質樸的選擇

阿　巍

耶和華對亞伯拉罕說：“如果不是由于我的緣故，你就根本不存在！”“是的，我知道”，亞伯拉罕回答道，“但是，如果不是因為我的緣故你也不會被知道。”

——一個古老的傳說

美國著名理論物理學家J.A.惠勒是現代宇宙學領域的一個開拓者，他曾首先預言“黑洞”的存在。近年來，他熱衷于物理學最根本問題的研究，提出所謂“質樸性原理”。《物理學和質樸性》是惠勒一九八一年來華講學的演講集。雖然寥寥數萬字，卻妙趣橫生，發人深省。即使是對物理學、宇宙學知之不多的讀者，也絲毫不會感覺艱深晦澀，值得一讀。

惠勒十分推崇中國古代的文化思想。他的每次講演，幾乎都要提到當年玻爾在中國發現陰陽太極圖，把它當作量子力學“互補原理”的最好標志這件往事，他看舞劇《鳳鳴岐山》，得知姜子牙指揮一切的旗上寫的就是“無”——NOTHING異常興奮，因為這和“質樸性”不謀而合，他所倡導的這種科學哲學觀竟也在東方的遠古找到了思想的先驅。

物理學大廈越宏偉，越包羅萬象，她的基礎也就越令人關心。如果說，相對論深刻地改變了牛頓以來的絕對時空框架；那么，關于量子的理論則從根本上動搖了經典物理學的基礎，它那異乎尋常的觀念是那樣不可思議！即使是象愛因斯坦這樣的大師，也對量子力學的種種提法很不放心，質疑問難，百般挑剔。人們常常提到一個著名的理想實驗，有兩個小孔，它們先后被打開和同時被打開。如果光子(或電子)通過這兩個小孔，在接收屏上出現的竟是兩種截然不同的圖景。也就是說，光子在這兩次實驗中，走的不是同樣的路線，通過同時打開兩個小孔其中任一小孔的光子并不一定走或先或后只打開一個小孔時它所走的路線。奇怪的是，光子又怎么知道另一個小孔開著還是關著，從而決定自己該走哪條路線呢？同樣的光子，既能穿過一個給定的小孔，又能穿過兩個小孔中的任一個，而光子又是不能分裂的。愛因斯坦對此很不以為然，玻爾卻強調這里討論的是兩個實驗。在他們曠日持久、友好而又激烈的論戰中，各自理解的“實在”和觀察到的“現象”之間的關系是不一樣的！這的確也并不是什么不言而喻的問題。

惠勒以為，人們只有在最后一刻，即“光子已經完成它的旅程之后，才決定它到底是經過一條路徑還是兩條路徑而來的。”(第4頁)如果用海森伯的話說，就是“只有在觀察的瞬間才顯現為時空現象，而關于其在兩個觀察之間的中間時間內的任何直觀的物理陳述，都是毫無意義的。”(《嚴密自然科學基礎近年來的變化》第142頁)即光子在被觀察到以前是無法也不能說出其行為的。就象談論光子的途徑本身一樣，抽象地談論“現象”也是沒有意義的，“除非這個現象已由不可逆的作用使之成為既成的事實。”“基本的量子現象只有當它被觀察到時才是一個現象。”(第13頁、第4頁)因為一切關于微觀客體的知識，都是依據實驗現象例如我們觀察到光子在屏上的圖景這樣的結果，反推得知的。光子的信息，實際上是由觀察者所選擇的實驗條件、儀器和方法觀察到的，較之玻爾所議論的觀察本身固有的不可逆性，惠勒更強調選擇——這就是他反復論述的“延遲選擇”。實驗的選擇影響實驗的結果，“所得的答案依賴于所提出的問題、所安排的實驗以及所選擇的儀器，我們自身不可回避地要介入‘什么要發生這一問題。”(第6頁)重要的是，不可能兩個實驗同時進行，不能預先肯定任何一個給定的實驗將指示什么。

