李華　葉正亞

[摘要]霍金所言的“哲學(xué)跟不上科學(xué)，特別是物理學(xué)現(xiàn)代發(fā)展的步伐。”折射出時(shí)下科學(xué)前沿現(xiàn)象、問題已難為哲學(xué)所解釋、指導(dǎo)的困境。結(jié)合當(dāng)代科學(xué)前沿的新成果——希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，從本體論、認(rèn)識(shí)論和方法論三個(gè)層面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論進(jìn)行哲學(xué)探思。

[關(guān)鍵詞]標(biāo)準(zhǔn)模型；實(shí)在論；理論實(shí)體；思想實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)]B0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1671-5918（2016）20-0073-03

什么是構(gòu)成宇宙的終極粒子？從古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出原子的存在開始，無數(shù)的理論家和實(shí)驗(yàn)家為解開這一謎團(tuán)已經(jīng)奮斗兩千多年，直到來自ATLAS和CMS合作組的科學(xué)家同公布，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron CoHider，簡(jiǎn)稱LHC）取得了重大進(jìn)展——發(fā)現(xiàn)存在希格斯玻色子的證據(jù)。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)和發(fā)展了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，我們現(xiàn)在對(duì)微觀世界的理解是按照量子場(chǎng)及其相互作用來定義的，在現(xiàn)代所有的關(guān)于量子場(chǎng)及其相互作用的理論中，最成功的就是粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型描述物質(zhì)的已知基本成分以及它們之間的強(qiáng)、弱相互作用力和電磁力的理論。在過去的四十年，標(biāo)準(zhǔn)模型精確地解釋了大量高能粒子現(xiàn)象（1Gev-1Tev），甚至還能為“夸克幽禁”及其“漸進(jìn)自由”等特殊現(xiàn)象提供說明，特別是粲夸克和反粲夸克所形成的J/Ψ介子，以及W和Z玻色子、膠子、頂夸克及魅夸克的發(fā)現(xiàn)，都證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)先構(gòu)想的結(jié)構(gòu)。

隨著當(dāng)代科學(xué)前沿的新進(jìn)展，也推動(dòng)著物質(zhì)范疇、物質(zhì)世界的起源及構(gòu)成等哲學(xué)問題的深化理解。正如迪昂所言“如果物理學(xué)理論的目的是說明實(shí)驗(yàn)定律，那么理論物理學(xué)就不是自主的科學(xué)；它從屬于形而上學(xué)?！?/p>

一、本體論背景中的實(shí)在論轉(zhuǎn)向

世界是什么？世界中存在何種事物？不僅是困擾物理學(xué)家也是哲學(xué)家重要的議題。由于物理學(xué)的發(fā)展，不斷創(chuàng)造了構(gòu)成世界的新的實(shí)在。

（一）經(jīng)典實(shí)在論，也可以成為“實(shí)體論”，主張實(shí)在就是各種實(shí)體的總和，認(rèn)為存在一個(gè)真實(shí)的外部世界，其性質(zhì)是確定的，物體擁有諸如速率和質(zhì)量等物理性質(zhì)，并具有明確定義的值，在空間中占有一個(gè)確定的位置，占據(jù)一定的體積，是客觀存在的，與感知它們的觀察者無關(guān)。經(jīng)典實(shí)在論與經(jīng)典物理學(xué)的理論以及我們的日常經(jīng)驗(yàn)相一致，正如人們“最原始的概念之一便是一個(gè)客觀物體。一棵樹、一匹馬以至一個(gè)任何物體的概念都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得來的創(chuàng)造物?！苯?jīng)典物理學(xué)以具有不變的屬性規(guī)定物體的實(shí)在性。

