物理学需要哲学哲学需要物理学

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　　翻译 朱科夫「反对哲学」是一位当代伟大的物理学家——诺贝尔物理奖得主、基本粒子物理「标准模型」的奠基人斯蒂文·温伯格（Steven Weinberg）——写的书中有一章的题目。温伯格雄辩地论证，哲学对物理学的损害多于帮助——尽管它有时可能提供好的见解，但它通常是物理学家自身不得不摆脱掉的紧身衣。更激进的是，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）写下了广为人知的一句话——「哲学已死」。他的理由是：过去往往由哲学家探讨的大问题现在都由物理学家接手了。类似的看法在科学家中广为流传，而且科学家们也毫不掩饰。美国科普界一位著名人物内尔·德·格拉斯·泰森（Neil de Grasse Tyson），用相同的风格公开宣称：「……我们了解膨胀的宇宙，……我们了解量子物理，……这每一项都远超整个哲学家群体坐在座椅里所能推导的范围，……（他们）本质上已经过时了。」

　　我不同意这些意见。在本文中我给出一些反驳的论证，我会论证哲学在科学的发展中始终扮演着必不可少的角色，尤其是物理学的发展；而且，大概将继续如此。这是一场由来已久的论战。关于这个，古典时期的雅典上演过有趣的一幕。那时，这个城市里正处在黄金岁月的青年们在著名的学校里受教育。其中有两所学校格外突出：伊索克拉底（Isocrates）的学校和柏拉图建立的学园（Academy）。两者间的竞争是白热化的，就像剑桥和牛津之间的竞争，但不仅仅是质量上的竞争：两个学派之间的教育方法迥异。伊索克拉底提供高水平的实践教育，教给雅典的年轻人当政治家、律师、法官、建筑师等所需的技能和知识。另一边，学园则着重于讨论关于基础的一般问题：什么是正义？什么应该是最好的法律？什么是美？物质由什么构成？柏拉图给这种发问的方式起了一个不错的名字：哲学。

　　那些做哲学的人，那些裁决着证明和论证的人 …… 习惯于质询，但对他们的实践职责却从不做出贡献 …… 即使他们恰好有能力掌控某事，他们也自动把它搞坏，而那些没有任何（哲学）论辩的知识的人，如果受到了（具体科学的）中训练并拥有正确的观点，实际上全都做得更出色。所以对于科学，哲学是毫无用处的。

　　碰巧，柏拉图学园里有一位优秀的年轻学生写了一篇短文，回应伊索克拉底的批评。这就是古代著名的文章——《劝勉篇》（Protrepticus）。它只有一部分留存了下来，而且我们只能通过对后人的大量引用进行重构，来了解这篇文章。由多格·哈钦森（Doug Hutchinson）和蒙特·兰索姆·琼森（Monte Ransome Jonson）领导的一批古典学者最近完成了一次对它的新的重构，现已可以在线阅览。《劝勉篇》大概是以给两种相反立场辩护的两人间的对话这种形式写成的。文本的现存部分，已足以让人理解这位年轻学生为给哲学辩护而回应伊索克拉底时所提出的主要论证。

　　这位聪明的年轻人创作完这个小册子之后离开了雅典，但最终又回来开了他自己的学园，且事业有成。他的名字正是亚里士多德。

　　科学和哲学2000年的发展不仅证明了 、 更有可能的是 还加强了亚里士多德为反对伊索克拉底指控哲学无用而替哲学做的辩护。他的论证现在看来仍相当中肯，我从中受到了启发，以在此回应当前这些认为哲学对物理学无用的断言。亚里士多德的第一个论证来自这样一个事实：

