吳玉梅 孫小淳

摘 要 “量子引力論”是融合廣義相對(duì)論與量子力學(xué)兩大基礎(chǔ)理論而建立起來的描述微觀和宏觀世界的理論，目的是解決大爆炸宇宙模型中的奇點(diǎn)問題，即在宇宙的開端（時(shí)空奇點(diǎn)），廣義相對(duì)論及相關(guān)理論都“失效”的問題，目前主流的理論是“弦理論”。關(guān)于“量子引力論”目前有許多爭論，本文考察霍金和彭羅斯關(guān)于“量子引力論”的爭論。從三方面來進(jìn)行考察：（1）關(guān)于“實(shí)在”的爭議；（2）關(guān)于理論基礎(chǔ)的爭議；（3）關(guān)于科學(xué)方法論和科學(xué)認(rèn)識(shí)論的爭議。通過霍金與彭羅斯的爭論，可以略窺當(dāng)今理論物理學(xué)面臨的困難和前景。

關(guān)鍵詞 量子引力論 弦理論 本體論 科學(xué)方法論

中圖分類號(hào) N09： O4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

導(dǎo) 言

“量子引力論”是為了解決時(shí)空奇點(diǎn)問題而提出的?！按蟊ā庇钪婺Ｐ捅徽J(rèn)為是現(xiàn)代宇宙學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，認(rèn)為宇宙開始于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)處時(shí)空曲率變得無窮大?；艚穑⊿tephen Hawking）和彭羅斯（Roger Penrose）在1970年論證指出，愛因斯坦的廣義相對(duì)論如果正確，那就必然存在這樣的奇點(diǎn)[1]。然而在奇點(diǎn)處，廣義相對(duì)論卻“自己無法預(yù)言宇宙”，也就是說理論“失效”（[2]，p. 75）。那描述時(shí)空奇點(diǎn)需要什么樣的理論？把20世紀(jì)兩大基礎(chǔ)理論即量子力學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合起來描述時(shí)空奇點(diǎn)，成為絕大多數(shù)理論物理學(xué)家的選擇，從而產(chǎn)生一個(gè)新的理論——“量子引力論”。

“量子引力論”有多種形式，其中主流的是“弦理論”。弦理論認(rèn)為，構(gòu)成世界的各種無窮小的粒子，如夸克 、電子、膠子和質(zhì)子，以及它們衍生的粒子家族，都是一維且尺度極其微小的弦的振動(dòng)①。弦理論能夠描述從微觀到宏觀世界的潛力讓很多物理學(xué)家著迷，因?yàn)樗芸赡芫褪谴蠹乙恢毕胍獙ふ业摹叭f物理論”（theory of everything）。然而，幾十年過去，弦理論一直沒有找到與物理世界真正的連接，它既沒有辦法通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測，也沒有提供能在可見的未來得以檢驗(yàn)的預(yù)言。因此，科學(xué)家們對(duì)弦理論產(chǎn)生了截然不同的看法，霍金和彭羅斯就是其代表?；艚鹗窍依碚摰闹С终撸e極運(yùn)用弦理論來描述宇宙；而彭羅斯對(duì)弦理論卻持有深刻的懷疑態(tài)度。兩人關(guān)于弦理論的爭論，是現(xiàn)代理論物理學(xué)關(guān)于“量子引力論”的重要爭論。

1994年，劍橋大學(xué)牛頓數(shù)學(xué)科學(xué)研究所組織了為期6個(gè)月的講座，期間霍金和彭羅斯就“量子引力論”展開了一系列的討論，講座整理成《時(shí)空的本質(zhì)》出版，最后一章兩人還就對(duì)方的觀點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)話（[2]，pp. 121—137）。盡管彭羅斯說“我們之間的相同比不同多”（[2]，p. 127），但現(xiàn)在看來，他們之間的分歧可能比想象的更大。他們相互影響，都思考物理學(xué)的基礎(chǔ)問題，但是他們又是對(duì)手，在幾乎所有深層的問題上都有深刻的不同。尤其是在物理學(xué)的基礎(chǔ)問題上，霍金認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，“新的范式”已經(jīng)形成（[3]，p. 330）。彭羅斯則認(rèn)為“新的范式”根本還沒有形成，時(shí)空奇點(diǎn)問題對(duì)“量子引力論”的意義還遠(yuǎn)沒有弄清楚（[3]，pp. 51—73），弦理論中高維空間也極不穩(wěn)定（[3]，pp. 185—200）。