（二）量子實(shí)在論。

隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典實(shí)在論開始出現(xiàn)了危機(jī)，難以再去解釋量子理論下的物理事件。量子物理學(xué)家已經(jīng)不再像十九世紀(jì)物理學(xué)家那樣設(shè)想把整個(gè)物理學(xué)建筑在純粹實(shí)物的概念基礎(chǔ)上，而是創(chuàng)造了關(guān)于實(shí)在的新的重要特色：首先，物體不再具有確定的、唯一的形態(tài)。在經(jīng)典物理中被看做實(shí)體基本特征（如質(zhì)量、速率、廣延性等）不再是不變量，而是依賴于一定的參照系，在不同的參照系中它們的值是不同的。根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，我們不能同時(shí)測(cè)量粒子的位置和速度，只能得到一個(gè)概率，從某種意義上說，我們的觀測(cè)決定了它的狀態(tài)。其次，物質(zhì)的逐層還原不再成立。眾所周知所有物質(zhì)都是由分子構(gòu)成的，而分子又是由原子所構(gòu)成，原子再進(jìn)一步拆分成電子與原子核，原子核包含質(zhì)子和中子，中子和質(zhì)子最終是由夸克組合。如此一個(gè)類似套娃的結(jié)構(gòu)到夸克終止。到了核子及以下的層次，便不再存有更基本的粒子。第三，實(shí)在與形式的關(guān)系問題。經(jīng)典物理學(xué)家一貫希望科學(xué)應(yīng)該去說明我們之外的實(shí)在，實(shí)在不可能依賴于我們的存在，因此科學(xué)描述實(shí)在的方法不能以任何基本的方式涉及我們選擇測(cè)量什么，不測(cè)量什么。但在量子理論中，實(shí)在并不是外在于觀察者的，而是與觀測(cè)相關(guān)的。

由此，量子物理學(xué)所創(chuàng)造的實(shí)在，確實(shí)與經(jīng)典物理學(xué)的實(shí)在大有差別，當(dāng)基本粒子第一次被發(fā)現(xiàn)提出之后，作為量子力學(xué)的奠基者維爾納·卡爾·海森堡都不承認(rèn)粒子的客觀存在性，認(rèn)為只是觀察中的感覺，僅僅是作為數(shù)學(xué)關(guān)系的表達(dá)符號(hào)而已?？梢娺@些微觀世界的基本粒子已然與傳統(tǒng)意義上的物質(zhì)概念有所不同，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實(shí)體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)在矛盾。”在這個(gè)“看不見的世界”中，物質(zhì)的實(shí)在性與以往大相徑庭，傳統(tǒng)的實(shí)在論思想已漸人衰勢(shì)。

（三）依賴模型的實(shí)在論。

從牛頓的經(jīng)典理論到量子理論，對(duì)于科學(xué)所描繪的實(shí)在一直有著反對(duì)之聲，長(zhǎng)期伴隨著實(shí)在論與反實(shí)在論之爭(zhēng)，然而宇宙大爆炸之前世界的存在問題，卻讓人們獲得清晰的對(duì)于世界的認(rèn)知變得愈發(fā)困難。而在霍金看來“一個(gè)物理理論和世界圖像是一個(gè)模型（通常具有數(shù)學(xué)性質(zhì)）以及一組將這個(gè)模型的元素和觀測(cè)相連接的規(guī)則的思想?！彼斫獾摹皩?shí)在”只是一個(gè)與人們觀測(cè)到的圖像相對(duì)應(yīng)的理論或模型，即依賴模型的實(shí)在論。

以金魚世界中的實(shí)在觀為例，養(yǎng)在彎曲的魚缸里的金魚，由于魚缸的變形，它所觀察的外部世界與人類所看并不相同。我們觀測(cè)一個(gè)物體的直線運(yùn)動(dòng)，會(huì)被金魚觀察成曲線運(yùn)動(dòng)。顯而易見，金魚的視覺圖像所形成的“實(shí)在”和人類認(rèn)知的“實(shí)在”截然不同，但我們可否因此而確定自身的世界一定就比金魚的物理世界更真實(shí)？霍金對(duì)此持否定態(tài)度，他認(rèn)為金魚是能夠從它們的參考系中去表達(dá)它所認(rèn)知的科學(xué)定律，并進(jìn)而預(yù)測(cè)缸外物體的運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)人處在金魚缸內(nèi)，那么金魚的物理學(xué)定律便會(huì)有用。換言之，金魚的物理學(xué)定律不僅真實(shí)，而且會(huì)比人類參考系中的物理學(xué)定律更為復(fù)雜。由此確立了依賴模型的實(shí)在論的重要觀點(diǎn)：不存在與圖像或理論無關(guān)的實(shí)在概念。這為解釋現(xiàn)代科學(xué)提供了框架，尤其為我們看不見的粒子世界提供了合理地說明。由于漸進(jìn)自由，我們?cè)谧匀唤缰锌床坏焦铝⒌目淇?，也不能在?shí)驗(yàn)室制造它們，“對(duì)于許多科學(xué)家而言，將實(shí)在性賦予一個(gè)在原則上也許永遠(yuǎn)不能被觀測(cè)到的粒子的思想是太過分了?！钡?，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們借助不斷提高的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平掌握了愈來愈多的觀測(cè)現(xiàn)象與夸克模型一一對(duì)應(yīng)的證據(jù)，如今人們已接受了夸克的實(shí)在性。

