標準模型哲學(xué)之思論文
什么是構(gòu)成宇宙的終極粒子？從古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出原子的存在開始，無數(shù)的理論家和實驗家為解開這一謎團已經(jīng)奮斗兩千多年，直到來自ATLAS和CMS合作組的科學(xué)家同公布，大型強子對撞機（Large Hadron CoHider，簡稱LHC）取得了重大進展--發(fā)現(xiàn)存在希格斯玻色子的證據(jù)。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)檢驗和發(fā)展了粒子物理的標準模型，我們現(xiàn)在對微觀世界的理解是按照量子場及其相互作用來定義的，在現(xiàn)代所有的關(guān)于量子場及其相互作用的理論中，最成功的就是粒子物理的標準模型。標準模型描述物質(zhì)的已知基本成分以及它們之間的強、弱相互作用力和電磁力的理論。在過去的四十年，標準模型精確地解釋了大量高能粒子現(xiàn)象（1Gev-1Tev），甚至還能為“夸克幽禁”及其“漸進自由”等特殊現(xiàn)象提供說明，特別是粲夸克和反粲夸克所形成的J/Ψ介子，以及W和Z玻色子、膠子、頂夸克及魅夸克的發(fā)現(xiàn)，都證實了標準模型所預(yù)先構(gòu)想的結(jié)構(gòu)。
隨著當(dāng)代科學(xué)前沿的新進展，也推動著物質(zhì)范疇、物質(zhì)世界的起源及構(gòu)成等哲學(xué)問題的深化理解。正如迪昂所言“如果物理學(xué)理論的目的是說明實驗定律，那么理論物理學(xué)就不是自主的科學(xué)；它從屬于形而上學(xué)�！�
一、本體論背景中的實在論轉(zhuǎn)向
世界是什么？世界中存在何種事物？不僅是困擾物理學(xué)家也是哲學(xué)家重要的議題。由于物理學(xué)的發(fā)展，不斷創(chuàng)造了構(gòu)成世界的新的實在。
�。ㄒ唬┙�(jīng)典實在論，也可以成為“實體論”，主張實在就是各種實體的總和，認為存在一個真實的外部世界，其性質(zhì)是確定的，物體擁有諸如速率和質(zhì)量等物理性質(zhì)，并具有明確定義的值，在空間中占有一個確定的位置，占據(jù)一定的體積，是客觀存在的，與感知它們的觀察者無關(guān)。經(jīng)典實在論與經(jīng)典物理學(xué)的理論以及我們的日常經(jīng)驗相一致，正如人們“最原始的概念之一便是一個客觀物體。一棵樹、一匹馬以至一個任何物體的概念都是根據(jù)經(jīng)驗得來的創(chuàng)造物�！苯�(jīng)典物理學(xué)以具有不變的屬性規(guī)定物體的實在性。
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隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典實在論開始出現(xiàn)了危機，難以再去解釋量子理論下的物理事件。量子物理學(xué)家已經(jīng)不再像十九世紀物理學(xué)家那樣設(shè)想把整個物理學(xué)建筑在純粹實物的概念基礎(chǔ)上，而是創(chuàng)造了關(guān)于實在的新的重要特色：首先，物體不再具有確定的、唯一的形態(tài)。在經(jīng)典物理中被看做實體基本特征（如質(zhì)量、速率、廣延性等）不再是不變量，而是依賴于一定的參照系，在不同的參照系中它們的值是不同的。根據(jù)測不準原理，我們不能同時測量粒子的位置和速度，只能得到一個概率，從某種意義上說，我們的觀測決定了它的狀態(tài)。其次，物質(zhì)的逐層還原不再成立。眾所周知所有物質(zhì)都是由分子構(gòu)成的，而分子又是由原子所構(gòu)成，原子再進一步拆分成電子與原子核，原子核包含質(zhì)子和中子，中子和質(zhì)子最終是由夸克組合。如此一個類似套娃的結(jié)構(gòu)到夸克終止。到了核子及以下的層次，便不再存有更基本的粒子。第三，實在與形式的關(guān)系問題。經(jīng)典物理學(xué)家一貫希望科學(xué)應(yīng)該去說明我們之外的實在，實在不可能依賴于我們的存在，因此科學(xué)描述實在的方法不能以任何基本的方式涉及我們選擇測量什么，不測量什么。但在量子理論中，實在并不是外在于觀察者的，而是與觀測相關(guān)的。
由此，量子物理學(xué)所創(chuàng)造的實在，確實與經(jīng)典物理學(xué)的實在大有差別，當(dāng)基本粒子第一次被發(fā)現(xiàn)提出之后，作為量子力學(xué)的奠基者維爾納·卡爾·海森堡都不承認粒子的客觀存在性，認為只是觀察中的感覺，僅僅是作為數(shù)學(xué)關(guān)系的表達符號而已。可見這些微觀世界的基本粒子已然與傳統(tǒng)意義上的物質(zhì)概念有所不同，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)在矛盾。”在這個“看不見的世界”中，物質(zhì)的實在性與以往大相徑庭，傳統(tǒng)的實在論思想已漸人衰勢。
