標準模型哲學之思

李華　葉正亞

[摘要]霍金所言的“哲學跟不上科學，特別是物理學現代發展的步伐?！闭凵涑鰰r下科學前沿現象、問題已難為哲學所解釋、指導的困境。結合當代科學前沿的新成果——希格斯玻色子的發現，從本體論、認識論和方法論三個層面對標準模型理論進行哲學探思。

[關鍵詞]標準模型；實在論；理論實體；思想實驗

[中圖分類號]B0 [文獻標識碼]A [文章編號]1671-5918（2016）20-0073-03

什么是構成宇宙的終極粒子？從古希臘哲學家德謨克利特提出原子的存在開始，無數的理論家和實驗家為解開這一謎團已經奮斗兩千多年，直到來自ATLAS和CMS合作組的科學家同公布，大型強子對撞機（Large Hadron CoHider，簡稱LHC）取得了重大進展——發現存在希格斯玻色子的證據。希格斯玻色子的發現檢驗和發展了粒子物理的標準模型，我們現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，在現代所有的關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象（1Gev-1Tev），甚至還能為“夸克幽禁”及其“漸進自由”等特殊現象提供說明，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現，都證實了標準模型所預先構想的結構。

隨著當代科學前沿的新進展，也推動著物質范疇、物質世界的起源及構成等哲學問題的深化理解。正如迪昂所言“如果物理學理論的目的是說明實驗定律，那么理論物理學就不是自主的科學；它從屬于形而上學?！?/p>

一、本體論背景中的實在論轉向

世界是什么？世界中存在何種事物？不僅是困擾物理學家也是哲學家重要的議題。由于物理學的發展，不斷創造了構成世界的新的實在。

（一）經典實在論，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，其性質是確定的，物體擁有諸如速率和質量等物理性質，并具有明確定義的值，在空間中占有一個確定的位置，占據一定的體積，是客觀存在的，與感知它們的觀察者無關。經典實在論與經典物理學的理論以及我們的日常經驗相一致，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經驗得來的創造物?！苯浀湮锢韺W以具有不變的屬性規定物體的實在性。

（二）量子實在論。

隨著現代物理學的發展，經典實在論開始出現了危機，難以再去解釋量子理論下的物理事件。量子物理學家已經不再像十九世紀物理學家那樣設想把整個物理學建筑在純粹實物的概念基礎上，而是創造了關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。在經典物理中被看做實體基本特征（如質量、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。其次，物質的逐層還原不再成立。眾所周知所有物質都是由分子構成的，而分子又是由原子所構成，原子再進一步拆分成電子與原子核，原子核包含質子和中子，中子和質子最終是由夸克組合。如此一個類似套娃的結構到夸克終止。到了核子及以下的層次，便不再存有更基本的粒子。第三，實在與形式的關系問題。經典物理學家一貫希望科學應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，而是與觀測相關的。

由此，量子物理學所創造的實在，確實與經典物理學的實在大有差別，當基本粒子第一次被發現提出之后，作為量子力學的奠基者維爾納·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，僅僅是作為數學關系的表達符號而已?？梢娺@些微觀世界的基本粒子已然與傳統意義上的物質概念有所不同，“物質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現了內在矛盾?！痹谶@個“看不見的世界”中，物質的實在性與以往大相徑庭，傳統的實在論思想已漸人衰勢。

（三）依賴模型的實在論。

從牛頓的經典理論到量子理論，對于科學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（通常具有數學性質）以及一組將這個模型的元素和觀測相連接的規則的思想?！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定律，并進而預測缸外物體的運動。如果一個人處在金魚缸內，那么金魚的物理學定律便會有用。換言之，金魚的物理學定律不僅真實，而且會比人類參考系中的物理學定律更為復雜。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的實在概念。這為解釋現代科學提供了框架，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?！钡?，隨著科學的發展，人們借助不斷提高的實驗技術水平掌握了愈來愈多的觀測現象與夸克模型一一對應的證據，如今人們已接受了夸克的實在性。

