何为实在 (2)我们永远观察不到夸克

admin

　　依赖模型的现实主义解决或至少避免的另一个问题是存在的意义。如果我走出房间而看不见桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那么说我们看不见的东西，诸如电子或据说是构成质子和中子的叫夸克的粒子存在是什么意思呢？人们可以拥有模型，在该模型中，当我离开时桌子消失了，而当我返回时，桌子又在同一位置出现了，然而那会是笨拙的。而如果我在外面时发生了某些事情，比如讲天花板落下怎么办呢？在我离开房间时桌子消失的模型下，我能够解释下回我进入时在天花板碎片之下损毁的桌子重现的事实吗？桌子留在原地不动的模型简单得多，并与观测相符。那就是人们能问的一切。
　　在我们看不见的次原子粒子的情形下，电子是一个有用的模型，它能解释象在一个云雾室中的轨迹和电视显像管上的光点，还有许多其它现象。据说1897年英国物理学家j·汤姆逊在剑桥大学的卡文迪许实验室发现了电子。他是利用在真空玻璃管中的电流来做称为阴极射线现象的实验。从实验里，他获得一个大胆的结论，神秘的射线由微小的“微粒”构成，这种微粒是原子的物质部分，那时原子被认为是物质的不可分的基元。汤姆逊没有看到“电子”，他的实验也没有直接或清晰地证明他的预测。但在从基础科学到工程的应用中这个模型证明是关键的，而现在所有的物理学家都确信电子存在，即便看不到它。
　　我们也看不见夸克，它是解释原子核中的质子和中子性质的一个模型。虽然说夸克构成质子和中子，因夸克之间的束缚力随着分离而增大，因此孤立的自由夸克不可能在自然中存在，所以我们永远观察不到夸克。相反地，它们永远以三个一组(质子和中子)或者以夸克反夸克对(π介子)存在，而且它们正像由橡皮带连接在一起似的。
　　自夸克模型首次提出之后的年代里，人们一直在争议，如果你永远不能分离出一个夸克，说夸克真的存在是否有意义的问题。一些次次核粒子的不同结合构成了某些粒子的思想提供了一种编组原理，由此对其性质给予简单而吸引人的解释。但是，尽管物理学家已习惯于接受那些粒子，它们也只从有关其它粒子散射的数据中的统计的短促哗哗声中推断其存在。对许多科学家而言，将实在性赋予一个在原则上也许不能被观测到的粒子是太过分了。然而，这么多年来，随着夸克模型导出愈加正确的预言，反对的声音也随之消退。某种拥有十七只手臂，红外眼以及习惯从耳朵吹出浓缩奶油的外星生物会进行与我们相同的实验观察，但不用夸克描述之，这是完全可能的。尽管如此，根据依赖模型的现实主义，夸克存在于一个和我们对次核子粒子如何行为的观察一致的模型中。
　　依赖模型的现实主义能够为讨论诸如以下问题提供框架：如果世界是在有限的过去创生的，那么在那之前发生了什么？一位早期的基督教哲学家圣·奥古斯丁(354—430)说，其答案不是上帝正为问此类问题的人们准备地狱，而是时间是上帝创造的世界的一个性质，时间在创生之前不存在，他还相信创生发生于过去不那么久的时刻。这是一个可能的模型。尽管在世界上存在化石和其它证据使之显得古老的多，(它们被放在那里是用来愚弄我们的吗？)那些坚持创世纪中的叙述确实是真的人很喜欢这个模型。人们还能拥有一个不同的模型，在这模型中时间往回延续137亿年到达大爆炸。该模型解释了包括历史和地学的证据在内的大部分我们的现代观测，它是我们拥有的对过去的最好描绘。第二种模型能解释化石和放射性记录，以及我们接受来自距离我们几百万光年的星系来的光的事实。因此，这个模型——大爆炸理论——比第一个更有用。尽管如此，没有一个模型可以说比另一个更真实。
　　有些人支持时间能回到甚至比大爆炸还早的模型。目前还不清楚其中时间延续回到比大爆炸还早的模型是否能更好地解释现代的观测，因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃。如果出现这种现象，那么去创造一个包含早于大爆炸的时间的模型就没有意义，因为那时存在的东西对于现在没有可观测的后果，如此我们也可以坚持大爆炸是世界的创生的观念。