二、認(rèn)識(shí)論透視下的引導(dǎo)轉(zhuǎn)向

物理理論形成的經(jīng)典過程是從實(shí)驗(yàn)到理論，但在現(xiàn)代物理學(xué)的理論形成過程中，往往先是數(shù)學(xué)推理一理論模型，然后再在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行不斷的檢驗(yàn)該理論模型的正確性。正如標(biāo)準(zhǔn)模型，它的建構(gòu)并非是在發(fā)現(xiàn)所有基本粒子之后才歸納出來的，相反根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型幫助我們正確的發(fā)現(xiàn)了許多未知粒子。如此一來理論和經(jīng)驗(yàn)之間結(jié)成的是一種不可靠的關(guān)系，物理理論優(yōu)先于其物理經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)象與結(jié)論并不存在著一種必然的聯(lián)系，從觀測(cè)到的現(xiàn)象出發(fā)并不一定必然建構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)模型。正如卡庫(kù)所言：“相對(duì)于五十年代，那時(shí)物理學(xué)家們被淹沒在沒有一個(gè)理論框架來理解它們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，九十年代的情形可能相反，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部跟標(biāo)準(zhǔn)模型一致，結(jié)果是，沒有重要線索來自實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家提出的都是在目前技術(shù)水平不能檢驗(yàn)的理論。實(shí)際上，即便下一代粒子加速器也不足以排除目前研究的理論模型，換言之，五十年代是實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)理論，而九十年代是理論引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

自從1932年發(fā)現(xiàn)中子，認(rèn)識(shí)到原子由電子、質(zhì)子和中子組成之后，新發(fā)現(xiàn)的粒子越來越多，而當(dāng)時(shí)并沒有一個(gè)理論能夠統(tǒng)一解釋新發(fā)現(xiàn)的粒子，因此物理學(xué)家只得把上百種粒子都稱為“基本粒子”，直到粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型建立起來，才對(duì)這些基本粒子進(jìn)行了統(tǒng)一的描述。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，基本粒子被分成發(fā)生強(qiáng)、電弱作用的夸克（18種）和只發(fā)生電弱作用的輕子（6種），再加上它們的反粒子（24種），以及傳遞這些相互作用的13種規(guī)范玻色子和1種產(chǎn)生所有粒子質(zhì)量的希格斯玻色子，總共62種基本粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有規(guī)范玻色子在1983年得以全部發(fā)現(xiàn)，所有三代費(fèi)米子在2000年全部發(fā)現(xiàn)，尤其標(biāo)準(zhǔn)模型中最年輕的中微子，從預(yù)言到探測(cè)到，每一種中微子都花了至少20年，最后一個(gè)被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子也在2012年發(fā)現(xiàn)?？梢哉f，標(biāo)準(zhǔn)模型的理論結(jié)構(gòu)在1973年得以確立，直到有了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）后，物理學(xué)家們才真正驗(yàn)證和發(fā)展了標(biāo)準(zhǔn)模型。這也使得粒子物理學(xué)從沒有一個(gè)完整的理論框架解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展到提出的新理論因超出目前的實(shí)驗(yàn)水平而得不到檢驗(yàn)的狀況。比如弦理論，弦理論描述的世界特征尺度是由普朗克長(zhǎng)度（Lp）和普朗克質(zhì)量（Mp）來代表，而這樣的尺度是現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)無法探測(cè)到的。

