(duì)稱(chēng)性,而不是直接考慮物質(zhì)客體本身。“夸克”最初正是作為“基本對(duì)稱(chēng)性的數(shù)學(xué)抽象”而出現(xiàn)的。這就與古希臘哲學(xué)家由“柏拉圖立體”(五種規(guī)則多面體)所表示的“數(shù)學(xué)和諧”思想非常合拍了。海森伯在評(píng)論古希臘原子論哲學(xué)時(shí)就說(shuō)過(guò),現(xiàn)代物理學(xué)中的“粒子”,不是德謨克利特的原子,卻更像“柏拉圖立體”,基本對(duì)稱(chēng)性的數(shù)學(xué)抽象。韋斯科夫在《20世紀(jì)物理學(xué)》中說(shuō),畢達(dá)哥拉斯的觀念在氫原子光譜線中再生,“天體諧音”又重新出現(xiàn)在原子世界之中。

圖3 四面烷的球-棍模型

波士頓科學(xué)哲學(xué)家曹天予有一篇英文演講稿《創(chuàng)立量子色動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵進(jìn)階》[3],十分透徹地分析了夸克模型被理解的歷史進(jìn)程。“實(shí)在性”這一意義比起“能被孤立地直接觀察到”要復(fù)雜得多。按照“結(jié)構(gòu)實(shí)在論”的觀點(diǎn)才能夠得到合理解釋,夸克概念的演進(jìn),是一個(gè)由數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)向物理實(shí)體轉(zhuǎn)化的過(guò)程。伴隨“量子色動(dòng)力學(xué)”的到來(lái),物理學(xué)家已經(jīng)切切實(shí)實(shí)地修改了“究竟什么算作一個(gè)實(shí)在(的存在)”的判別標(biāo)準(zhǔn)?？梢赃@樣說(shuō),在開(kāi)始階段,蓋爾曼在當(dāng)時(shí)提出的只是與“流代數(shù)”相聯(lián)系的“流夸克”,在很大程度上只是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),這是為了給對(duì)稱(chēng)性一個(gè)基礎(chǔ)性說(shuō)明,完全不同于“組分夸克”那樣物理的實(shí)體性概念。它們只是被卷進(jìn)一個(gè)關(guān)系網(wǎng)絡(luò),就好比拼圖游戲是一種結(jié)構(gòu)性的操作那樣?！傲骺淇恕笔翘摌?gòu)的,因?yàn)闆](méi)有考慮像膠子那樣的力使其真實(shí)地結(jié)合在一起從而組成強(qiáng)子?！傲鞔鷶?shù)”的研究,這是一個(gè)重要的數(shù)學(xué)手段和中間步驟。如果適當(dāng)?shù)丶俣ā叭趿鳌焙汀半姶帕鳌彼裱膶?duì)易關(guān)系,就可以計(jì)算一些實(shí)際問(wèn)題,這是探索強(qiáng)子系統(tǒng)的一個(gè)一般性框架。應(yīng)當(dāng)用“結(jié)構(gòu)實(shí)在論”的觀點(diǎn)看待“強(qiáng)子流”?！皬?qiáng)子流”關(guān)注的重點(diǎn)不在于強(qiáng)子的實(shí)體本身,而在于結(jié)構(gòu)和過(guò)程?！傲鳌狈挠蓪?duì)稱(chēng)群導(dǎo)出的抽象的代數(shù)關(guān)系,也就是一些約束條件。對(duì)流的外部限制的研究,后來(lái)又轉(zhuǎn)向?qū)α鞯膬?nèi)部限制的研究,而后者實(shí)驗(yàn)上可觸及的。這意味著從探討物理對(duì)象的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)向探討它的物理結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。雖然局域流代數(shù)的“求和規(guī)則”,看起來(lái)只是數(shù)學(xué)性的關(guān)系,但它卻能刻畫(huà)高能粒子散射的物理過(guò)程中的主要特征。阿德勒的“求和規(guī)則”融合了彈性和非彈性的“形狀因數(shù)”,這些形狀因數(shù)才是在高能中微子反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中都是可測(cè)量的。那樣的話,強(qiáng)子散射中微子的局域行為才變成我們關(guān)注的焦點(diǎn),并且由此開(kāi)啟了一個(gè)去探測(cè)強(qiáng)子內(nèi)部的新窗口。特別是,此后由伯約肯所發(fā)現(xiàn)的輕子對(duì)強(qiáng)子的深度非彈性散射中的“標(biāo)度無(wú)關(guān)性”現(xiàn)象,它成為促使對(duì)強(qiáng)子外在的唯象研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)其內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn),即從實(shí)驗(yàn)上可觀察量之間的外部關(guān)系的探究,轉(zhuǎn)為研究“強(qiáng)子的組分”以及它們的動(dòng)力學(xué)作用機(jī)制。于是乎考慮強(qiáng)子內(nèi)部的“部分子”模型才提到議事日程上來(lái)。以“流代數(shù)”、基本對(duì)稱(chēng)性為媒介,作為數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的“流夸克”,最終借助于“部分子”模型,借助于“膠子”實(shí)際的膠合作用,終于落實(shí)到實(shí)體性的夸克,盡管夸克總是被幽禁的。海森伯在《20世紀(jì)物理學(xué)中概念的發(fā)展》一文中說(shuō)過(guò)一段極有概括性的話:“物理學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展又從德謨克里特的原子論重新回到了柏拉圖的基本對(duì)稱(chēng)性。事實(shí)上,如果我們想把物質(zhì)一步一步地分下去,那就正好按照柏拉圖的觀念,我們最終得到的不是最小的粒子,而是由對(duì)稱(chēng)性所決定的物質(zhì)客體?，F(xiàn)代物理學(xué)中的‘粒子’,正是基本對(duì)稱(chēng)性的數(shù)學(xué)抽象?！盵4]P29