　　一个模型是个好模型，如果
　　1.它是优雅的。
　　2.它包含很少任意或者可调整的元素。
　　3.它和全部已有的观测一致并能解释。
　　4.它对将来的观测做详细的预言，如果这些预言不成立，观测就能证伪这个模型。
　　例如，在亚里士多德的理论中，世界由土，气，火和水四种元素构成，而且物体是为了满足它们的目的而行为，这个理论是优雅的，并不包含可调节的元素。但在许多情形下，它并未做出确定的预言，而当它预言时，又并不总与观测一致。这些预言中的一个是，因为物体的目的是下落，因此较重的物体应下落得较快。在伽利略之前似乎没人想到过去验证这个预言。传说他从比萨斜塔上释放重物来检验它。这故事可能是伪造的，但我们确知，他把不同的重物从一斜面上滚下，并且观察到它们都以同样速率获得速度，这与亚里士多德的预言矛盾。
　　上面的标准显然是主观的。例如，优雅就不是容易测量的某种东西，但科学家们非常珍视它，因为自然定律是意味着把许多特殊情况经济地压缩成一个简单公式。优雅是指理论的形式，但它与缺少可调整元素紧密相关，由于一个充满了修补的因素的理论不很优雅。转述爱因斯坦的话，一个理论应该尽可能简单，但不能更简单了。托勒密把周转圆加到周转圆上，或者甚至在其上再加周转圆。虽然增加的复杂性可使模型更精确，可科学家不满意一个被扭曲去迎合特有的一组观测的模型，他们倾向于把它看成数据表，而非一个可能体现任何有用原理的理论。
　　在第五章里，我们将要看到，许多人认为描写自然的基本粒子相互作用的“标准模型”不优雅。那个模型比托勒密的周转圆成功得多。它在几个新粒子被观测到之前就预言其存在了，并于几十年间以巨大的精确性描述了极多实验的结果。但它包含了几十个可调节的参数，其数值必须为了配合观测而被固定下来，而不是由理论本身所确定的。
　　关于第四点，当新的令人震惊的预言被证明正确时，总给科学家留下深刻印象。另一方面，当一个模型发现做不到这一点，一种普遍反应是说实验错了。如果证明不是那种情形，人们经常仍然不抛弃这个模型，而试图通过修正来挽救它。尽管物理学家执着地努力拯救他们赞美的理论，随着改动变得做作而且繁琐，理论因此而变得“不优雅”，人们修正理论的热情也就消退了。
　　如果容纳新的观测所需的修正过分雕琢，这就标志需要新模型。稳态宇宙的观念是老模型迫于新观测而撤退的一个例子。1920年代，多数科学家相信宇宙是静止的，或者在尺度上不变。后来埃德温·哈勃于1929年发表了他的观测，显示宇宙正在膨胀。哈勃观察到由星系发射出的光，但并未直接观察到宇宙在膨胀。那些光携带特征记号，或曰基于每个星系成分的光谱。如果星系相对于我们运动，光谱就会改变一个已知的量。因此，哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度。他原先预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多。相反地，他发现几乎所有的星系都离开我们运动，而且处在越远的地方，它们就越快地运动。哈勃得出结论，宇宙正在膨胀。但其他人坚持早先的模型，试图在稳态宇宙的框架中解释他的观测。例如，加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基建议，也许因某些还未知的原因当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量。这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基提议的这种改变能够模拟哈勃的观测。在哈勃之后的几十年间，许多科学家继续坚持稳态理论，但最自然的模型是哈勃的膨胀宇宙模型，而它已被接受。