在現(xiàn)代物理學(xué)到來之前，人們普遍認(rèn)為，關(guān)于世界的所有知識(shí)都能通過直接的觀測(cè)獲得，事物就是它們表現(xiàn)出來的樣子，通過我們的直覺被我們感知。但是隨著現(xiàn)代物理學(xué)的到來及發(fā)展，我們的研究對(duì)象已不單純是由肉眼直接觀察的事物，而是轉(zhuǎn)向了只有通過測(cè)量和邏輯推理才能“看見”的事物，使得人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)往往更依賴于理論。1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜通過真空玻璃管里的電流實(shí)驗(yàn)，做出了一個(gè)大膽的結(jié)論：管內(nèi)的射線是由極其微小的“顆?！睒?gòu)成，這些顆粒即是構(gòu)成原子的材料——電子。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中湯姆遜并沒有親眼所見電子，但是今天所有的物理學(xué)家都不否認(rèn)電子存在，即使看不見它們。再比如尋找希格斯粒子，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的ATLAS實(shí)驗(yàn)和CMS實(shí)驗(yàn)就是為了探索希格斯李子。通過對(duì)光子、輕子和強(qiáng)子的探測(cè)和識(shí)別，包括測(cè)量它們的能量動(dòng)量，最終計(jì)算得到希格斯粒子的質(zhì)量，證明希格斯粒子的存在。總之在亞原子層次的科學(xué)研究上，只能以間接的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)。因?yàn)榇蟛糠值牧Ｗ拥纳疾坏桨偃f(wàn)分之一，且小得無法直接觀察，我們所獲取的亞原子粒子所有的認(rèn)知，都是由理論以及粒子撞擊的氣泡室軌跡照片推論出來的。物理理論表達(dá)的方法不再是傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)描述——從知覺材料直接到達(dá)實(shí)在世界，而是一種理性的概念構(gòu)造活動(dòng)——邏輯推斷、數(shù)學(xué)運(yùn)算、言語(yǔ)活動(dòng)和思維活動(dòng)?，F(xiàn)代物理學(xué)的構(gòu)建已然對(duì)傳統(tǒng)物理學(xué)描繪的科學(xué)世界圖景帶來了巨大的沖擊。

三、方法論文脈內(nèi)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向

對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知已從最早的原子層次深入到夸克層次，作為對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索最前沿的標(biāo)準(zhǔn)模型，告訴我們已知的世界可以用六種夸克和六種輕子來解釋，它們通過四種力發(fā)生相互作用：引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力。這十二種粒子和四種力就是我們解釋世界萬(wàn)物所需要的一切。顯然，它所描述的作為構(gòu)成世界基本單元的微觀粒子并不是傳統(tǒng)意義上的物體，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實(shí)體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)在矛盾?！边@是一個(gè)我們看不見的粒子世界，是從間接的觀察中推斷出來，是人類無法直接觀察到的。

LHC上并沒有真正觀測(cè)到希格斯玻色子，在希格斯玻色子產(chǎn)生的瞬間就衰變成兩個(gè)光子，人們只是靠分析與統(tǒng)計(jì)衰變后的產(chǎn)物來推斷它們是從希格斯玻色子生成，而非其它來源生成；因“夸克禁閉”人們亦無法獲得一個(gè)自由的夸克，即夸克僅是停留在理論上的存在。連同在宇觀領(lǐng)域中暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)也一樣：我們不知道宇宙中大部分的能量來自哪里，也不知道宇宙所包含的大多數(shù)物質(zhì)的本質(zhì)是什么，但我們知道宇宙中存在著暗物質(zhì)和暗能量，這并非因?yàn)槲覀冎苯犹綔y(cè)到了它們，而是因?yàn)樗鼈儗?duì)周圍的物質(zhì)有著明顯的影響。我們確定暗物質(zhì)、暗能量的存在，只是通過間接的方式。這些都意味著它們是在完全“看不見”的狀態(tài)下，只能作為一種理論實(shí)體而存在。

依賴于物質(zhì)的或直觀的手段已無法適應(yīng)對(duì)理論實(shí)體研究的要求，尤其現(xiàn)代科學(xué)研究活動(dòng)中，對(duì)于進(jìn)行物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件要求越來越高，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)的展開也面臨越來越大的困難。例如發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，從1980年首度提出構(gòu)想到2008年9月10日正式開始運(yùn)作，歷時(shí)近30年，耗資數(shù)百億美元，有全球五千多名科學(xué)家參與其中。由此可見物質(zhì)實(shí)驗(yàn)總要受到物質(zhì)條件的約束，科學(xué)每前進(jìn)一步，都會(huì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，可以說傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)在粒子世界的研究中遭遇到了難題，科學(xué)研究的常規(guī)手段——物質(zhì)實(shí)驗(yàn)只能在有限的范圍內(nèi)使用，這就越來越需要理性思維的介入，思維的——非物質(zhì)性的方法，即思想實(shí)驗(yàn)將更有價(jià)值?；诂F(xiàn)代科學(xué)前沿的發(fā)展，思想實(shí)驗(yàn)將作為一種優(yōu)越的研究手段發(fā)揮主導(dǎo)作用。

（責(zé)任編輯：章樊）