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從牛頓的經(jīng)典理論到量子理論，對于科學(xué)所描繪的實在一直有著反對之聲，長期伴隨著實在論與反實在論之爭，然而宇宙大爆炸之前世界的存在問題，卻讓人們獲得清晰的對于世界的認知變得愈發(fā)困難。而在霍金看來“一個物理理論和世界圖像是一個模型（通常具有數(shù)學(xué)性質(zhì)）以及一組將這個模型的元素和觀測相連接的規(guī)則的思想�！彼斫獾摹皩嵲凇敝皇且粋�與人們觀測到的圖像相對應(yīng)的理論或模型，即依賴模型的實在論。
以金魚世界中的實在觀為例，養(yǎng)在彎曲的魚缸里的金魚，由于魚缸的變形，它所觀察的外部世界與人類所看并不相同。我們觀測一個物體的直線運動，會被金魚觀察成曲線運動。顯而易見，金魚的視覺圖像所形成的“實在”和人類認知的“實在”截然不同，但我們可否因此而確定自身的世界一定就比金魚的物理世界更真實？霍金對此持否定態(tài)度，他認為金魚是能夠從它們的參考系中去表達它所認知的科學(xué)定律，并進而預(yù)測缸外物體的運動。如果一個人處在金魚缸內(nèi)，那么金魚的物理學(xué)定律便會有用。換言之，金魚的物理學(xué)定律不僅真實，而且會比人類參考系中的物理學(xué)定律更為復(fù)雜。由此確立了依賴模型的實在論的重要觀點：不存在與圖像或理論無關(guān)的實在概念。這為解釋現(xiàn)代科學(xué)提供了框架，尤其為我們看不見的粒子世界提供了合理地說明。由于漸進自由，我們在自然界中看不到孤立的夸克，也不能在實驗室制造它們，“對于許多科學(xué)家而言，將實在性賦予一個在原則上也許永遠不能被觀測到的粒子的思想是太過分了。”但是，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們借助不斷提高的實驗技術(shù)水平掌握了愈來愈多的觀測現(xiàn)象與夸克模型一一對應(yīng)的證據(jù)，如今人們已接受了夸克的實在性。
二、認識論透視下的引導(dǎo)轉(zhuǎn)向
物理理論形成的經(jīng)典過程是從實驗到理論，但在現(xiàn)代物理學(xué)的理論形成過程中，往往先是數(shù)學(xué)推理一理論模型，然后再在實驗中進行不斷的檢驗該理論模型的正確性。正如標準模型，它的建構(gòu)并非是在發(fā)現(xiàn)所有基本粒子之后才歸納出來的，相反根據(jù)標準模型幫助我們正確的發(fā)現(xiàn)了許多未知粒子。如此一來理論和經(jīng)驗之間結(jié)成的是一種不可靠的關(guān)系，物理理論優(yōu)先于其物理經(jīng)驗，現(xiàn)象與結(jié)論并不存在著一種必然的聯(lián)系，從觀測到的現(xiàn)象出發(fā)并不一定必然建構(gòu)成標準模型。正如卡庫所言：“相對于五十年代，那時物理學(xué)家們被淹沒在沒有一個理論框架來理解它們的實驗數(shù)據(jù)當(dāng)中，九十年代的情形可能相反，實驗數(shù)據(jù)全部跟標準模型一致，結(jié)果是，沒有重要線索來自實驗，物理學(xué)家提出的都是在目前技術(shù)水平不能檢驗的理論。實際上，即便下一代粒子加速器也不足以排除目前研究的理論模型，換言之，五十年代是實驗引導(dǎo)理論，而九十年代是理論引導(dǎo)實驗�！�
自從1932年發(fā)現(xiàn)中子，認識到原子由電子、質(zhì)子和中子組成之后，新發(fā)現(xiàn)的粒子越來越多，而當(dāng)時并沒有一個理論能夠統(tǒng)一解釋新發(fā)現(xiàn)的粒子，因此物理學(xué)家只得把上百種粒子都稱為“基本粒子”，直到粒子物理標準模型建立起來，才對這些基本粒子進行了統(tǒng)一的描述。在標準模型中，基本粒子被分成發(fā)生強、電弱作用的夸克（18種）和只發(fā)生電弱作用的輕子（6種），再加上它們的反粒子（24種），以及傳遞這些相互作用的13種規(guī)范玻色子和1種產(chǎn)生所有粒子質(zhì)量的希格斯玻色子，總共62種基本粒子。標準模型預(yù)言的所有規(guī)范玻色子在1983年得以全部發(fā)現(xiàn)，所有三代費米子在2000年全部發(fā)現(xiàn)，尤其標準模型中最年輕的中微子，從預(yù)言到探測到，每一種中微子都花了至少20年，最后一個被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子也在2012年發(fā)現(xiàn)�？梢哉f，標準模型的理論結(jié)構(gòu)在1973年得以確立，直到有了大型強子對撞機（LHC）后，物理學(xué)家們才真正驗證和發(fā)展了標準模型。這也使得粒子物理學(xué)從沒有一個完整的理論框架解釋實驗數(shù)據(jù)發(fā)展到提出的新理論因超出目前的實驗水平而得不到檢驗的狀況。比如弦理論，弦理論描述的世界特征尺度是由普朗克長度（Lp）和普朗克質(zhì)量（Mp）來代表，而這樣的尺度是現(xiàn)代物理實驗無法探測到的。