本文主要從三個(gè)方面來考察霍金和彭羅斯關(guān)于“量子引力論”的爭論。首先是關(guān)于他們對(duì)“實(shí)在”的看法?；艚鹫J(rèn)為自己是實(shí)證主義者，不知道什么是實(shí)在，只關(guān)心模型或理論是否與觀察相符合。不過，霍金后來提出了所謂的“依賴模型實(shí)在論”（model-dependent realism）觀點(diǎn)，他的“實(shí)在”隨著模型不同而不同。而彭羅斯是堅(jiān)定的柏拉圖主義者，認(rèn)為數(shù)學(xué)世界本身就是實(shí)在。對(duì)實(shí)在的觀點(diǎn)差異，直接導(dǎo)致了他們對(duì)弦理論中本體論問題的不同看法。其次是“信念”問題。在20世紀(jì)兩大基礎(chǔ)理論的選擇上，霍金毫無疑問地站在了量子力學(xué)的一方，而彭羅斯則認(rèn)為廣義相對(duì)論更具革命性和基礎(chǔ)性。因此，對(duì)于解答“量子引力論”的基礎(chǔ)是什么的問題，兩人的選擇是截然不同的。第三是關(guān)于兩人對(duì)“當(dāng)前量子引力論”的看法?；艚鹫J(rèn)為弦理論可能就是科學(xué)家一直在尋找的“萬物理論”，但科學(xué)方法可能需要做出調(diào)整，而彭羅斯則認(rèn)為當(dāng)前的所有理論可能都還只是暫時(shí)的，未來可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“需要量子力學(xué)的法則做出重大變革”的理論（[4]，頁735）。

一 關(guān)于“實(shí)在”問題

有些科學(xué)家認(rèn)為大可不必討論什么“實(shí)在論”問題，因?yàn)檫@對(duì)科學(xué)研究并不重要[5]。然而，霍金和彭羅斯各自關(guān)于“實(shí)在論”的觀點(diǎn)導(dǎo)致了他們?cè)谔接憽傲孔右φ摗敝械谋倔w論問題時(shí)采取了截然不同的看法。有多種關(guān)于量子力學(xué)的本體論詮釋，其中哥本哈根學(xué)派的本體論詮釋認(rèn)為量子力學(xué)只是一種數(shù)學(xué)形式，并未提供關(guān)于我們?cè)诤暧^世界中經(jīng)歷的“實(shí)在”圖像，而只是計(jì)算了“實(shí)在”出現(xiàn)的概率。另一些量子物理學(xué)家則支持所謂的“多宇宙論”（multiverse）詮釋，認(rèn)為可以將態(tài)矢量直接看作是“實(shí)在”，同時(shí)他們完全否認(rèn)發(fā)生過R（R是進(jìn)行“測量”時(shí)發(fā)生所謂量子態(tài)收縮）。“他們爭辯說，在測量進(jìn)行時(shí)，所有可能的結(jié)果實(shí)際上是作為‘實(shí)在同時(shí)存在的，其方式是所有可能結(jié)果的巨大量子線性疊加。這種疊加可用整個(gè)宇宙的波函數(shù)來描述?！保╗4]，頁560）

霍金則支持所謂的“環(huán)境退相干詮釋”。這種詮釋“比起本體論，它可能更傾向于實(shí)用主義”（[4]，頁562），該詮釋認(rèn)為：

在任何測量過程中，所考慮的量子系統(tǒng)都不可能看成是與環(huán)境隔絕的，因此，進(jìn)行一次測量，所得到的每一個(gè)不同的輸出結(jié)果并不構(gòu)成原來的量子態(tài)，而必須看成是一種糾纏態(tài)，其中每一種可能的輸出都與不同的環(huán)境態(tài)糾纏在一起。而環(huán)境是由大量的做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的粒子組成的，它們的位置和運(yùn)動(dòng)的全部細(xì)節(jié)必須看成是總體上不可實(shí)際觀察的。數(shù)學(xué)上存在一套明確定義的程序可用來處理這種信息非常缺乏的情形，這是一種對(duì)未知環(huán)境狀態(tài)“求和”以得到所謂的密度矩陣的數(shù)學(xué)對(duì)象的方法，我們就用這個(gè)密度矩陣來描述待求的物理系統(tǒng)。（ [4]，頁562）

