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走过牛顿和爱因斯坦,我们如此解释时空

已有 1351 次阅读 2017-10-30 09:59 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记|关键词:当代时空实在论研究 程瑞 科学出版社 哲学 时空

关于时空的话题古老而常新。古老是因为它从古希腊开始就成为思辨哲学追问的终极问题之一,常新则是因为它在近代以来与以物理学为首的自然科学的发展紧密联系了起来,成为哲学和自然科学产生交互的主要焦点。因而,无论何时,时空的哲学追问都不会停息,而这种追问只有与物理学最前沿的理论紧密相连,才会处于最佳状态。



严格意义上的物理学时空问题从牛顿经典物理学开始,经历了狭义相对论、广义相对论,直到目前最前沿的量子引力理论的发展。在每一个阶段,人们对时间和空间的解释都具有不同的特点。牛顿经典物理学中时间、空间各自分立,具有绝对的地位;狭义相对论中时间和空间不再分离,而作为一种叫作“时空”的实在出现;广义相对论中,时空不再平直,而是与物质相关,具有了动力学效应;量子引力时空具有离散性,其中超弦理论要求时空是高维且背景相关的,圈量子引力则要求理论是背景无关的。物理学所给出的是时空的表征形式,是对时空认识的反映,而时空实在论则是在这些理论发展的基础上,追求对时空本质进行某种思索,因而涉及物理学和形而上学的关系、时空表征与解释的关系等一系列科学哲学所关注的论题。


十多年以前,很多哲学家把时空实在论的研究领域称为一个“战场”,因为其间充满了对时空本质是“实体”还是“关系”的争论。但是21 世纪以后,这个战场上不再硝烟弥漫,大多数时空实在论者都一致地转向寻求一种对时空实在的合理理解。这一方面决定于当代物理学的发展,另一方面则决定于当代科学哲学方法论的发展。


时空实在论的研究现状


当代时空实在论的研究是伴随着广义相对论的产生而重新发轫的,真正意义上的复兴是在 20 世纪 60 年代。物理学上广义相对论的成功与科学哲学中科学实在论的复兴共同促使人们重新思考时空的本质。


萌芽期


在萌芽阶段,人们对时空实在性的认识是混乱的,包括爱因斯坦本人也是如此。1915 年,爱因斯坦一完成他的广义相对论就立刻宣称,理论通过其广义协变性“剥夺了空间和时间的最后一丝客观实在性”。在 1916年年初对此问题的回顾中,他又一次提到这个声明:“(对广义协变性的要求)剥夺了空间和时间物理客观性的最后残余。”法因曾经提出,这是相信科学的进步多少都会依赖于科学探索者的实在论倾向的科学实在论者的尴尬时刻之一。但很多物理学家可能并没有注意到,1953 年爱因斯坦开始重新思考自己对时空做出的论断,认为对绝对空间的代替是一个“可能绝对没有完成的过程”。1954 年,雅莫提出,爱因斯坦的广义相对论“从现代物理学的概念图解中最后地消除了绝对空间的概念”,成为当时流行的时空反实在论的代表观点。


广义相对论时空理解的混乱促使哲学家们要站出来澄清时空的本质到底如何。他们在相对论语境中把时空哲学的主题与牛顿和莱布尼茨时代的争论重新联系了起来,争论时空到底是一种实体的存在还是关系的存在。




由于广义相对论受到了马赫思想的影响,并且在形式体系上把时空结构和物质紧密联系了起来,于是大多数物理学哲学家直观地认为广义相对论完美地证明了时空仅仅是物质之间的关系,从而支持莱布尼茨的关系论。20 世纪 60 年代开始,随着实在论思潮的兴起及后实证主义时代的到来,霍华德·斯坦(Howard Stein)开始反驳广义相对论支持关系论的观点:“如果广义相对论在某种意义上来说确实比经典力学更好地符合莱布尼茨的观点,这并不是因为它把‘空间’归为莱布尼茨描述的理想状态,而是因为空间——或者说是时空结构——牛顿要求它是真实的,在广义相对论中可能有着令莱布尼茨可以接受它是真实的属性。广义相对论并不否认与牛顿‘静止物’对应的某物的存在;但是它拒绝这个‘东西’的刚性不可动性,并把它表示为与物理实在的其他成分相互作用。”从而为实体论展开辩护。1970 年,约翰·厄尔曼(John Earman)发表论文《谁在惧怕绝对空间》,同样为实体论做出辩护。这是当代时空实在论实体论和关系论争论的第一个阶段。