二、認識論透視下的引導轉向

物理理論形成的經典過程是從實驗到理論，但在現代物理學的理論形成過程中，往往先是數學推理一理論模型，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，它的建構并非是在發現所有基本粒子之后才歸納出來的，相反根據標準模型幫助我們正確的發現了許多未知粒子。如此一來理論和經驗之間結成的是一種不可靠的關系，物理理論優先于其物理經驗，現象與結論并不存在著一種必然的聯系，從觀測到的現象出發并不一定必然建構成標準模型。正如卡庫所言：“相對于五十年代，那時物理學家們被淹沒在沒有一個理論框架來理解它們的實驗數據當中，九十年代的情形可能相反，實驗數據全部跟標準模型一致，結果是，沒有重要線索來自實驗，物理學家提出的都是在目前技術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理論，而九十年代是理論引導實驗?！?/p>

自從1932年發現中子，認識到原子由電子、質子和中子組成之后，新發現的粒子越來越多，而當時并沒有一個理論能夠統一解釋新發現的粒子，因此物理學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一的描述。在標準模型中，基本粒子被分成發生強、電弱作用的夸克（18種）和只發生電弱作用的輕子（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種規范玻色子和1種產生所有粒子質量的希格斯玻色子，總共62種基本粒子。標準模型預言的所有規范玻色子在1983年得以全部發現，所有三代費米子在2000年全部發現，尤其標準模型中最年輕的中微子，從預言到探測到，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年發現?？梢哉f，標準模型的理論結構在1973年得以確立，直到有了大型強子對撞機（LHC）后，物理學家們才真正驗證和發展了標準模型。這也使得粒子物理學從沒有一個完整的理論框架解釋實驗數據發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）和普朗克質量（Mp）來代表，而這樣的尺度是現代物理實驗無法探測到的。

在現代物理學到來之前，人們普遍認為，關于世界的所有知識都能通過直接的觀測獲得，事物就是它們表現出來的樣子，通過我們的直覺被我們感知。但是隨著現代物理學的到來及發展，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論：管內的射線是由極其微小的“顆?！睒嫵?，這些顆粒即是構成原子的材料——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量，證明希格斯粒子的存在?？傊趤喸訉哟蔚目茖W研究上，只能以間接的經驗數據為依據。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的簡單的經驗描述——從知覺材料直接到達實在世界，而是一種理性的概念構造活動——邏輯推斷、數學運算、言語活動和思維活動?，F代物理學的構建已然對傳統物理學描繪的科學世界圖景帶來了巨大的沖擊。

三、方法論文脈內的實驗轉向

對于物質結構的認知已從最早的原子層次深入到夸克層次，作為對物質結構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，它所描述的作為構成世界基本單元的微觀粒子并不是傳統意義上的物體，“物質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現了內在矛盾?！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，在希格斯玻色子產生的瞬間就衰變成兩個光子，人們只是靠分析與統計衰變后的產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。連同在宇觀領域中暗物質和暗能量的發現也一樣：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物質的本質是什么，但我們知道宇宙中存在著暗物質和暗能量，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有著明顯的影響。我們確定暗物質、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”的狀態下，只能作為一種理論實體而存在。

依賴于物質的或直觀的手段已無法適應對理論實體研究的要求，尤其現代科學研究活動中，對于進行物質實驗的技術條件要求越來越高，進而實驗的展開也面臨越來越大的困難。例如發現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年首度提出構想到2008年9月10日正式開始運作，歷時近30年，耗資數百億美元，有全球五千多名科學家參與其中。由此可見物質實驗總要受到物質條件的約束，科學每前進一步，都會面臨著巨大的挑戰，可以說傳統的物理實驗在粒子世界的研究中遭遇到了難題，科學研究的常規手段——物質實驗只能在有限的范圍內使用，這就越來越需要理性思維的介入，思維的——非物質性的方法，即思想實驗將更有價值?；诂F代科學前沿的發展，思想實驗將作為一種優越的研究手段發揮主導作用。

（責任編輯：章樊）