　　我将这件事分为两个方面：第一，以往哲学与科学之间的相关性；第二，哲学在今天是否就与科学无关了。我们先谈第一点。

　　时至今日，2000年过去了，在这期间，哲学和科学都得到显著的发展，哲学对科学的影响的历史证据数不胜数。

　　以下是从天文学和物理学中举出的一些表明这种影响的例子。我将只提几个例子。在古代天文学中，我们所知道的仅仅是地球是圆的，以及它的大小，还有太阳和月球的大小，地球到日、月的距离，行星在天空中的运行，和现代天文学与现代物理学得以萌生的一些基础；而这种古代天文学正是哲学的直接产物。引发了这些进展的核心问题都是在学园（Academy）和吕克昂（Lyceum）中提出来的，并且这些问题都是来自于理论而非实践的关切。尽管很多个世纪之后，伽利略和牛顿从先前的物理学和天文学 —— 尤其是亚里士多德主义的世界观 —— 向前迈出了巨大的步伐，他们仍然很大程度上依赖于以前得到的成果。伽利略和牛顿扩展了之前的知识，对其进行重新解释、重新构造，并且在其上构筑新的东西。尤其是伽利略的思考，如果没有亚里士多德的物理学，就会显得不可理喻。更重要的是，如果没有伽利略对柏拉图思想的追溯，即对隐藏在表象背后的理想数学秩序的追寻，其工作也是不可理喻的。伽利略受一种狂热的柏拉图主义的指引。牛顿在其著作中，也清晰地表明了他的许多想法对古代哲学、尤其是德谟克里特的借鉴，例如空无一物的空间、原子论、自然直线运动等概念，这些最初都源自哲学上的动机。此外，他关于时间、空间本质的重要探讨正是建立在他与笛卡尔之间的讨论和辩驳。

　　不过，哲学对物理学的直接影响决不只限于近代物理刚诞生的时期。在每一步重要进展中，都能看出来这种影响。例如20世纪：20世纪物理学的两大进展就受着哲学的强烈影响。如果没有了关于时间的哲学，它们就会不可理喻。量子力学萌发于海森堡（Heisenberg）的一种直觉，这种直觉根植于他察觉到的当时他所处的强烈的实证主义哲学氛围：只限于对那些可观测的事物，人们才能获得知识。海森堡1925年的奠基性论文明确谈到这一点：

　　同样，明显是一种哲学上的态度，引导了爱因斯坦发现狭义相对论：把范围限制在可观测事物上，我们就认识到同时性这个概念是有误导的。爱因斯坦明确承认了他对马赫和庞加莱的哲学著作的借鉴。没有这些思想的输入，他的狭义相对论也将是不可理喻的。尽管不是来自同一种影响，物理但是爱因斯坦的广义相对论所受的哲学影响甚至更强烈。他再一次明确承认了他对哲学的借鉴，这次是来自莱布尼茨、贝克莱和马赫的批判性思考。爱因斯坦与哲学之间的关系确实很复杂：比如他承认对他来说，叔本华曾有过令他信服的影响。这一点在他的物理学中就反映得不大明显，但是叔本华关于时间和表象的观念，可能不难从爱因斯坦导向了广义相对论的想法中辨认出来；这种影响也被人们研究过。这位20世纪最伟大的物理学家年轻时，居然有着如此明显的对哲学的关注——他在15岁时就阅读康德的三大《批判》——这真的是个巧合吗？为何有这些影响？因为哲学可以提供产生新的想法、新颖的视角、和批判性思考的方法。哲学家拥有物理学所需的工具和技能，但在训练和培养物理学家时这些东西却缺失掉了：概念的分析，对含糊性的关注，表达上的精确性，在标准的论证中找出缺漏的能力，创造出全新的视角，发现概念上的薄弱环节，找出备选的其它概念性解释。对此没人比爱因斯坦自己讲得更好了：

　　关于历史和哲学背景的知识给了我们得以摆脱同一代大部分科学家所陷入的偏见的那种独立性。这种由哲学洞见带来独立性——依我的观点——是把单纯的手艺人或专家与真正在追寻真理的人区别开的标志。

　　因而，如果去读最伟大的科学家们说过的、关于哲学的用处的言论，比如海森伯、薛定谔、玻尔、爱因斯坦，我们会发现他们表达的意见完全跟霍金、温伯格相反。下面是亚里士多德的第二个论证：

　　这决不是乍一看起来那么无聊。让我们来审视一下温伯格和霍金写下了什么。他们二人都获得过重大的科学成果。比如温伯格，找到了描述基本粒子之间相互作用的正确的对称群，而霍金则发现了黑洞是热的，并且计算了它们的温度。在做这样的事情时，他们在搞科学。在写下「哲学对物理学没有用」或「哲学已死」之类的东西时，他们不是在搞物理。那么他们在干什么？他们是在反思什么是发展科学的最好方式。