在《時(shí)空的本質(zhì)》中，霍金多次強(qiáng)調(diào)彭羅斯是一個(gè)柏拉圖主義者，而自己是一個(gè)實(shí)證主義者（[2]，p. 4，121）。量子力學(xué)中關(guān)于“薛定諤的貓”竟然呈現(xiàn)一種非死非活的所謂量子疊加狀態(tài)的結(jié)論，這對(duì)彭羅斯造成了很大困擾，因?yàn)檫@與物理世界中觀察到現(xiàn)象是不相符的。但對(duì)霍金來說，這卻完全不是問題?；艚鹫J(rèn)為：“我不要求與實(shí)在相符合的理論，因?yàn)槲也恢缹?shí)在是什么。”①他在論及宇宙初始條件的構(gòu)想時(shí)，在提及所采用的時(shí)空結(jié)構(gòu)時(shí)認(rèn)為：“盡管我把度規(guī)描述為半歐幾里德四維時(shí)空與洛侖茲度規(guī)的結(jié)合，但這僅僅是一種近似的描述。實(shí)際的鞍點(diǎn)度規(guī)是要復(fù)雜得多。這可能會(huì)讓柏拉圖主義者的羅杰（彭羅斯）感到不安，但是對(duì)于實(shí)證主義者的我卻不成問題。”（[2]，p. 123）

霍金在2010年出版的《大設(shè)計(jì)》中對(duì)“實(shí)在”有專門的論述。他認(rèn)為不存在獨(dú)立于圖像或理論之外的“實(shí)在”概念。相反，一個(gè)物理理論或世界圖像就是一個(gè)模型（通常具有數(shù)學(xué)性質(zhì)）和一組將這個(gè)模型的元素和觀測相連接的規(guī)則（[6]，p. 40）。因此，“實(shí)在”是隨著模型變化的，因而也就消解了所謂的本體論問題。事實(shí)上，量子力學(xué)中現(xiàn)今無論哪一種量子力學(xué)本體論詮釋，都帶有霍金“依賴模型實(shí)在論”所主張的主觀意識(shí)介入的實(shí)在論觀點(diǎn)。這也是很理所當(dāng)然的結(jié)果，因?yàn)榛艚鸬膶?shí)在觀是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)提出來（[6]，pp. 10—11）。

然而，量子力學(xué)本體論詮釋的實(shí)在論帶有實(shí)驗(yàn)者或觀察者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，這讓彭羅斯不能滿意。彭羅斯的實(shí)在論觀點(diǎn)是從柏拉圖主義的實(shí)在論思想發(fā)展而來。他認(rèn)為存在三個(gè)世界，即柏拉圖數(shù)學(xué)世界、物理世界和心智世界，它們都是實(shí)在的（圖1）。這三個(gè)“實(shí)在”的世界彼此存在著某種神秘的聯(lián)系，從而構(gòu)成了一個(gè)整體的“實(shí)在”。彭羅斯提出：“圖中第一種神秘聯(lián)系—柏拉圖數(shù)學(xué)世界和物理世界之間的聯(lián)系—只是數(shù)學(xué)世界中的很小一部分與現(xiàn)實(shí)的物理世界相關(guān)聯(lián)。第二種神秘聯(lián)系體現(xiàn)在心靈活動(dòng)與一定的物理結(jié)構(gòu)（明確地說，指健康、清醒的頭腦）之間的關(guān)聯(lián)，顯然，并非大多數(shù)物理結(jié)構(gòu)都能產(chǎn)生智能活動(dòng)。第三種神秘聯(lián)系，我認(rèn)為它是自明的，即絕對(duì)數(shù)學(xué)真理只對(duì)應(yīng)于部分的心智活動(dòng)！這三個(gè)事實(shí)體現(xiàn)為每個(gè)世界與相鄰世界的關(guān)聯(lián)均以小基底為出發(fā)點(diǎn)，三個(gè)世界按順時(shí)針方向依次排列。我對(duì)于這三重關(guān)系的觀點(diǎn)可以表述為后一個(gè)世界對(duì)應(yīng)著前一世界的某個(gè)部分?！保╗4]，頁12）

彭羅斯認(rèn)為他的“三個(gè)世界”的關(guān)系圖確立了整個(gè)物理世界的運(yùn)轉(zhuǎn)是受數(shù)學(xué)定律所支配。事實(shí)上，彭羅斯意識(shí)到這個(gè)結(jié)論是帶著自己的個(gè)人偏好的，因此他在此基礎(chǔ)做了一些妥協(xié)，重新修正了“三個(gè)世界”的關(guān)系圖（圖2）。

