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利维坦按：基于本文的一个浅显的推论是——我们每个人眼中的世界，都是基于我们自身的观察、体验、观念、思考而形成的，因此每个人眼中的世界都跟其他任何人眼中的不会完全一样。因此当一个生命流逝，就意味着一个世界的消亡。听起来很虚无，但这样子的事情每时每刻都在发生。 文/Amanda Gefter 译/乔琦 校对/斩光 原文/www.quantamagazine.org/were-stuck-inside-the-universe-lee-smolin-has-an-idea-for-how-to-study-it-anyway-20190627/ 本文基于创作共同协议（BY-NC），由乔琦在利维坦发布 文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场 李·斯莫林，摄于其在多伦多市中心的家中。图源：Philip Cheung for Quanta Magazine 宇宙有点儿像是一个不可能出现的事物，它有内部而无外部，是一枚只有一面的硬币。因此，宇宙学家的处境颇为尴尬：他们受困于这个自己费尽心力研究的系统之中，无法跳脱出去。对他们提出这项独特挑战的，正是宇宙的莫比乌斯结构。 图源：MC Escher 而这个结构也是李·斯莫林（Lee Smolin）毕生都在思考的问题。斯莫林是加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的物理学家，研究方向为量子物理、相对论和宇宙学之间的那些难解交叉问题。他的嗓音柔和亲切，举止安静闲适，但你可不能被这些东西骗了——大家都知道，斯莫林是个离经叛道的思想家，总是特立独行。 R. 巴克明斯特·富勒和他的穹顶建筑。图源：Seattle Met 20世纪60年代，斯莫林高中辍学，加入了一支名为“理想塑料”（Ideoplastos）的摇滚乐队，还创办了一份地下报纸。为了能够建造出R. 巴克明斯特·富勒（R. Buckminster Fuller）设计的穹顶建筑，斯莫林自学了高等数学——当然，这也是摆弄爱因斯坦广义相对论方程所必需的数学知识。于是，当斯莫林意识到这点时，他就成了一名物理学家。后来，他去了哈佛大学做研究，还拿到了新泽西普林斯顿高等研究院的正式职位，最终成了圆周理论物理研究所的创始人之一。 实际上，“圆周”这个词完美地体现了斯莫林的研究方向处于主流物理学界的边缘地带。当大多数物理学家一头扎进弦理论的研究中时，斯莫林却在弦理论的对手“圈量子引力理论”的建立过程中发挥了关键作用。当大多数物理学家表示物理定律无法改变的时候，他却说物理定律会根据某种宇宙进化论而不断演化。当大多数物理学家表示时间不过是一种幻觉的时候，斯莫林却坚持认为时间无比真实。 斯莫林发现，自己常常能在同生物学家、经济学家、雕塑家、剧作家、音乐家和政治理论家的对话中收获灵感，但他最大的灵感或许来自哲学——尤其是与艾萨克·牛顿（Issac Newton）同时发明微积分、活跃于十七八世纪的德国哲人戈特弗里德·莱布尼兹（Gottfried Leibniz）。 与牛顿的观点截然相反，莱布尼兹认为：宇宙并不是一成不变的舞台背景布，也不是用来摆放“物件”的广袤空间；宇宙只不过是一种描述物体间关系的简便方式。这个以物质实体间关系为基础的框架激发了斯莫林的想象力。 同样，莱布尼兹神秘莫测的著作《单子论》（Monadology）也捕捉了他的想象力。在这部作品中，莱布尼兹提出，世界的基本单位是一种名为“单子”的原子实体，每一个单子都代表了一种独特的宇宙观。斯莫林最近发表的一篇论文正是这个概念的体现。在这篇论文中，他尝试用各类宇宙观构建现实，而这些宇宙观中的每一个都反映了观察动态演化宇宙（从内部观察的宇宙）的部分视角。 最近，《量子杂志》（Quanta Magazine）采访了斯莫林，谈了谈他研究宇宙学和量子力学的方法，这些内容在他的新作《爱因斯坦的未竟革命》（Einstein’s Unfinished Revolution）中有更详细的介绍。以下就是这次访谈的内容，为了尽可能地让材料清晰、简明，我们作了适当的精简和必要的编辑修改。 图源：Philip Cheung for Quanta Magazine 您常把这句话挂在嘴边：“宇宙学第一原理肯定是：宇宙之外空无一物。” 在牛顿力学和量子力学等物理定律的不同表述中，都存在背景结构——这个结构必须明确指出并且不能有任何变化。它不受宇宙演化的影响，无论宇宙中发生了什么事，它都不会改变，超脱于我们建模研究的这个系统之外。