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本期音频为你解读的是大设计这本书的中文版
大约十万字
我会用大概二十五分钟的时间为你讲述书中精髓
人类要通过依赖模型的实在论来认识世界
依赖模型的实在论是一个哲学观点
这个观点就是大设计这本书的作者之一
斯蒂芬
霍金所提出的
霍金你肯定非常熟悉了
他是当今最活跃最知名的物理学家
曾担任剑桥大学的卢卡斯数学教授
这一职位是牛顿这样的顶尖学者才能获得的
由此可见霍金的学术地位之高
与此同时
他还是著名的科普作家
在大设计之前
他还写过时间简史和果壳中的宇宙两本科普作品
都非常畅销
大设计的另一位作者是列纳德
蒙洛迪诺
蒙洛迪诺的身份非常多元
他是加州理工学院的物理学教授
同时还是一位编剧
很多人可能听过一个科幻电影系列叫星际迷航
蒙洛迪诺就是为这个系列的作品做过编剧
除此之外
蒙洛迪诺还是一位科普作家
而且这也不是他第一次跟霍金合作了
霍金当年的第一本科普作品时间简史虽然非常畅销
但很多读者表示根本看不懂
于是霍金之后又出了一本时间简史普及版
这本普及版就是跟蒙洛迪诺一起合作的
大设计是霍金的第三部科普作品
从内容上来说
它跟时间简史以及果壳中的宇宙有大量的重复
所以如果是单纯看书里讲的科学知识的话
那的确是没什么新鲜的
但是大设计跟霍金的前两部作品又有一个很大的不同
因为他真正想讲的并不是科学知识
而是霍金的哲学观
大设计的译者吴中超先生也是一位物理学家
同时也是霍金的学生
他在序中说
这本书是霍金对科学和哲学的探索成果之一
因为随着当代科学
尤其是量子论的发展
哲学家们已经很难理解最前沿的科学问题了
所以从前归属于哲学家的问题
比如宇宙如何存在
世界的本质到底是什么等等
现在都要跟科学家来研究了
霍金自己也在本书的一开篇就说
哲学死了
哲学跟不上科学
特别是物理学现代发展的步伐了
在我们探索知识的旅程中
科学家已成为火炬手
从这个层面上来说
像霍金这样的顶尖物理学家的哲学观值得我们了解
霍金在大设计的第一章就提出了自己的哲学观
叫依赖模型的实在论
在这里
模型是手工模型的模型
是实实在在的实在这个概念不是霍金随便瞎说的
而是他通过对物理学和哲学的深入思考
一步步推导出来的
所以
下面我们就来看看
为什么霍金说人类只能通过依赖模型的实在论来认识世界
那么首先要讲的第一个问题是
霍金为什么说哲学中的实在论是不可靠的
第二个问题是
霍金提出的依赖模型的实在论到底是什么意思
第三个问题是
人类认识世界的终极模型应该是什么样的
好
那就先来看第一个问题
为什么霍金认为哲学上的实在论是不可靠的
无论是哲学家
科学家还是像我们这样的普通人
一般都会默认存在一个真实客观的外部世界
这个世界的各种性质是完全确定的
而且不会受到观察者的影响
这种观点在哲学上就叫做实在论
举个例子
你在草地上踢足球
你肯定默认这个足球是实实在在存在的
就算你把它踢出视线范围
足球也是存在的
不可能一下子消失了
如果你一脚把球踢飞了
那球在飞行的过程中
不管你用什么方法去测量
这支足球都有一个客观的速度
位置和质量
绝不会受到你测量行为的影响
这就是实在论
正是在这种客观实在的基础上
人类才发展出了一套精密的理论
不仅能描述这个足球的各种性质
还能精准的预言这个足球被踢飞时的完整运动轨迹
可以做到分毫不差
这种实在论的思想完全符合人们的日常经验
所以很少有人去怀疑它
长期以来