彭羅斯的實(shí)在論觀點(diǎn)，使他很難接受目前流行的各種量子力學(xué)的本體論闡述。一般認(rèn)為量子力學(xué)的本體論問題其實(shí)就是它的詮釋問題，但彭羅斯認(rèn)為這不是詮釋問題而是量子力學(xué)本身的本體論問題。他認(rèn)為 “量子引力論”中量子力學(xué)的本體論問題不僅至關(guān)重要，而且也遠(yuǎn)不是今天我們所能解決的（[4]，頁562）。因此，他認(rèn)為量子力學(xué)很有可能只是某種更高級(jí)理論的近似，在那高級(jí)理論中，U（U是幺正演化的確定性過程，可由薛定諤方程描述）和R（R是進(jìn)行“測量”時(shí)發(fā)生所謂量子態(tài)收縮）像真實(shí)過程那樣客觀發(fā)生，而且提出“未來實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⑦@一理論與傳統(tǒng)的量子力學(xué)區(qū)分開來”（[4]，頁562）。

總而言之，霍金和彭羅斯的實(shí)在論觀點(diǎn)讓他們?cè)陉P(guān)于“量子引力論”所涉及的“實(shí)在”描述時(shí)，產(chǎn)生了不同程度上的困擾，也就讓他們對(duì)“量子引力論”的涉及的問題的側(cè)重點(diǎn)不同?；艚饌?cè)重于“量子引力論”的應(yīng)用，比如對(duì)量子宇宙學(xué)的積極探索，而彭羅斯則因?yàn)閷?duì)舊的“量子引力論”的不滿，選擇發(fā)展新的“量子引力論”，提出新的宇宙學(xué)模型，如“共形循環(huán)宇宙”（[8]，pp. 334—395）。

二 量子力學(xué)和廣義相對(duì)論

量子力學(xué)與愛因斯坦的相對(duì)論給20世紀(jì)物理學(xué)思想帶來了根本性的變革。但兩相比較，大部分科學(xué)家認(rèn)為量子力學(xué)帶來的變革可能更加巨大?；艚鹪凇洞笤O(shè)計(jì)》中就很自然地把不包含量子力學(xué)卻包含廣義相對(duì)論的經(jīng)典科學(xué)與包含量子力學(xué)的現(xiàn)代科學(xué)區(qū)分開來[7]。現(xiàn)代宇宙學(xué)中，廣義相對(duì)論推導(dǎo)出了時(shí)空奇點(diǎn)的存在，但同時(shí)也讓當(dāng)時(shí)所有的物理理論都“失效”了，因此需要一個(gè)新的理論來描述時(shí)空奇點(diǎn)。把量子力學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合起來構(gòu)造一個(gè)新的“量子引力論”也就自然而然地成為一個(gè)選擇。但是如何結(jié)合？是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上修正廣義相對(duì)論，還是在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上修正量子力學(xué)？絕大部分科學(xué)家選擇了前者，霍金就是其中之一，但彭羅斯則選擇了后者。

霍金認(rèn)為廣義相對(duì)論還是很完美的，或許只需要在普朗克尺度上作一些修正，它也可能是某種更基礎(chǔ)的理論在低能量狀態(tài)的近似，如弦理論（[2]，p. 4）。他在20世紀(jì)90年代對(duì)弦理論不太認(rèn)同，理由之一是，按超引力理論把廣義相對(duì)論與其他領(lǐng)域相結(jié)合，不能給出合乎情理的量子理論，這一點(diǎn)還不明確；理由之二是，弦理論并沒有做出任何可檢驗(yàn)的預(yù)言（[2]，p. 4）。但是后來霍金的態(tài)度越來越趨向于支持弦理論。關(guān)于弦理論的高維時(shí)空，霍金顯然是認(rèn)可的，但是弦理論中的時(shí)空觀念與愛因斯坦的時(shí)空觀念是不一樣的。弦理論中，愛因斯坦的四維時(shí)空被高維時(shí)空取代。高維時(shí)空中的額外維度，是被當(dāng)作真正的空間維度而起作用的，這是發(fā)展弦理論的主要哲學(xué)動(dòng)力。人們相信通過這些額外維度發(fā)生的“震動(dòng)”，可以解釋所有必要的復(fù)雜力和參數(shù)，從而可以接納粒子物理學(xué)所有必要的特征?；艚鹫J(rèn)為弦理論尤其是“超弦”理論（具有11維時(shí)空的弦理論）極有可能是科學(xué)家一直在尋找的終極理論。有許多這種修正愛因斯坦理論的做法，而其中量子理論卻一直被認(rèn)定是基礎(chǔ)的、神圣的，不需改變的（[3]，p. 53）。霍金的思路，就是把愛因斯坦的廣義相對(duì)論量子化（[2]，p. 4）?；艚鹕踔琳J(rèn)為，應(yīng)該放棄終極理論唯一性的信念，接受終極理論是一組有限的定律的想法（[7]，p. 98）。