　　这里的问题就是科学方法论（methodology of science）。科学哲学中一个中心关切当然是仔细追问：做科学是怎么做的，以及有可能怎么做就会更有效。优秀的科学家会反思他们自己的方法论，而且温伯格和霍金也的确这么做了，这很好。但又怎样呢？

　　他们表达了有关科学方法论的一种明确的（certain）观念。这就是关于科学一贯如何运作以及应当如何运作的永恒的真理？这就是对我们现有的科学的最佳理解？

　　都不是。追溯这种观念的来源其实并不难。它源于逻辑实证主义的背景，而逻辑实证主义后来又被波普尔和库恩所修正。当下理论物理学中占主流的方法论意识形态，就是从他们二人的可证伪性和科学革命这两个概念而来，二者在理论物理学家中十分流行；它们常被提及，并被普遍用于指导研究方向和评估研究工作。

　　因此在断言哲学无用时，温伯格、霍金和其他「反哲学」的科学家们实际上正是在向某些科学哲学家们（philosophers of science）致敬，他们或是曾阅读过其作品、或是在他们所处的环境中吸取过其观念。这种印记是不可能出错的。当他们把哲学视作一堆伪命题——伪命题是指，组成这种命题的字词没有真实的含义（proper meaning）一堆被反复地像内尔·德·格拉瑟·泰森那样嘲讽的东西，这些批评都不难追溯至维也纳学派的反形而上学立场。在这些反对哲学的诅咒背后，人们几乎能听到维也纳学派的口号：「不要形而上学！」

　　于是，当温伯格和霍金声称哲学无用时，他们其实是在表达他们对一种特定的科学哲学的支持。原则上，这倒没有什么错；但问题是，它并非一种很好的科学哲学。

　　一边是牛顿、麦克斯韦、玻尔兹曼、达尔文、拉瓦锡和如此众多的大科学家们，他们以（跟上述立场）极为不同的方法论观点进行工作，做出了非常棒的科学工作。另一方面，自卡尔纳普、波普尔、库恩以来，科学哲学一直在发展，并认识到科学得以有效开展的方式远比这几个思想家的分析中所描绘的那样更为丰富和微妙。温伯格和霍金的错误在于把某种特定的、受限于历史条件的、对科学的有限的理解，当作好像是科学自身永恒的逻辑似的。他们的立场的弱点在于没能认识到其脆弱的历史偶然性。他们把科学当作具有一种明确的、不容争议的方法论的学科，好似从培根到探测出引力波以来一直丝毫未变，或者好似我们在做科学时应该做什么和怎么去做都是完全显然的。实际情况与此大为不同。科学在不断重新思考着对自身和对其成就、方法、工具的理解。这种灵活性对于它的成功十分重要。让我们考虑一些物理学和天文学中的例子。在希帕克斯和托勒密异常成功的预测性理论的启发下，天文学的真正目标就是找到轮子的恰当组合，来描述围绕地球旋转着的天体的运动。但与预期相反，事实表明地球它自己也是这些天体中的一个。而且尤其在哥白尼之后，真正目标变成找到运动天球（moving sphere）的恰当组合，来描述围绕太阳旋转着的天体的运动。但又一次与预期相反，事实表明，抽象椭球形轨道比球形的更好。后来到了牛顿之后，物理学的目标逐渐清楚了，就是去找到作用在物体上的力。与这一计划相反，事实表明，世界最好是用动力学的场而不是物体来描述。在法拉第和麦克斯韦之后，事情清楚了，物理学是要去找随着时间流逝的、位于空间中的运动定律。与假设相反，事实表明，时空自身也是动力学的。在爱因斯坦之后，事情终于清楚了，物理学必须只去寻找自然中的决定论定律。又与预期相反，事实表明我们最多给出概率性的定律。诸如此类。对于科学家们心中所认为的科学是什么，有过不断变化的定义，比如：从被观测现象推出的一般定律，找到自然的终极组成，解释经验观测中的规则，找到能把这个世界讲得通的暂时的概念框架（最后这一个是我喜欢的）。