在現(xiàn)代物理學(xué)到來之前，人們普遍認為，關(guān)于世界的所有知識都能通過直接的觀測獲得，事物就是它們表現(xiàn)出來的樣子，通過我們的直覺被我們感知。但是隨著現(xiàn)代物理學(xué)的到來及發(fā)展，我們的研究對象已不單純是由肉眼直接觀察的事物，而是轉(zhuǎn)向了只有通過測量和邏輯推理才能“看見”的事物，使得人們對事物的認識往往更依賴于理論。1897年英國物理學(xué)家湯姆遜通過真空玻璃管里的電流實驗，做出了一個大膽的結(jié)論：管內(nèi)的射線是由極其微小的“顆�！睒�(gòu)成，這些顆粒即是構(gòu)成原子的材料--電子。在整個實驗中湯姆遜并沒有親眼所見電子，但是今天所有的物理學(xué)家都不否認電子存在，即使看不見它們。再比如尋找希格斯粒子，大型強子對撞機（LHC）上的ATLAS實驗和CMS實驗就是為了探索希格斯李子。通過對光子、輕子和強子的探測和識別，包括測量它們的能量動量，最終計算得到希格斯粒子的質(zhì)量，證明希格斯粒子的存在�？傊趤喸訉哟蔚�.科學(xué)研究上，只能以間接的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。因為大部分的粒子的生命都不到百萬分之一，且小得無法直接觀察，我們所獲取的亞原子粒子所有的認知，都是由理論以及粒子撞擊的氣泡室軌跡照片推論出來的。物理理論表達的方法不再是傳統(tǒng)的簡單的經(jīng)驗描述--從知覺材料直接到達實在世界，而是一種理性的概念構(gòu)造活動--邏輯推斷、數(shù)學(xué)運算、言語活動和思維活動�，F(xiàn)代物理學(xué)的構(gòu)建已然對傳統(tǒng)物理學(xué)描繪的科學(xué)世界圖景帶來了巨大的沖擊。
三、方法論文脈內(nèi)的實驗轉(zhuǎn)向
對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認知已從最早的原子層次深入到夸克層次，作為對物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索最前沿的標準模型，告訴我們已知的世界可以用六種夸克和六種輕子來解釋，它們通過四種力發(fā)生相互作用：引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。這十二種粒子和四種力就是我們解釋世界萬物所需要的一切。顯然，它所描述的作為構(gòu)成世界基本單元的微觀粒子并不是傳統(tǒng)意義上的物體，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)在矛盾�！边@是一個我們看不見的粒子世界，是從間接的觀察中推斷出來，是人類無法直接觀察到的。
LHC上并沒有真正觀測到希格斯玻色子，在希格斯玻色子產(chǎn)生的瞬間就衰變成兩個光子，人們只是靠分析與統(tǒng)計衰變后的產(chǎn)物來推斷它們是從希格斯玻色子生成，而非其它來源生成；因“夸克禁閉”人們亦無法獲得一個自由的夸克，即夸克僅是停留在理論上的存在。連同在宇觀領(lǐng)域中暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)也一樣：我們不知道宇宙中大部分的能量來自哪里，也不知道宇宙所包含的大多數(shù)物質(zhì)的本質(zhì)是什么，但我們知道宇宙中存在著暗物質(zhì)和暗能量，這并非因為我們直接探測到了它們，而是因為它們對周圍的物質(zhì)有著明顯的影響。我們確定暗物質(zhì)、暗能量的存在，只是通過間接的方式。這些都意味著它們是在完全“看不見”的狀態(tài)下，只能作為一種理論實體而存在。
依賴于物質(zhì)的或直觀的手段已無法適應(yīng)對理論實體研究的要求，尤其現(xiàn)代科學(xué)研究活動中，對于進行物質(zhì)實驗的技術(shù)條件要求越來越高，進而實驗的展開也面臨越來越大的困難。例如發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的大型強子對撞機（LHC），是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，從1980年首度提出構(gòu)想到2008年9月10日正式開始運作，歷時近30年，耗資數(shù)百億美元，有全球五千多名科學(xué)家參與其中。由此可見物質(zhì)實驗總要受到物質(zhì)條件的約束，科學(xué)每前進一步，都會面臨著巨大的挑戰(zhàn)，可以說傳統(tǒng)的物理實驗在粒子世界的研究中遭遇到了難題，科學(xué)研究的常規(guī)手段--物質(zhì)實驗只能在有限的范圍內(nèi)使用，這就越來越需要理性思維的介入，思維的--非物質(zhì)性的方法，即思想實驗將更有價值。基于現(xiàn)代科學(xué)前沿的發(fā)展，思想實驗將作為一種優(yōu)越的研究手段發(fā)揮主導(dǎo)作用。
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