彭羅斯對(duì)這種做法顯然是不認(rèn)同的。他認(rèn)為20世紀(jì)兩場物理學(xué)思想的根本性變革中，廣義相對(duì)論具有的革命性意義絲毫不亞于量子力學(xué)的革命性意義，且廣義相對(duì)論為改造現(xiàn)有理論提供了必要的線索（[4]，頁585）。這條線索是從愛因斯坦的非線性理論取代牛頓的線性理論而來，彭羅斯提出這個(gè)取代過程絕不是修補(bǔ)牛頓理論就可以的，而是經(jīng)歷了觀念上的徹底的改變才完成的。而現(xiàn)在可能需要一種新的非線性理論來取代傳統(tǒng)的量子力學(xué)，這同樣需要對(duì)傳統(tǒng)的量子力學(xué)的法則做根本性的變革。彭羅斯認(rèn)為目前的“量子引力論” 呈現(xiàn)的是一場“不對(duì)等的婚姻”，是以讓廣義相對(duì)論一直“屈服”從而來適應(yīng)量子力學(xué)來產(chǎn)生的，更糟的是自然似乎對(duì)此給出否定的答案（[4]，頁585）。

彭羅斯把他對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)論的懷疑用一張示意圖表達(dá)了出來（圖3）。

圖3中矩形方框內(nèi)表示的是上世紀(jì)幾大基礎(chǔ)理論，它們分別是：狹義相對(duì)論、在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的廣義相對(duì)論、量子力學(xué)以及狹義相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的量子場論。劃波浪線框架內(nèi)表示的是與之連接的不同理論中各自有待解決的問題。其中廣義相對(duì)論的時(shí)空奇點(diǎn)問題引發(fā)了對(duì)“量子引力論”的探索；量子場論中產(chǎn)生的無窮問題也有通過重整化方法或者通過“量子引力論”來繞開；而量子力學(xué)中的“測量佯謬”，在產(chǎn)生“量子引力論”時(shí)，卻極少有人關(guān)注或者認(rèn)真思考它，彭羅斯認(rèn)為這是不對(duì)的（[3]，p. 52）。事實(shí)上，這是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。他指出（圖4），要么在大尺度上運(yùn)用經(jīng)典層級(jí)的物理學(xué)如牛頓、麥克斯韋或者愛因斯坦方程。這些方程都是決定性的，時(shí)間對(duì)稱且局域的；要么在微觀尺度上運(yùn)用量子理論，然后往往使用另一不同的框架，這個(gè)框架中時(shí)間演化是由所謂幺正演化來描述，如采用薛定諤方程。然而，薛定諤方程也是決定性、時(shí)間對(duì)稱和局域的。這種結(jié)果表明可能世界的真正演化也是決定性、時(shí)間對(duì)稱和局域的（[3]，p. 63）。

圖4還表明了一點(diǎn)，即單獨(dú)的量子表現(xiàn)的方式與量子構(gòu)成的整體表現(xiàn)出的方式具有極大不同。圖4顯示C和U中所使用的物理定律都是決定性、時(shí)間對(duì)稱且局域的，只有在對(duì)U進(jìn)行測量的時(shí)候，才會(huì)得到R中這種概率性的、時(shí)間不對(duì)稱且非局域的量子態(tài)收縮。彭羅斯認(rèn)為量子力學(xué)中出現(xiàn)的“測量佯謬”是需要解決的問題，然而弦理論的支持者們卻極少考慮它。之所以這樣，彭羅斯認(rèn)為這是因?yàn)槿藗円呀?jīng)把量子力學(xué)是基礎(chǔ)的想法當(dāng)作一種“信念”?！靶拍睢笔墙⒃跈?quán)威之上的，而我們對(duì)這些權(quán)威的影響習(xí)以為常，甚至從未在我們的腦海中出現(xiàn)過懷疑這些信息的根據(jù)。這些權(quán)威也影響著我們自己的行為以及在社會(huì)中位置，我們擁有的任何權(quán)威，都加強(qiáng)了我們對(duì)于這些權(quán)威的地位（[8]，p. 121）。