　　科学不是照着刻在石头上的方法来做的项目，有着限定好的客体，或者有个固定的概念结构。它是我们为了更好地理解世界而永远在演进着的努力。在它的发展过程中，它会一再违背它自己的准则和它自己宣称过的方法论假定。

　　当下一种对于科学家究竟在干些什么的常见的描述 —— 正如我们今天在学校学到的那种 —— 就是收集数据（观察、实验、测量）并以理论的形式讲通这些数据。数据和理论之间的关系是复杂的，人们对此远没有达成共识，因为并不清楚我们是怎么从数据得到理论的，而且也不清楚数据本身又是怎样承载着理论的（theory-laden）。但是让我们忽略掉这一点。随着时间推移，我们获得了新数据，理论也在演化。在这种图景里，科学家被描述为理性的存在者，他们用他们的才智 —— 一种特殊的语言、也是一个良好地建立起来的文化的和概念的结构 —— 来做这个游戏。

　　这种图景的问题在于，这个概念结构也在演化。科学不仅仅是我们不断增加的关于这个世界的经验信息的总和与一串改变着的理论，它也是我们概念结构的演化进程。它是我们在既有知识水平上，对把握这个世界的最佳概念结构的不断追寻。对概念结构的修正需要从我们自己的思考中获得。这非常像奎因（Quine）经常引用的奥托·纽拉特（Otto Neurath）写下的那个美妙比喻 —— 一名水手只能在他航行的途中修补自己的船。「学习」和「概念转变」这两者的互相缠绕，这种灵活性，和这种方法论与目标的不断演化，在历史上发展成了实践科学与哲学反思之间的持久对话。这是为什么很多科学被哲学反思所深刻地影响的进一步缘由。科学家的这种观点，无论他们喜不喜欢，是渗透着哲学的。

　　不是因为哲学能对科学的正确方法论一锤定音（这正是与霍金和温伯格的哲学立场相对立的），而是因为哲学中有很多概念工具可用来处理概念的连续变迁。那些否认哲学在科学进步中所起的作用的科学家，正是那些自以为找到了终极方法论的人。结果是，他们的头脑对将来所需的概念灵活性更加封闭。他们是被他们所处时代的意识形态俘获的人。我认为可以给出一个更强的例子。我相信近几十年理论物理学的突破之所以相对贫乏，原因之一就是今天许多物理学家把错误的科学哲学当作宝贝。波普尔和库恩 —— 在理论物理学家中如此受欢迎 —— 对于好科学的工作方式的一些重要方面提供了启发，但他们的科学图景是不完整的。我怀疑，如果把他们的见解当作约定俗成并且一概接受，就会误导科学研究。我们来看看为什么是这样。

　　库恩对于非连续性和不可通约性的强调误导了很多理论物理学家和实验物理学家，让他们轻视科学知识的可怕的积累性方面。波普尔对于可证伪性的强调 —— 这本来是一种划界准则 —— 也已经被误解为是用于评价的准则。这两者的结合产生了灾难性的方法论混淆：在寻找新理论时，过去的知识是无关紧要的；而各种还没被证明的想法都同样有趣，各种还没被测量到的效应都同样可能发生，理论家的工作就在于让任意的可能性从天而降，然后发展它们，因为所有没被证伪的东西事实上都有可能是正确的。

　　这就是当下的「干嘛不做？」意识形态：任何新想法都值得研究，仅仅因为它还没被证伪；任何想法都有同样的可能性，因为在知识的路途上往前走一步就会出现在过去知识基础上无法预知的库恩式不连续性；任何实验也都同等有趣，只要它检测了什么没被测过的东西。

　　在无边界的可能性空间中任意地跳跃，从不是做科学的有效方式。原因在于两方面：首先，可能性实在太多，纯靠碰运气找到好的选择的概率可以忽略不计；更重要的是，大自然总是在震惊我们，我们这种有限的生物远不如我们自认为的那样富有创造力和想象力。当我们觉得自己试探得够广的时候，大多数情况我们只是在变了方式地老调重弹：真正能起作用的创新不是仅凭猜测就能找到的。那些真正起了作用的最剧烈的概念转变和最离经叛道的想法，事实上总是严格地被激发出来的，并且几乎是被海量的新数据、或对现有成功理论的内在矛盾的全面分析所倒逼出来。科学是靠连续性来运作，而不是靠不连续性。