三、休厄爾第二種歸納邏輯中的理論可接受標(biāo)準(zhǔn)

回顧科學(xué)哲學(xué)的歷史,我們驚奇地發(fā)現(xiàn),當(dāng)代超弦理論,作為科學(xué)理論,居然相當(dāng)符合休厄爾的第二種歸納邏輯所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。在19世紀(jì)的英國(guó),歸納邏輯分兩大派:除了作為古典歸納邏輯的奠基者穆勒一派,同時(shí)代的休厄爾(Whewell,舊譯惠威爾)更是歸納邏輯史上另一派不可忽視的人物。然而,邏輯學(xué)家對(duì)他的關(guān)注卻遠(yuǎn)遜于科學(xué)哲學(xué)家。傳統(tǒng)邏輯教科書(shū)對(duì)歸納邏輯的關(guān)注,很可惜為穆勒(J.S.Mill)所限。只把古典歸納邏輯簡(jiǎn)單地定格在“穆勒五法”上,作為亞里士多德演繹邏輯的補(bǔ)充(我們當(dāng)然不會(huì)輕視穆勒的貢獻(xiàn)。穆勒既是古典歸納主義的奠基者,又是經(jīng)濟(jì)學(xué)方法論的演繹主義傳統(tǒng)的開(kāi)創(chuàng)者。因此,他對(duì)歸納與演繹的關(guān)系有深刻的認(rèn)識(shí))[5]。

圖4 休厄爾“假說(shuō)-演繹模式的歸納”

圖5 休厄爾的“歸納表”