　　在寻求制约宇宙的定律的探索之际，我们表述了许多理论或模型，诸如四元素理论，托勒密模型，热素理论，大爆炸模型等。我们的实在和宇宙的基本成分的概念伴随着每个理论或模型而改变。例如，考虑光的理论。牛顿认为光是由小粒子或微粒构成。这就解释了为什么光会沿直线旅行，而且牛顿利用它来解释当光从一个媒质进入另一个媒质时，比如从空气进入玻璃或者从空气进入水时，它为什么弯折或折射。
　　然而，微粒论不能用来解释牛顿自己观察到的称作牛顿环的现象。把一个透镜置于一面平坦的反射板上，并用单色光诸如钠光对其照射。从上往下看，人们将看到一系列明暗相间的圆环，它们以透镜和表面接触点为圆心。用光的粒子论来解释这个现象很困难，但在波动论中就能得到解释。根据光的波动论，那被称作干涉的现象导致亮环和暗环。一个波，比如水波，是由一系列波峰和波谷组成。当波碰撞时，如果那些波峰和波谷刚好分别一致，它们就互相加强，获得更大的波。这称为建设性干涉。在这种情形下，波被称为处于“同相”。在另一种极端，当波相遇时，一个波的波峰可能刚好与另一个波的波谷重合。在那种情形下，波相互对消，被称为处于“反相”。这种情形称为破坏性干涉。
　　在牛顿环中，亮环位于离开中心的距离为该处透镜和反射板之间的分离使得从透镜反射的波和板上反射的波相差整数(1，2，3，……)倍的波长，产生了建设性干涉。(波长是一个波的波峰或波谷和下一个之间的距离)。另一方面，暗环位于离开中心的距离为该处的两个反射波之间相差半整数(1\/2，3\/2，5\/2，……)倍的波长，引起破坏性干涉——从透镜反射的波抵消了从平板反射回来的波。
　　在十九世纪，这个被用来确认光的波动论，还证明了粒子论是错误的。然而，在二十世纪早期，爱因斯坦证明，用光粒子或量子打到原子上并打出电子可解释光电效应(现在用于电视和数码相机中)。这样，光既作为粒子又作为波来行为。
　　波的概念深入人心，或许是因为人们见过海洋，或者见过把一块小圆石扔进后的小池塘。事实上，如果你曾将两块小圆石扔进小池，你也许看到了干涉作用，正如在前面图画中那样。其它的液体也能观察到类似的行为，也许除了酒以外，如果你喝得太多的话。从岩石，圆石和沙就很熟悉粒子的概念了。但这种波\/粒对偶性——一个物体既可描述成粒子也可描述成波的思想——对于日常经验而言,却犹如你能喝下一块沙岩的想法那么怪异。
　　类似这样的对偶性——两个非常不同的理论精确地描述了同样的现象的情形——和依赖模型的现实主义相一致。每个理论能描述并解释某些性质，而没有一个理论能说比其它的更好或更真实。考虑制约宇宙的定律，我们所能说的是：似乎不存在一个单独的数学模型或理论能够描述宇宙的方方面面。相反地，正如开篇提到，似乎存在一个称作m理论的理论网络。在m理论网络中，每个理论都能很好地描述在一定范围的现象。只要在其范围交叠之处，在网络中的不同理论都一致，这样它们都能被称作同样理论的部分。但在这网络中没有一个单独的理论可能描述宇宙的各个方面——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及这一切在其中发生的空间和时间框架。尽管这种情形未实现传统物理学家的单独统一理论之梦，然而在依赖模型的现实主义的框架中是可被接受的。
　　我们将在第五章进一步讨论对偶性和m理论，但在这之前，我们将转向量子论，它是作为我们现代自然观基础的基本原理。我们特别要关注称作不同历史的量子论方法。按照那种观点，宇宙不仅具有单独的存在或历史，而是每种可能的宇宙版本在称作量子叠加之中同时存在。这听起来就象只要你离开房间桌子就会消失的理论般的疯狂，然而在此情形下，该理论通过了它所经受的所有实验的验证。