它是一个固定框架，我们可以在上面悬挂各种与观测相关的事物，比如观测者、时钟等，但其本身不会变化。 而“宇宙之外空无一物”——也就是宇宙之外不存在观测者——这个描述的潜台词其实是：我们需要一种摆脱背景结构的物理学表述。我们现在拥有的所有物理理论，不管其形式如何，其实都只适用于宇宙的子系统，而不适用于宇宙整体，原因就在于它们都离不开背景结构。 如果我们创造宇宙理论的目标是为了在宇宙整体尺度上理解其运作机制，那么我们就必须摆脱哲学家罗伯托·昂格尔（Roberto Unger）和我所说的“宇宙谬论”——也就是误认为我们可以通过整合适用于宇宙子系统的各种理论的方式研究宇宙整体。 我们需要的动力学表述形式必须脱离观测者、测量工具以及系统外的任何事物。这就意味着我们需要一种完全不同的理论。 您最近就提出了这么一种理论——您在这个理论中指出：“宇宙的历史由针对宇宙自身的各种不同内部观构成。”这是什么意思呢？ 斯莫林的书架。除了科学论文，斯莫林还为公众写了6本科普书。图源：Philip Cheung for Quanta Magazine 这个理论有关过程，有关顺序，有关万事万物之间的因果关系，而与万事万物的内在性质无关。宇宙的基本元素应该是我们称之为“事件”的东西。而事件则在某一时刻、某一地点发生。每个事件中都存在动量、能量、电荷或者其他各种可测量的物理量。事件与宇宙中非该事件的一切都有联系，这些联系加在一起，就构成了该事件的宇宙“观”。 我们不采用从外部测量的量描述宇宙这个孤立系统，而是把它看作各种事件间的联系构成的整体。这里的关键之处在于，要尽力用“内部观”——也就是在宇宙内部观察到的宇宙的样子——重塑物理学的表述方式。 您是怎么做的呢？ 内部观有许许多多，每一种内部观都只含有该事件之外其余宇宙的小部分信息。我们认为，这个动力学系统的一大前提是，每种内部观都是独一无二的。这个想法来自莱布尼兹的不可分辨同一性原则。从定义上说，两个内部观可以完全互相映射的事件就是同一个事件。因此，每种内部观都是独一无二的，并且，你还可以通过定义一个称为“多样性”的量衡量不同内部观之间的差别。 图源：Science News 想象一下图表上的某个节点，你可以从那儿出发往外走一步，也可以走两步，走三步。每走一步都会给你一个新“邻居”：一步邻居、两步邻居和三步邻居。于是，对于你想知道其中差别的两个事件，就可以考察这个问题：在两个事件产生的内部观出现不同之前，最少要走几步？到了哪一步之后，它们的邻居就不一样了？ 产生不同之时需要的步数越少，内部观之间的差异就越大。这个理论认为，物理定律（系统的动力学机制）的任务就是让多样性最大化。实际上，把这条原则——大自然总是想要让多样性最大化——应用在我刚才描述过的背景框架中，就能导出薛定谔方程，因此，当限定某个合适的范围后，它也能推导出量子力学。 我从您的书中发现，您本质上是个“实在论者”——您坚信现实独立于我们对其的认知而存在——因此，您和爱因斯坦一样，都认为量子力学不够完备。那么，您现在提出的这个理论是否有助于填补您心目中量子理论缺失的部分呢？ 爱因斯坦——以及那个名叫莱斯利·巴伦坦（Leslie Ballentine）的哥们——主张对波函数（表征量子系统的数学方式）进行“系综诠释”。这个想法的核心在于，波函数描述了各种可能状态构成的整体（也就是所谓的“系综”）。然而，有一天，我坐在咖啡厅内办公时突然想到：如果系综真实存在，会怎么样呢？如果我们手上的这个描述单个水分子的波函数，其实也描述了宇宙中所有水分子状态构成的系综，那又会怎么样呢？ 所以，当我们像往常那样考察一个状态不确定的水分子时，按照您的说法，这种状态的不确定性其实正是宇宙中所有水分子的系综？ 没错。它们构成了整体，或者说系综，因为它们的内部观非常接近。宇宙中的所有水分子都在发生相互作用，因为相互作用发生的概率由内部观之间的相似性决定，并不一定需要两者在空间上足够接近。 图源：Quanta Magazine 不需要相互靠近就能产生相互作用？ 在这个理论中，内部观之间的相似性是比空间更加基础的东西。当然，两个在空间上比较接近的事件常常会拥有相似的内部观。如果两个人肩并肩站在一块，他们在宇宙中的内部观会大量重叠，非常相似。然而，相比像人这样的庞大、复杂客观实体，两个原子间拥有的关系性质则要少得多。因此，物理空间中相距遥远的两个原子仍能拥有非常相似的内部观。这就意味着，在最小的尺度上，存在非局域性极高的相互作用，这正是量子力学中的纠缠现象。根据实系综表述，这也是量子力学的根源。 《单子论》中的一段文章。这部作品是斯莫林新作的灵感源泉。图源：Philip Cheung for Quanta Magazine 这让我想起了当下正在开展的许多物理学工作，它们发现，量子纠缠和时空几何之间存在惊人的联系。 