其實(shí),休厄爾所提倡假說(shuō)-演繹模式的歸納,是比穆勒更新穎、更廣義的歸納,即另一種形式的歸納邏輯。休厄爾將科學(xué)史中的發(fā)現(xiàn)模式,定性為“假說(shuō)-演繹模式的歸納”(見(jiàn)圖4),概括為一個(gè)三部曲:序曲(事實(shí)的搜集,概念的澄清)——?dú)w納期(綜合成經(jīng)驗(yàn)定律與理論)——結(jié)局(演繹出同類(lèi)或不同事實(shí))。與假說(shuō)-演繹模式直接關(guān)聯(lián)的是休厄爾的“歸納表”(見(jiàn)圖5),它概括了科學(xué)中基本事實(shí)——中層假說(shuō)或經(jīng)驗(yàn)定律——普遍而統(tǒng)一的理論這三個(gè)層次之間的關(guān)系。從事實(shí)上升到理論是歸納發(fā)現(xiàn)的次序,每一步上升都包含科學(xué)直覺(jué)引導(dǎo)的猜測(cè)和跳躍(每一概括層次上必定引進(jìn)特定概念),相反從理論下行到事實(shí)則是最大限度地演繹出經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容,每一步下行卻組成連續(xù)演繹的鏈條。休厄爾還有第二種更富創(chuàng)見(jiàn)的歸納邏輯,它屬于唯理論而非經(jīng)驗(yàn)主義的。比強(qiáng)調(diào)歸納表中三個(gè)層次的演繹關(guān)聯(lián)性更進(jìn)一步,指出歸納邏輯的任務(wù)在于根據(jù)“歸納表”制定出接受或拒斥科學(xué)理論的選擇規(guī)則,要點(diǎn)在于看重“歸納一致性、簡(jiǎn)單性和連續(xù)概括”這樣三個(gè)特征性標(biāo)志,它不再把歸納邏輯看作能夠完全證明理論的邏輯,而是假說(shuō)檢驗(yàn)的邏輯和假說(shuō)接受的邏輯,更接近于20世紀(jì)的歸納邏輯[6](P6-9)。

休厄爾強(qiáng)調(diào)歸納一致性或協(xié)調(diào)性。他認(rèn)為,科學(xué)進(jìn)步就是定律相繼通過(guò)歸納歸并成為更統(tǒng)一、更普遍的理論;而在一門(mén)科學(xué)內(nèi)部,一組可接受的歸納概括應(yīng)當(dāng)顯示出一定的結(jié)構(gòu)。休厄爾的歸納表具有“倒金字塔”式的結(jié)構(gòu)。他堅(jiān)持主張按照歸納一致性,兩個(gè)或更多個(gè)概括歸并為一個(gè)范圍更廣的理論,其本身就是科學(xué)理論可接受性的標(biāo)準(zhǔn)[2](P130-131)。

近代科學(xué)中最典型的案例是,繼哥白尼天文學(xué)之后,從第谷精細(xì)的火星觀測(cè)資料上升到中層的開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律,結(jié)合伽利略的地面上物體的勻加速運(yùn)動(dòng)定律等經(jīng)驗(yàn)定律,通過(guò)“連續(xù)概括”,再進(jìn)一步提升到“更普遍而統(tǒng)一”的牛頓運(yùn)動(dòng)定律以及引力理論。牛頓實(shí)現(xiàn)了“偉大的綜合”,他將地面上運(yùn)動(dòng)的定律與作為天體的行星的運(yùn)動(dòng)定律統(tǒng)一了起來(lái),得到萬(wàn)有引力定律。按照勞厄《物理學(xué)史》的說(shuō)法,牛頓因此成為“宇宙唯一的解釋者”。氣體分子運(yùn)動(dòng)論是歸納一致性又一個(gè)成功的案例。牛頓關(guān)于氣體分子之間彈性碰撞的概念,把波義耳定律、蓋·呂薩克定律、查理定律等有關(guān)氣體的經(jīng)驗(yàn)定律和理想氣體理論,綜合在更高、更普遍、更統(tǒng)一的理論之中。盡管分子本身看不見(jiàn)、摸不著,不可直接檢驗(yàn),分子運(yùn)動(dòng)論本身得不到直接檢驗(yàn),然而在此前,被統(tǒng)一理論所歸并、概括的每一個(gè)相關(guān)的氣體經(jīng)驗(yàn)定律都是已經(jīng)得到過(guò)檢驗(yàn),具有可靠經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的。