第二阶段


20 世纪 60~80 年代时空实在论真正复兴,进入发展的第二阶段。此时,时空问题盛极一时,成为当时哲学杂志和博士论文的热门问题之一,但是热烈的讨论背后却存在着一种混乱。总的来说,由于这个时代人们对广义相对论的理解并不彻底,关于时空的争论存在着很多概念不明晰的地方。大家在对时空本质的断言上无法得到一致的意见,最终甚至连争论的目标都产生了争议,人们对面临的问题和目标充满了迷茫。当时一种普遍的观点认为,实体论和关系的争论无疑触及了物理学、形而上学和科学认识论的某些最基本的内核,但是对这个问题的纠缠不休让一部分哲学家感到绝望。因为,时空实在论的复兴是建立在对广义相对论进行解读的基础之上的,但人们对时空本质的思考和回答方式却在很大程度上沿袭了思辨或直观的方式,有脱离当代科学的嫌疑,认识论和形而上学之间的鸿沟注定这种回答方式得不到确切的结果。


然而,科学理论的目标和本质决定了实在论的生命力并不会因为人们对科学理论某个时刻的理解程度而减弱。从 20 世纪 80 年代开始,时空实在论者开始逐步寻找方法论上的突破。一些哲学家, 如弗里德曼(Michael Friedman)、厄尔曼等人意识到,要想在时空争论中找到一条统一的路子,就必须在方法论上有所创新。他们敏锐地看到,如果能找到一个使实体论和关系论的争论进步的方法,在时空本质的争论问题上就可能会有重要突破。这促使了时空语义模型的提出,时空实在论的争论由此进入了第三个阶段。


第三阶段


1983 年,弗里德曼在他的《时空理论的基础》一书中,首次开始构造一种一致的“时空理论”,从而开了使用时空理论语义模型的先河。语义模型的建立赋予了当代时空实在论科学理性的基础。厄尔曼和约翰·诺顿(John Norton)开始明确地对“实体论”和“关系论”做出概念和内涵上的划分,并且提出了一种“流形实体论”观点。


1987 年,一些哲学家开始重新发现爱因斯坦洞问题的哲学含义并最终认为,如果坚持时空的实体论,那么广义相对论就会面临非决定论的困扰,这一发现使流形实体论受到重创。诺顿通过对广义相对论的研究明确指出,50 年代对空间和时间的反实在论理解并没有抓住爱因斯坦理论工作的细微之处和深度。同年,厄尔曼和诺顿写了《时空实体论的代价:洞的故事》一文并得出结论:如果要坚持时空流形实体论的观念,就要以牺牲决定论为代价。


洞问题的重解


洞问题的发现使人们认识到流形实体论的困难,从而促使了时空实体论的更深入发展,出现了以提姆·马尔德林(Tim Moudlin)为代表的度规本质论、以戈登·比劳特(Gordon Belot)为代表的精致实体论和以卡尔·胡佛(Carl Hofer)为代表的度规场实体论等。重要的是,其中语义分析方法的使用使时空的研究方法与当代微观物理学对象的研究方法完全一致了。从方法论上讲,不管是实体论者还是关系论者对时空本质的讨论都与语义学的分析方法紧密地联系起来,他们对时空的理解大都是通过对空间和时间的不断发展的数学和物理学理论的语义分析获得的。




但形而上学和认识论的问题得不到解决,实体论和关系论之间的争论就不可能得到解决,因此,无论实体论者和关系论者如何修正自己的观点,他们似乎仍然走入了一个看不到结局的死胡同。正如美国明尼苏达大学教授海尔曼(G. Hellman)在 1988 年访华时所说:“今天时空哲学中的某些问题与 17 世纪牛顿和莱布尼茨所争论的那些问题并无很大区别。”


这一阶段,物理哲学家阵营中充满对了时空哲学讨论状况的悲观情绪,认为时空本质争论的前景是黯淡的。瑞纳齐维兹(Rynasiewicz)就曾经对比了时空哲学当时的状况与它辉煌的过去:


对实体-关系争论来说,引人注目的是,虽然它把 17 世纪的自然哲学家们卷入了 19 世纪并且继续在理论哲学中饱受争议,但是 20 世纪物理学对这个争议的兴趣事实上已经衰落为零。


但时空实在论在困境中也逐渐孕育出了方法论突破的根基。1989年,厄尔曼在他的《充分的世界和时空:空间和时间的绝对 vs.关系理论》一书中明确表明,实体论会因洞问题而妥协,而关系论则提供了“比整个理论更多的期票”,因而需要第三种理论的出现,而这种时空实在论应该既不同于实体论,也不同于关系论。物理哲学家开始意识到,实体论和关系论争论僵持不下的根源在于它们直接追问的是“时空的本质是什么”这样一种时空形而上学层面的问题。因而,新的方法论必然要克服这样一种形而上学的对立。