　　前者的例子 —— 被数据逼出来的创新 —— 是开普勒的椭圆和量子理论。开普勒不只是「冒出来了」运用椭圆的「想法」：在他看见椭圆之前，大自然不得不把椭圆「泼撒」到他脸上。他用椭圆来近似模拟火星的本轮-均轮运动，并震惊于这种近似比他原来的模型效果还好。类似地，20世纪初的原子物理学家长时间与基本定律中蕴含的不连续性概念斗争，竭尽所能地拒绝光谱学已经给出的明确信息，换句话说，力学的最核心部分其实已经出现了不连续性。这两个例子中，重要的新想法都是在数据面前被迫出现。

　　第二种情况的例子 —— 由旧理论而来的激进的创新 —— 是日心体系和广义相对论。无论是哥白尼还是爱因斯坦，都没有显著依赖于新数据。他们都从对成功的、被公认了的理论进行深刻分析开始：托勒密的天文学、牛顿的引力和狭义相对论。他们从中发现的矛盾和原因不明的巧合，开启了通向新的概念构想的道路。

　　无论哪种情况，都不是仅从尚未被证伪的理论中捞出一些，然后对它们带来的结果检测一下。相反，是基于广泛且不断积累着的经验和理论知识的、对归纳法的巧妙的运用，提供给了我们前行的线索。认真地考察在经验上已获得成功的洞见，我们才能前行。爱因斯坦的「相对论」不是个「新想法」：它是爱因斯坦对伽利略相对论为何在很大范围能成立的领悟。这里没有不连续性：事实上，这是一种最佳的连续性。这是面对那些人仅仅因为麦克斯韦方程就急于抛弃速度相对性时，爱因斯坦表现出来的极富洞察力的「保守主义」。

　　我认为这个教训被太多的当代理论物理工作忽视了，大量研究方向都太急于抛弃掉我们关于大自然所找到的东西。

　　讽刺的是，其实近来的实验物理重大进展正是对今天理论物理中随意猜测作风的反驳。最近，基础物理中出现了三大实验结果：引力波、希格斯粒子、高中物理学习方法北大LHC中超对称的缺失。这三者都验证了旧的物理学，并否证了那些广为传播的猜测。在这三个例子中，大自然告诉我们：不要如此随意地猜测。让我们更仔细地看看这几个例子。

　　对引力波的探测——这已被授予了诺贝尔物理奖——是对问世一个世纪之久的广义相对论的完全证实。但不仅如此。最近几乎同时探测到的双中子星合并所带来的引力和电磁信号（这一事件称为GW170817）以14个数量级的程度一次性提高了我们对引力和电磁场传播速度之比的认识。我们经验知识的这一重大积累的后果是，我们不得不排除掉一大批广义相对论的替代方案，一大批理论学家近几十年一直在研究这些方案——同时证实了百年之久的广义相对论才是目前关于引力的最佳理论。

　　希格斯粒子在CERN被探测到之事已被广为宣传，这证实了粒子物理的标准模型（由温伯格等人所创立）是高能物理的现有最佳理论，反驳了受到很多关注的后续替代方案。

　　当大型强子对撞机在日内瓦已投入运行时，CERN对发现希格斯粒子的强调，也隐瞒了高能物理的这一特殊探索中暴露出的真正意外：超对称粒子并不存在，尽管一代理论物理学家期待能找到它们。尽管笔墨汇聚成河、遐想不断飞驰，极小超对称标准模型（minimal supersymmetric standard model）却突然发现自己陷入深层的困境。所以，大自然再次严肃地回绝了大批理论物理学家所相信的这些任意的猜测。我认为，大自然对理论物理学当下的方法论的一再息慢，应该能引发我们在哲学态度上保持一定的谦虚，而不是狂怒。

　　我怀疑这个问题一部分就出在占主导地位的波普尔和库恩思想误导了当下的理论探究。物理学家对已确立的成功理论太不当回事。由于库恩对横跨科学革命的不可通约性的强调误导了他们，他们不能从人们已知的东西上建构，而这（从已知的事情出发）正是科学一直在前进的方式。一个很好的例子就是，许多想把引力统合进基础物理其它部分的尝试，都抛弃了广义相对论中的背景独立性。