在當(dāng)代物理學(xué)前沿上,類(lèi)似地,超弦理論正在推進(jìn)著新一輪的“偉大的綜合”。

鑒于量子場(chǎng)論無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦引力理論的統(tǒng)一,1960年代末弦論作為取代它的嶄新理論應(yīng)運(yùn)而生。1968年維尼齊亞諾在研究強(qiáng)相互作用時(shí),率先從純粹數(shù)學(xué)角度發(fā)現(xiàn)富有對(duì)偶性的“歐拉β函數(shù)”,一下子就描述了核內(nèi)強(qiáng)力的大量性質(zhì)(這就是維尼齊亞諾公式)。到1970年,南部陽(yáng)一郎等人就揭開(kāi)了其中所隱含的物理奧秘。原來(lái),歐拉β函數(shù)只是微觀弦振動(dòng)的數(shù)學(xué)表示,它可以自然地解釋為弦及其散射振幅。通俗地說(shuō),弦好比兩個(gè)夸克小球之間的橡皮筋,但橡皮筋比兩端的夸克更重要(這就是弦論觀點(diǎn)與粒子論的區(qū)別所在)。

伴隨幾十年的理論探索,經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80年代和90年代先后兩次弦論革命,超弦理論已經(jīng)成為當(dāng)代粒子物理學(xué)研究中最有發(fā)展?jié)摿Φ睦碚撝?它遠(yuǎn)不同于以往的量子理論和傳統(tǒng)的粒子物理。自然界所有各種相互作用都有可能還原到四種最基本的力:引力、電磁力、強(qiáng)力與弱力。1960-1970年代格拉肖、溫伯格、薩拉姆為建立電弱統(tǒng)一理論做出貢獻(xiàn),于1979年分享諾貝爾獎(jiǎng)。此后的標(biāo)準(zhǔn)模型,則要將電磁力、弱力和強(qiáng)力進(jìn)行進(jìn)一步的整合。其成功的關(guān)鍵在于,它們應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)稱(chēng)性SU(n)。例如有探索SU(3)和SU(5)對(duì)稱(chēng)性等各種嘗試。第一次超弦革命:1984年,格林與施瓦茲在奠基性論文中創(chuàng)建了超對(duì)稱(chēng)的十維弦理論,現(xiàn)在簡(jiǎn)稱(chēng)為超弦理論。它頗有說(shuō)服力地證明,曾讓早期弦理論困惑的矛盾可以消解。它立即引發(fā)了上千篇研究文章。結(jié)果表明,以往標(biāo)準(zhǔn)模型的許多特征,在統(tǒng)一理論中將會(huì)作為邏輯的結(jié)果而推導(dǎo)出來(lái)。這是真正的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。我們一再表明,畢達(dá)哥拉斯研究方式,特別是對(duì)稱(chēng)性原理,對(duì)把握宇宙結(jié)構(gòu)之奧秘提供了富有洞察力的工具。第二次超弦革命:在后來(lái)的超弦修訂版中,惠藤的超弦理論最為引人注目,在他的“對(duì)偶性”研究進(jìn)路的指引下,五個(gè)不同的超弦理論有望統(tǒng)一。那個(gè)統(tǒng)一的十一維超弦理論的具體特性有待繼續(xù)探索,惠藤把它暫時(shí)定名為M理論,即“膜”的理論之意(李新洲教授認(rèn)為,譯名“胚”比“膜”更合適,那是抽象代數(shù)或拓?fù)鋵W(xué)的名詞)。它確實(shí)為把五個(gè)弦理論結(jié)合在一起(外加一個(gè)十一維超引力論)提供了基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō),超弦理論是當(dāng)前唯一有望實(shí)現(xiàn)四種相互作用大統(tǒng)一的最先進(jìn)的概念工具或理論手段(見(jiàn)圖6)。

圖6 M理論:十一維超弦理論

另一方面,超弦理論也面臨著學(xué)界的質(zhì)疑。對(duì)于十維的超弦理論而言,一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題就是如何將其中的六個(gè)維度“隱藏”起來(lái),從而符合我們?nèi)粘Ｋ木S時(shí)空的體驗(yàn)?？蓡?wèn)題是,“隱藏”六個(gè)維度的方法實(shí)在太多,我們能構(gòu)造出來(lái)的不同的超弦理論也非常多。每一個(gè)超弦理論都能給出不同的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),于是我們要做的似乎只是根據(jù)實(shí)際情況挑選合適的理論。而備選理論數(shù)量的龐大又在一定程度上預(yù)示著與現(xiàn)實(shí)相匹配的理論總是存在,這樣一來(lái),超弦理論似乎永遠(yuǎn)無(wú)法被證偽,這就是一直有人質(zhì)疑超弦理論是否算得上科學(xué)理論的主要原因。