随着整个科学哲学方法论的进步及其发展中实在论和反实在论融合的趋势,物理哲学家也在实体论和关系论的争论中发现了融合的基础。20世纪 90 年代,詹姆斯·雷德曼(James Ladyman)、史蒂芬·弗兰奇(Steven French)、约翰·沃热尔(John Worrall)提出了结构实在论的观点并很快被应用到物理学时空哲学当中。2004 年,曹天予发表了《结构实在论与量子引力》一文,论证了量子引力理论中结构实在论的可行性。但是由于结构实在论内部存在着本体的结构实在论、认识的结构实在论和知识论的结构实在论的纷争,在时空结构实在论的发展中,也引起了相应的争论。时空结构实在论的发展经历了三个阶段,分别以马若·德瑞图( Mauro Dorato) 在 2000 年提出的时空结构实在论、乔纳森·贝恩(Jonathan Bain)在 2006 年提出的时空结构论和迈克尔·埃斯菲尔德(Michael Esfeld)与维森特·兰姆(Vicent Lam)于 2008 年提出的时空温和结构实在论为代表。在发展的过程中,时空结构实在论逐步提出了克服本体的结构实在论、认识的结构实在论和知识论的结构实在论面临的困境的方法,为结构实在论注入了新的元素和力量。


时空实在论发展的哲学路径的明显转变除了哲学发展的因素,在很大程度上也受到了当代物理学发展的影响,主要是量子引力的出现成为一个触碰。量子引力中超弦理论的背景相关性和圈量子引力的背景无关性使人们开始更加深入地思考广义相对论时空的解释问题,主要是微分同胚不变性的含义和物理学中的时空背景问题。与物理学哲学家们对时空本质争论的悲观情绪不同,量子引力物理学家表现出了对时空实体论和关系论争论的极大兴趣,形成了鲜明的比照。圈量子引力物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)就说过:


我想争论说,量子引力的问题是一个非常古老的问题的一个方面,这个问题是,如何构造一个物理学理论,它要能够是整个宇宙的理论而不只是一个部分。这个问题有着很长的历史。我相信,这是莱布尼茨、贝克莱和马赫等人对牛顿力学的批判背后的基本问题。


正如这一段话论述的基调一样,斯莫林和卡洛·罗威利(Carlo Rovelli)等物理学家在这一轮时空论战中站在了关系论的一边,他们把广义相对论的微分同胚不变性解释为时空关系论的表现形式,并把这种思想融入自己的量子引力体系的形而上学假设之中。




这种观点是很典型的,很多从事正则量子引力研究的物理学家相信,实体-关系的争论与它们的研究直接相关。事实上,许多物理学家强调广义相对论解释问题的重要性。因为他们通常相信,关于量子引力的技术和概念不同的意见可以追溯到对经典理论意见的不同。因而,罗威利宣称:“对于量子领域的解释问题的许多讨论和分歧只是反映了对经典理论不同但是并未表达的解释。”


但在物理哲学界,普遍认为目前物理学家的观点并不是时空实在论的最后结果。时空结构实在论者同样在量子引力中发现了实体论和关系论争论的无结果性。比劳特和厄尔曼合作分别在 1999 年和 2001 年发表了两篇文章,从背景无关性的角度对时空的实体论进行完全的批判,认为如果成功的量子引力是背景无关的,那么实体论就可能因为物理学的原因而站不住脚。2006 年,厄尔曼基于对广义协变性的理解,拒绝把时空作为特性的“承载者”存在的思想,我们可以理解为既排除了关系论也排除了实体论。同年,弗兰奇和迪安·瑞克斯(Dean Rickles)在论文《量子引力遇到结构论:物理学基础中的交织关系》中通过对量子引力的深入分析,论证了结构论在量子引力时空解释中的可行性。


总之,当代时空实在论目前的发展趋势,就是试图在当代物理学语境中合理地分析和理解理论的内涵,试图寻找一条能够融合实体论和关系论,并且能对时空实在性进行合理说明的方法论。时空结构实在论是当前最流行的观点,但也存在着自己的困境,并且目前各种各样的结构实在论之间也存在着关注重点和论述方法的不一致,没有得到统一的解决方案。


(文中配图均来源于网络)





《当代时空实在论研究》

作者:程瑞

责编:牛玲,刘溪,程凤

北京:科学出版社,2017.9

ISBN:978-7-03-054641-8


《当代时空实在论研究》是关于物理学时空哲学研究的著作,以时空实在论问题为主要研究对象,通过对物理学时空概念的变化及当代时空实在论发展路径选行深刻剖析,寻求走出困境的根本出路,提出-种时空语境实在论策略。本书综合了哲学史、物理学史和当代料学哲学方法论的最新研究思想,力求系统和全面地展示时空实在论问题的哲学本质,并展示某解决思路对当代科学实在论和科学哲学的借鉴和影响。


本书提出的时空语境实在论就是在当代科学哲学发展的新环境中解决问题的一次尝试。



(本期责编:李文超)



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