我觉得那方面的许多工作都真的很有意思。激发人们从事这项工作的是这样一个假设：纠缠是量子力学的基础，而空间几何，或者时空几何，诞生于纠缠结构中。这是一项非常积极的进展。 您刚才说到，您是受了莱布尼兹《单子论》的启发，才有了这些想法。您是正好把手头的《单子论》拿了出来，重新看了一遍吗？ 我第一次读莱布尼兹的作品是受到了朱利安·巴伯尔（Julian Barbour）的鼓励，当时我刚刚研究生毕业。我最先读的是莱布尼兹和牛顿理论信徒萨缪尔·克拉克（Samuel Clarke）之间的往来书信。在这些书信中，莱布尼兹批评了牛顿的绝对时空观，并且提出物理学中的可观测量应该是从相关性角度出发的。它们应该描述系统与系统之间的关系——这是系统间相互作用的结果。 之后，我就读了《单子论》。当初看这本书的时候，我对它的评价是：简要阐明了如何构建摆脱背景结构的物理学理论。我的确会时不时地就把手头的这本书拿出来看。书里面有一句很漂亮的话，莱布尼兹是这么说的：“同一座城市，从不同的角度看，就会表现得截然不同……宇宙也是这样，哪怕观测的是同一个宇宙，由于每个单子的内部观不同，得到的结果也多种多样、大相径庭。”就我而言，这句话形象地表达了为什么我们上面讨论的这些想法如此贴切——不仅在物理学领域如此，而且在各个领域（从社会政策到后现代主义艺术，再到生活在多样化社会中的个人感受）都是如此。不过，这就是另外一个话题了！ 斯莫林在他的“因果论内部观”框架下，做了一个简单的计算。这个理论描述了每个事件刚刚发生时与其他各种事件之间的关系信息，也就是事件的“内部观”。而宇宙就是在持续不断的新事件发生过程中成长起来的，并且还遵循着这样一条定律：所有这些包含着部分宇宙信息的内部观都会朝着彼此间多样性最大化的方向发展。图源：Philip Cheung for Quanta Magazine 您的工作受哲学影响很深。回望历史，爱因斯坦、玻尔和约翰·惠勒等人都以非常严谨的态度对待哲学，而哲学也直接影响到了他们的物理学理论。这似乎就是伟大物理学家的一大特质…… 也是平凡物理学家的特质。 好的，没毛病！如今，在物理学领域中谈论哲学好像几乎已经成了禁忌。您在物理学工作中的感受也是这样吗？ 完全不是这样。许多基础物理学领域的顶尖理论学家——这个领域的目标就是要深化我们对基础规律的认识——对哲学也有深刻认识。我在汉普郡学院念本科时，在物理学上下了很多功夫，同时也学习了一些哲学课程。然后，我就去了哈佛念研究生。那个时候，我的本意是想拿到物理学和哲学的双博士学位，但很快我就对哲学失去了兴趣。我的意思是说，物理学家其实已经够自大的了，但哲学家好像更是这样。 想想20世纪上半叶的欧洲，物理学在这里产生了诸多革命性的进展，像爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔这样为此作出了重大贡献的人在哲学方面都有很高的造诣，而哲学也开拓了他们的物理学视野。接着，就出现了转折，物理学开始朝着实用主义方向发展。从那时起，物理学研究的主流模式就变得反基础、反哲学了。 麻省理工学院的物理学史专家大卫·凯泽（David Kaiser）对此进行了细致研究。他研究了各种量子力学教科书和讲课笔记，终于发现了20世纪40年代到50年代间，哲学参考文献和基础性问题参考文献是如何从量子力学课程中消失的。弗里曼·戴森（Freeman Dyson）曾经说过，一般来说，年轻人是反抗者，而老年人则是守旧派，但在他这代人中，情况正好反了过来：年轻人根本不想听那些剪不断理还乱的哲学课程和基础性研究，他们只想跑出去，拿着量子力学大干一场。 这在20世纪40年代到70年代间的量子力学应用爆炸式发展（标准模型的建立、凝聚态物理等等）中，起到了重要作用。然而，此后基础物理学就开始止步不前，而其发展停滞的部分原因就是：我们遇到了一系列在这种实用主义至上的反基础研究文化中无法取得进展的问题。当然，我得明确一下，那些你可以假定我们了解相关规律的领域，比如凝聚态物理和天体物理学，仍在蓬勃发展。然而，如果你的目标是发现更深层次上的新定律，就需要再次同哲学家联手。好在，现在有这个意识并且付诸实践的人已经比以前多很多了。 当我开始和哲学家共同进行研究的时候，他们中的确有一些人真的相当了解物理学，但大多数哲学家对物理学的了解并没有到这种程度。而如今在物理哲学领域中耕耘的年轻人，大部分都相当了解物理学。物理学和哲学相互交融的日子又回来了，我觉得这肯定是件值得高兴的事。 |
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