三 是科學(xué)認(rèn)識(shí)的改變，還是科學(xué)理論需要革命？

對(duì)自20世紀(jì)60年代以來的物理科學(xué)發(fā)展，出現(xiàn)了兩種截然相反的評(píng)價(jià)。一種認(rèn)為科學(xué)家終于找到了一直以來想要尋找“萬物理論”；而一種認(rèn)為現(xiàn)有理論可能都只是暫時(shí)的，未來的理論需要對(duì)這些現(xiàn)有的理論做一些重大的變革?；艚鹗乔耙辉u(píng)價(jià)的支持者，而彭羅斯是后一評(píng)價(jià)的支持者?；艚鹫J(rèn)為現(xiàn)有的理論已經(jīng)使人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)進(jìn)入一個(gè)全新的階段，而“超弦理論”極有可能就是描述整個(gè)宇宙的所謂“萬物理論”（[6]，pp. 74—99）。彭羅斯贊成愛因斯坦的觀點(diǎn)，認(rèn)為量子力學(xué)是一個(gè)不完備的理論，是某個(gè)更高水平的理論的近似（[4]，頁560—566）。事實(shí)上，很多科學(xué)家認(rèn)為基礎(chǔ)物理學(xué)正面臨著嚴(yán)重的危機(jī)。首先，弦理論缺乏經(jīng)驗(yàn)檢測；其次，這樣一個(gè)完全自洽的普遍理論，使數(shù)學(xué)的復(fù)雜度極速增加，結(jié)果是大量的猜想和經(jīng)驗(yàn)上的未證實(shí)，新的假設(shè)，在某些時(shí)候可能是經(jīng)驗(yàn)上不確定的（[9]，p.1）。彭羅斯是這些科學(xué)家中的代表之一。

由于新的物理科學(xué)的發(fā)展，霍金對(duì)宇宙的歷史觀、宇宙的研究方法都提出了新的看法?；艚鹗钱?dāng)今量子宇宙學(xué)的創(chuàng)立者之一，他把費(fèi)恩曼的歷史求和法應(yīng)用于整個(gè)宇宙的研究，積極運(yùn)用“量子引力學(xué)”來考察宇宙。在這個(gè)過程中，霍金提出宇宙不具有單一的歷史而是具有所有可能的歷史，宇宙的起始條件包含任意可能的條件，它是一個(gè)無窮集合，因此，傳統(tǒng)的科學(xué)研究方法即確定起始條件來研究宇宙的現(xiàn)在和未來的“自下而上”（bottom-up）的方法是不適合的。就目前而言，通過弦理論，科學(xué)家可以得到10500個(gè)宇宙，這些宇宙擁有不同的定律，當(dāng)然也就具有不同的歷史。霍金提出以我們現(xiàn)在得到的宇宙信息來研究宇宙的過去和未來的所謂“自上而下”（top-down）的方法來取代“自下而上”的方法（[6]，pp. 114—116）。

霍金相信“萬物理論”已經(jīng)被找到。他在1989年任盧卡斯教授的就職典禮上就提出過物理學(xué)可能不久就能找到所謂的“萬物理論”（[10]，頁35—49）。那時(shí)，霍金還不確定“萬物理論”就是弦理論，直至1994年，霍金對(duì)弦理論的態(tài)度還認(rèn)為它太過言不符實(shí)，認(rèn)為它既不能提供可檢驗(yàn)的預(yù)測，而且還一個(gè)時(shí)間就換一種說法（[2]，p. 4）。然而到2010年，霍金關(guān)于弦理論的看法顯然發(fā)生了很大的改變。他在《大設(shè)計(jì)》中明確地提出超弦理論（弦理論的一種）也許就是人們一直在尋找的“萬物理論”。弦理論缺乏經(jīng)驗(yàn)支持的問題，霍金顯然并不認(rèn)為可以影響到“超弦理論”的地位。霍金認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)仍然是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚶碚摰奈ㄒ环椒?，然而卻不再是檢驗(yàn)理論的真與假，而是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚶碚摰暮门c壞?？梢哉f，霍金其實(shí)對(duì)科學(xué)理論的評(píng)價(jià)提出了新的看法（[6]，p. 46）。