盡管如此,通過(guò)前文對(duì)亨普爾的“安全網(wǎng)”模型和休厄爾歸納邏輯的介紹,我們有理由相信,雖然超弦理論本身得不到直接檢驗(yàn),但是在它內(nèi)部,作為它的前身的、被它整合的眾多子理論卻是以前經(jīng)受過(guò)反復(fù)檢驗(yàn)的。自上而下看,超弦理論中的眾多子理論,在底下都不缺乏經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的支撐。作為亨普爾“安全網(wǎng)”的紐結(jié),從同一層面水平地看,每一個(gè)子理論與其他子理論,相互之間又通過(guò)邏輯協(xié)調(diào)性建立牢固而緊密的聯(lián)系。各個(gè)子理論憑借歸納一致性歸并整合之后,自下而上地看,則被提升為普遍性更高的統(tǒng)一理論,因此具有“萬(wàn)有理論”之謂。這也非常符合休厄爾歸納邏輯中的“歸納一致性、邏輯簡(jiǎn)單性和連續(xù)概括”的原則。

按照這樣的科學(xué)理論發(fā)展模式,我們得到的是一個(gè)向上無(wú)限延伸的理論架構(gòu),而且它必定是朝向未來(lái)的新觀察事實(shí)而不斷生長(zhǎng)的。當(dāng)人們把這個(gè)架構(gòu)作為一個(gè)整體,并按照證偽主義的觀念來(lái)考察時(shí),自然會(huì)得到“它不可證偽”這樣的結(jié)論,但這很明顯是一種非常不公平的做法。如今超弦理論正處在這個(gè)架構(gòu)的頂端,也就是正在不斷生長(zhǎng)的地方,如果我們把在現(xiàn)在的超弦理論基礎(chǔ)上生長(zhǎng)出來(lái)的所有理論都統(tǒng)稱(chēng)為“超弦理論”,我們就不應(yīng)該期待這種意義下的“超弦理論”還要同時(shí)具有可證偽性。所以,即使我們能夠證明超弦理論的數(shù)量足以確保:無(wú)論將來(lái)出現(xiàn)何種觀察事實(shí),都至少有一種超弦理論與事實(shí)相符,我們也不能以不可證偽為由認(rèn)為超弦理論不是科學(xué)理論。可以看出,正是由于理論架構(gòu)的整體性和無(wú)限性,超弦理論的可檢驗(yàn)性才得以保證,同時(shí)所謂“不可證偽”的問(wèn)題也得以消解,有了這些結(jié)論,我們就可以說(shuō)超弦理論確實(shí)有資格稱(chēng)作科學(xué)理論。

[1][英]A·J·艾耶爾.語(yǔ)言、真理與邏輯[M].尹大貽,譯.上海:上海譯文出版社,2015.

[2][美]約翰·洛西.科學(xué)哲學(xué)歷史導(dǎo)論[M].邱仁宗,譯.武漢:華中工學(xué)院出版社,1982.

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[6]江天驥.科學(xué)哲學(xué)名著選讀:科學(xué)方法論[M].武漢:湖北人民出版社,1988.

Why Is Superstring Theory Qualified as a Scientific Theory:Views Based on Both Whewell's and Hempel's Theory

GUI Qi-quan1,WANG Wei-chang2

(1.School of Philosophy,Wuhan University,Wuhan,Hubei 430072,China;2.Department of Philosophy,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,Hubei 430074,China)

N03

A

1672-934X(2017)05-0047-06

10.16573/j.cnki.1672-934x.2017.05.007

2017-05-31

桂起權(quán)(1940-),男,浙江寧波人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事科學(xué)哲學(xué)、邏輯學(xué)研究;王偉長(zhǎng)(1986-),男,遼寧錦州人,博士研究生,研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)哲學(xué)、邏輯學(xué)。