的確，人們為了擴大感知的范圍，加強認識的可靠性，引進實驗儀器，克服感官的限制，但是同時也使儀器本身介入實驗觀察過程，儀器本身的作用總要對觀察的對象施加影響。事實上，這種影響并不是任何情況下都可以忽略不計，盡管在經典物理學處理問題時常常是被忽略的。如“溫度”這一物理量，物體的溫度是通過溫度計測量得到的。測量游泳池的水溫，我們認為溫度計標志的就是實在的水溫，但是如果水變得越來越少，少到與溫度計本身的尺度差不多。這時，還能不考慮這個溫度計對水的溫度會有什么影響嗎？溫度計標志的水溫還是實在的嗎？進一步問，實在的水溫測得到嗎？當然可以采用更精密細致的儀器測量，但無論如何總有一個極限，倘若你想消去溫度計對水的影響，那又要借助于其他的儀器，于是陷入無窮的窘境，越陷越深，不可自拔。“測不準原理”實際上說出了這個意思，使用經典概念描述微觀客體，原則上應有一個精度上的限制。任何實在的物理量，都是由儀器觀測得到的，嚴格地說，觀察到的總是依據某種先行理論設計的實驗及其儀器進行觀測的現象。

不僅如此，純粹的觀察也是沒有的，任何觀察經驗都離不開理論的背景，否則它將是盲目或無價值的。觀察活動中的每一步驟及成分(目的、方法、工具、表述等)都有賴于先行理論的指導，所啟示的期待以及觀察者所受過的特殊訓練，包括假設、聯想、推理等一系列自覺理性行為。觀察滲透著理論，由于這種不可分性，對于常識或舊的理論背景，公認不可觀察的東西，在新的理論背景下，就有可能是可以觀察得到的。同樣面對太陽東升西落，月行星移，哥白尼就看到了托勒密地心說看不到的地球環繞太陽運轉。“是理論決定我們能夠觀察到的東西。……才能使我們從感覺印象推論出基本現象。”(《愛因斯坦文集》第一卷211頁)理論背景的深化，知識框架的重構以及實驗手段的改進，都帶來觀察范圍的擴展延伸，現象是可以不斷地被發現的，甚至可以說，科學的進步也就是現象從不可觀察向可觀察的轉化過程，它們之間并沒有一道不可逾越的鴻溝。然而，我們又必須承認，在觀察到這個現象之前，的確還不成其為“現象”。

人們曾以為宇宙獨立于任何觀察者面存在；電子在任一瞬間都有確定的位置和動量；時間和空間似乎只是一張巨大的記錄紙，被動地運載著過去、現在和將來。“對這個呆板的圖景，量子論卻強加了一個無比生動的修正。它說，被我們稱之為過去的那個時空，過去的那種事件，實際上是由前不久的過去以及現在所實現的選擇測量來決定的，由于這些決定所實現的現象，可影響到過去，直至宇宙之始。此時此地所用的觀察儀器，對于我們認為是過去已經發生了的事情來說，確實有一個無可回避的作用。說世界獨立于我們之外而孤立地存在著這一觀點，已不再真實了。在某種奇特的意義上，宇宙本是一個觀測者參與著的宇宙。”(第16頁)這里，我們大家既是觀眾(觀察者)，又是演員(現象的組成)。

今天，人可以對宇宙這樣說，每一個現象都依賴觀察這種行為，沒有我所進行的這種觀察，你也就失去了意義。

六十年代后，有人提出，人在宇宙中雖然并不居于中心地位，但必須優越到足以成為觀察者而存在，這需要某種特定環境。他們進而指出，宇宙及其基本物理常數必須容許在一定階段產生出智能生命，從而才談得上宇宙自身被認識，這就是“人擇原理”。

早在三十年代，狄拉克發現，把宇宙大尺度世界和微觀世界的特征物理常數聯系起來考慮，如氫原子靜電力和萬有引力之比、以原子時間量度的宇宙年齡、以質子質量表示的宇宙總質量等等，都與10這個大數有關——僅僅是巧合嗎？半個世紀以來，多少科學家為這個“大數之謎”背后可能蘊藏的深刻相關性絞盡腦汁，設想過種種方案，卻也招致了更費解的麻煩。“人擇原理”認為，之所以有種種巧合，正是因為作為觀察者的人采用了從大爆炸到現在的時間間隔——宇宙年齡這一特殊的與人相關的值，宇宙年齡如果太短，恒星或未形成或還很年輕，不具備形成生命所必需的重元素；太長的話，恒星又耗盡了光和熱，變成了白矮星、中子星甚至黑洞，只有在恰到好處，人類出現；況且太空中恒星的穩定正是受到電磁力和萬有引力某種比例的制約，否則，便不會有太陽、地球，不會有生命，更不會有誰去討論如此這般的“巧合”了。一句話，正是這些巧合，表征了我們人類生活在其中的物理世界；表征了我們人類認識宇宙的必要條件。