事實(shí)上，很多科學(xué)家認(rèn)為“科學(xué)的范式”其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，人們關(guān)于科學(xué)的認(rèn)識(shí)需要一場新的革命（[11]，p. 257）。關(guān)于如何評(píng)價(jià)科學(xué)理論的問題，科學(xué)哲學(xué)家達(dá)維德（Richard Dawid）認(rèn)為“一個(gè)獨(dú)特的理論的概念特性就和研究背景的特性一樣，在它們之中理論的進(jìn)化在評(píng)估理論的價(jià)值和可行性上扮演著越來越重要的作用”（[9]，p.2）。雖然這并不影響經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為一個(gè)理論的可行性的最終評(píng)價(jià)的地位，但是實(shí)質(zhì)上是給一個(gè)理論在經(jīng)驗(yàn)證實(shí)缺席的時(shí)候一個(gè)能夠獲得的地位。當(dāng)然，反對(duì)者也眾多。數(shù)學(xué)家沃特（Peter Woit）在《連錯(cuò)誤都不是》（Not Even Wrong： the failure of string theory and the search for unity in physical law）中提出一個(gè)科學(xué)思想如果如此不完備，不能做出預(yù)測以便能通過觀測來檢驗(yàn)這個(gè)思想是否錯(cuò)誤，那么這個(gè)思想就連錯(cuò)誤都不是[12]。顯然，弦理論對(duì)于沃特來說就是這樣連錯(cuò)誤都不是的思想。無論如何，弦理論作為當(dāng)初承諾統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的一種方式在目前來看是失敗的①。

彭羅斯顯然是不認(rèn)同上述觀點(diǎn)的，他認(rèn)為為了避免誤入迷途，科學(xué)理論必須面對(duì)連續(xù)的經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，而弦理論顯然沒有辦法提供經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行檢驗(yàn)（[8]，p. 216）。彭羅斯認(rèn)為弦理論之所以在理論物理學(xué)領(lǐng)域占據(jù)如此重要的地位，是因?yàn)樗呀?jīng)被當(dāng)成一種時(shí)尚，這種時(shí)尚不僅影響了科學(xué)家選擇的研究主題，而且還阻礙了其它科學(xué)家發(fā)展其它理論[8]。彭羅斯認(rèn)為把弦理論應(yīng)用于所謂的宇宙學(xué)，從而得出的各種各樣的學(xué)說也都只是一種幻想。不過彭羅斯自己也承認(rèn)“在我們基礎(chǔ)的物理學(xué)理解方面幻想有任何的真正的作用嗎？當(dāng)然幻想與科學(xué)是非常相對(duì)立的主題，在真正的科學(xué)議題中應(yīng)該沒有任何位置。然而，這個(gè)問題似乎并沒有想象的那么容易消除，許多關(guān)于自然的工作看上去都是幻想性的，當(dāng)我們披著聽起來像觀察的發(fā)現(xiàn)其實(shí)是根據(jù)合理的科學(xué)思想引導(dǎo)我們得到的結(jié)論”（[8]，p. 216）。

彭羅斯認(rèn)為現(xiàn)今的科學(xué)理論需要一場重大的變革。弦理論推導(dǎo)出的宇宙集合中，為了得到一個(gè)我們?nèi)缃裼^察到的宇宙，引入了所謂的“人擇原理”（anthropic principle），人擇原理認(rèn)為“我們作為有意識(shí)的觀察者實(shí)際所觀測到的宇宙必然是按照與這些限定性相容的法則和參數(shù)值來運(yùn)行的。這些限定性通過討論自然界基本（無量綱）常數(shù)的具體值明白地顯示出來。”（[4]，頁733）量子力學(xué)的本體論詮釋（上文已有敘述）以及量子宇宙學(xué)的發(fā)展都意味心智在所謂客觀世界的無法分離，彭羅斯認(rèn)為這種狀況代表著我們目前的理論還不完備，“最基本物理現(xiàn)象層面上依然完備的‘基本物理理論也應(yīng)當(dāng)能夠有能力處理意識(shí)活動(dòng)等心智問題”（[4]，頁735）。

總而言之，霍金與彭羅斯在關(guān)于科學(xué)的認(rèn)識(shí)以及目前科學(xué)發(fā)展的態(tài)度上都屬于不同陣營。

四 從爭論看當(dāng)代理論物理學(xué)的危機(jī)

綜上所述，霍金與彭羅斯在如何產(chǎn)生“量子引力論”以及如何看待當(dāng)前的“量子引力論”上都存在著極大的爭議。他們各自所遵守的“科學(xué)范式”顯然是不同的。某種意義上，霍金與彭羅斯的爭論可以被認(rèn)為是庫恩范式不可通約的一個(gè)科學(xué)史實(shí)例。通過兩人的爭論，可以一瞥當(dāng)代理論物理學(xué)的正面臨著的危機(jī)。主要從兩方面來展開：