　　此外，对可证伪性的强调，使许多物理学家陷入对科学知识的一个根本方面的无知：即，可靠性是有程度的，并且可信赖的程度可以达到非常之高，即使没达到完全的确定。这种无知导致了一种双重的负面效果：在科学的进展中把已成功理论中的洞见当作无关紧要（因为它们可能明天就被证伪），以及不懂得一种探索即使还没被证伪也可能只有很小的可信度。

　　科学事业是建立在可靠性的程度上，基于新的数据或新的理论发展，这种可靠性会被持续更新。科学界近来关注的对确证的贝叶斯式解释，在科学哲学中是很常见的，但在理论物理学界多半被无视掉了。在我看来，这是具有负面效应的。

　　我在这里想要做的不是一种对波普尔和库恩的批评。他们的著作是清晰而富有洞见的。我想指出的是，对他们观点的一些头脑简单的理解版本，被很多物理学家太随意地当成了科学方法论的最终定论。

　　当代物理学远远没有对哲学「免疫」，而是深刻地受哲学影响。但是缺乏认识到这种影响所需的哲学意识，并拒绝聆听那些尝试对此进行弥补的哲学家，是物理学的弱点的来源。下面是《劝勉篇》里的最后一个论证：

　　今天的基础物理正在经历一轮深刻的概念转变，这是因为广义相对论和量子力学的成功，和目前依然缺失一种能被人们认可的引力的量子理论这一情况所导致的公开「危机」（在库恩的意义上；我倒是宁愿称为「机会」）。这就是为什么一些科学家，包括我自己这种做量子引力的，更敏锐地察觉到了哲学对于物理学的重要性。

　　下面列举一些当下最理论物理中探讨的话题：什么是空间？什么是时间？什么是现在？世界是决定论的吗？我们需要引入观察者来描述自然吗？物理学是根据「实在」来架构还是根据「我们的观察物」来架构更好，或者还有第三种选择？什么是量子波函数？究竟「涌现」意味着什么？意在刻画宇宙全体事物的理论有意义吗？认为物理定律也在演化这种想法有意义吗？对我而言，探讨这些话题，来自过去和当下的哲学思考的养料显然不容忽视。

　　在圈量子引力这一我本人所在的技术领域中，牛顿时空被重新解释为在量子意义上呈现为颗粒状的、概率性的、涨落着的某种事物所展现出来的东西。空间，时间，粒子和场融为一个单一的实体：一种并不存在于时间或空间中的量子场。这种场的变量只要求子系统间相互作用的明确性。这一理论的基本方程没有显式的时间或空间变量。几何只在近似中出现。客体存在于近似中。实在论被一种强烈的关系论所调和。我认为我们物理学家需要跟哲学家一起探讨，因为我认为我们弄通这些东西需要他们的帮助。最后，我想再简要谈几句相反方面的问题：科学对于哲学的相关性。

　　我之所以要谈这个，只是因为：科学界一些反对哲学的表态，不过是对哲学和其它人文学科某些领域中的反科学态度的一种回应。

　　现在后海德格尔（post-Heideggerian）氛围统治了「大陆」的一些哲学系，在其中，对科学的无知成了值得自豪表现的事情。科学不是「真正的」知识；它错失了真的知识。「……植物学家的植物不是田畔花丛；地理学家标定的河流『发源处』不是『幽谷源头』。」这种语境暗示着只有「田畔花丛」和「幽谷源头」才是重要的。

　　另一个今日知识界的分支 —— 社会学中也有一例：「任何人都没有义务要采取某种特定的世界观来描述20世纪的科学发展」。这种论调要么是无聊的（「没人强制你有智力」），要么是误导性的，所谓「误导」，在词源学意义上讲，就是「导向错误的方向」。

　　我现在明白了这一点：正像最好的科学紧密联系着哲学一样，最好的哲学也将紧密联系着科学。过去显然一直是这样：从亚里士多德柏拉图，到笛卡尔、休谟，到康德、黑格尔，到胡塞尔、路易斯，最优秀的哲学总是紧密地与科学协调。过去不曾有任何一位伟大哲学家，不时时刻刻严肃地对待他们时代的科学所提供的知识。