恩格斯在一百多年前就指出，思維的生物“是在具備了條件(這些條件并非在任何地方和任何時候都必然是一樣的)的任何情況下都必然要發生的。”(《自然辯證法》第186頁)惠勒也曾設想具有不同物理常數、特征條件的無限宇宙系綜。但其中絕大多數是流產了的宇宙，因為統治這些宇宙的物理定律不允許它產生令人感興趣的事情，只有一開始就恰如其分的宇宙才能夠最后變得有“自我意識”(見《科學與哲學》一九八○年第六輯214頁)。與其說“人擇原理”是用物理學，不如說是用哲學來解釋“大數之謎”——并不是宇宙演化的任何條件都允許認識主體產生，人只能在我們這個宇宙的特定條件下存在，她在認識宇宙時當然不可能回避這種“巧合”，人類所選擇觀察的是一個允許其認識主體觀察的宇宙。實際上，選擇是互相的，就人不過是形形色色的宇宙中一個具備條件的產物而言。恰恰又是宇宙選擇了人。人是我們的宇宙的人，我們的宇宙是人的宇宙。對此正是根本沒有什么選擇余地的。

“這個世界為什么是今天這個樣子呢？”因為有上帝(科學家)嗎？因為第一次推動(牛頓)嗎？因為千載難逢的機遇(目的論)嗎？……因為世界不能不是“巧合”的這樣——“人擇原理”如是說。

“我們的自然科學的極限，直到今天仍然是我們的宇宙，而在我們的宇宙以外的無限多的宇宙，是我們認識自然界時所用不著的。”(《自然辯證法》第215頁)重讀恩格斯的這段名言，能不為之激動嗎？現行的物理學概念只對大爆炸以后的宇宙狀態有效，“不僅粒子和場本身來自‘大爆炸，就連物理定律也是來自大爆炸的。……并沒有一塊預先刻定了物理定律的花崗巖。”(第19頁)因為我們所采用的時空量值在大爆炸奇點等于零，物理學定律在那里也就失去了意義。奇點之前并不意味著什么也沒有，但是如果以現行的概念、定律去討論那樣的問題，當然只能是一種無法企及的奢望。

“朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋”，“在玫瑰的眼中，從來不知園丁會死”。盡管晦朔、春秋和園丁之死都是客觀存在的。問題是，如果它們的智慧足夠發達，它能推測它的生前身后發生了什么嗎？對人來說，我們不僅歷經滄桑，觀察到眼前星空燦爛；還追溯了曾經發生的大爆炸、預言未來的壯麗圖景。那么，人根據自己宇宙的現象，又能不能推知其它的宇宙、天外之天呢？——這個問題的提出也許要比對它的回答更令人深思！

“上帝在擲骰子時，對結果是不能預言的。”(第8頁)看來，上帝不僅在擲骰子，而且還把骰子擲到人看不見的地方。雖然人大可不必去告訴上帝應當如何擲。可是上帝又為什么偏偏要對人保守秘密呢？

有人說，宇宙不僅比我們想象的要古怪，而且比我們能想象的更古怪。“但是，這一切是如此簡單，世界只能是這樣，它怎么可能是其它樣子呢！？”(第23頁)這種簡單性，也就是惠勒希望人們認真對待的質樸性——物理學是當代科學的驕子，整個物理大廈卻建筑在一無所有之上，從一無所有我們導出幾乎所有。“物理學曾是科學中最質樸者，它應當更加質樸。我們的任務是不輕的，決不能想當然地一蹴而就。物理學是一扇神奇的窗戶，它使人們在實在的后面看到幻覺，而在幻覺的后面則又是實在！物理學的范圍遠遠超過我們已實現了的東西。我們并不滿足于只了解粒子、場、幾何、時間和空間，今天，我們還要求物理學去理解存在本身。”(第28頁)正如這本書的編者方勵之教授所說，近代科學就是在這個世界、人類文明整體中繁衍出來的。科學之所以有今天這樣的功利，那是與它賴以生長的過去分不開的——歷史中就含有一切！

(《惠勒演講集·物理學和質樸性》，方勵之編，安徽科學技術出版社一九八二年八月第一版，0.35元)