第一，主流的“量子引力論”——弦理論幾十年來一直缺乏經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)，且在可見的未來無法得到檢驗(yàn)。弦理論的研究目前占據(jù)理論物理學(xué)領(lǐng)域的絕大部分資源。事實(shí)上從本文的書寫就可以看出來，霍金一直在表達(dá)自己的觀點(diǎn)，彭羅斯在闡述他理解的“霍金”的觀點(diǎn)，然后進(jìn)行反駁。這種非對(duì)等的情況本身就說明一個(gè)正處在社會(huì)的主流，一個(gè)卻是試圖挑戰(zhàn)這個(gè)主流。因此，主流的“量子引力論”弦理論占據(jù)著理論物理學(xué)研究的眾多人才與財(cái)政支持。然而，“主流量子引力論”卻不遵守科學(xué)中的實(shí)驗(yàn)和檢測傳統(tǒng)。有人認(rèn)為這是對(duì)科學(xué)精神的背叛，認(rèn)為弦理論發(fā)展的這個(gè)時(shí)期（從20世紀(jì)70年代以來到現(xiàn)在）“也許是自開普勒和伽里略400年前開始實(shí)踐我們的技術(shù)以來物理學(xué)史上最奇怪和最令人沮喪的時(shí)期……我們所知道的關(guān)于這些定律的肯定的東西并不比回到上世紀(jì)70年代更多”[13]。

第二，物理學(xué)前沿領(lǐng)域的混亂。無論是霍金還是彭羅斯，他們的“量子引力論”都一樣未能得到實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的肯定。物理學(xué)前沿探討中，目前還處在不同“科學(xué)范式”競爭的時(shí)期。就如霍金和彭羅斯都是世界上著名的科普作家，是世界范圍內(nèi)非常具有影響力的各自科學(xué)思想的兜售者。他們通過科普作品來兜售他們各自所支持的科學(xué)主張，而又因?yàn)樗麄冊(cè)诳茖W(xué)界的權(quán)威地位，使得這些科學(xué)主張更加具有影響力。如彭羅斯從1989年出版的《皇帝的新腦》開始就一直在向公眾傳播他對(duì)于量子力學(xué)尤其是“量子引力學(xué)”的態(tài)度以及自己的主張[14]。而霍金的《時(shí)間簡史》據(jù)說是世界上除《圣經(jīng)》和《毛澤東選集》之外，第三暢銷的書籍?？茖W(xué)思想的這種傳播方式倒并不新鮮，然而這也意味著現(xiàn)在的物理前沿正處于各種理論競爭的階段，科學(xué)也許將迎來一場新的變革，也許將維持現(xiàn)在這種各家爭鳴的狀態(tài)很多年。

參考文獻(xiàn)

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The Debates on “Quantum Gravity Theory” between Hawking and Penrose

WU Yumei， SUN Xiaochun

Abstract： In order to explain the singularity in universe past where the general gravity theory and other existed scientific laws all failed， some people want to construct a new theory which can combine the two basic theories of general relativity and quantum mechanics. This new theory， called quantum gravity theory， which can describe both the microscopic and macroscopic world. At present，“string theory” is the most famous quantum gravity theory. There are many debates about “quantum gravity theory”. This article focuses on three aspects to examine these debates between Hawking and Penrose： （1） different attitudes to “reality”； （2） which theory is more fundamental；（3） scientific methodology and scientific epistemology. Through the debates between Hawking and Penrose， we can get a glimpse of the difficulties and prospects of todays theoretical physics.

Keywords： quantum gravity theory， string theory， ontology， scientific methodology

收稿日期：2019-04-07

作者簡介：吳玉梅，1986年生，湖南人，中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院博士后，江蘇科技大學(xué)科技史研究所教師，研究方向?yàn)樘煳膶W(xué)史；孫小淳，1964年生，江蘇溧陽人，博士，中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院教授，研究方向?yàn)樘煳膶W(xué)史。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11573077）。

① Cole， K.C. The Strange Second Life of String Theory. 見https：//www.quantamagazine.org/string-theorysstrange-second-life-20160915？from=singlemessage。

① Cole， K.C. The Strange Second Life of String Theory（p.121）. 見https：//www.quantamagazine.org/stringtheorys-strange-second-life-20160915？from=singlemessage。

① Cole， K.C. The Strange Second Life of String Theory. 見https：//www.quantamagazine.org/string-theorysstrange-second-life-20160915？from=singlemessage。