实在论都是人们认知世界的基础
但霍金认为
现代物理学
尤其是量子力学的发展已经说明了
用实在论的方法来认知世界是不靠谱的
霍金为什么这么说呢
举个例子
就是量子力学中著名的不确定性原理
根据这个原理
我们永远无法同时确定一个例子的速度和位置
因为你对粒子的位置的测量越精确
对它的速度的测量就越不精确
反过来也一样
你对它速度的测量越精确
对它位置的测量就越不精确
这两个测量误差的乘积一定会大于某个常数
所以你按下这一头
就会翘起来另一头
而且这种测量误差并不是因为我们的测量技术不够好
而是因为理论本身的限制
决定了我们不可能得到精确的结果
这么说有些不好理解
霍金解释了一下
他打了个比方
说
如果我们要去观察一个南瓜
就必须把光照在南瓜上面
对于南瓜这样的大物体来说
光当然不会对它造成什么影响
所以我们的观察结果一直是确定的
但问题是
微观世界里的情况完全不同
因为无论是电子还是中子或者其他粒子
都实在是太微小了
如果你想观测它们
往它们身上哪怕只发射了一两个光子
也会对它们造成极大的干扰
所以
从理论上来说
在量子领域
观测行为一定会对观测对象造成干扰
所以我们永远不能同时精确的定位粒子的位置和速度
在实在论看来
我们的观察行为绝不会影响到世界的本质
但根据不确定性原理
观测者和被观测者之间不再是隔绝开的
而是密不可分的
主客体之间的界限消失了
你采取不同的测量方法
得到的结果居然不一样
粒子的位置和速度已经不再是确定的物理量了
这跟实在论的观点是完全矛盾的
甚至可以说
在你测量之前
粒子压根儿就没有什么位置和速度
这么一来
我们还能说粒子是客观实在的吗
所以
在霍金看来
量子力学的实验结果已经动摇了实在论的基础
不光如此
霍金还从人类认知的角度分析了实在论的问题所在
霍金认为
人类的认知是受到大脑结构的影响的
我们的大脑相当于一个透镜
会对现实世界进行建模
我们所谓的各种观测结果
都只是大脑呈现的一个模型
而已
霍金用视觉举例解释了这个观点
人类是怎么看见各种外界对象的呢
先是光从瞳孔进入眼睛
抵达视网膜
视网膜再将光信号转化为生物电信号
并通过视觉神经将信息传给大脑
这个过程很好理解
但关键在于
人类整个视觉范围中
真正具有高分辨率的部分
只有视网膜中心大约一度的狭窄范围
这是什么概念呢
假如你现在把手臂伸直
张开手掌
不要移动视线
那么在这个时候
你的整个视野中
差不多只有你大拇指那么点大的地方是真正高清的
其他地方都是模糊的
而且
在视觉神经连接视网膜的地方
有一个没有感光细胞的盲点
所以一只眼睛所接受的视觉信号传递到大脑时
那个图像不是完整的
中间应该有个洞
那我们是怎么看到正常清晰的外部图像的呢
这是因为人的大脑具有强大的运算能力
能对眼睛接收到的信号进行综合处理
进行一系列的拼接
填充 优化
把二维数据给三维化
这种运算能力有多强大呢
霍金说
就算你戴上了一个特制的
能让任何画面都上下颠倒的眼镜
那过一段时间之后
你的大脑也能通过学习适应
让你重新看到这些东西原本的方向
所以
在霍金看来
我们所观测到的一切
都只是由大脑建立的心理图像而已
谈不上是客观实在的
这种观点其实类似于现代版的庄周梦蝶
庄周和霍金都认为人类没办法真正的去认识所谓的客观真实
但关键在于
庄周的观点是一个纯粹的哲学思辨而霍金的观点背后却有实实在在的科学依据作为支撑
好 讲到这里
霍金认为实在论不可靠的原因你就知道了
我们总结一下量子力学的研究发现
对于粒子的观测行为本身就会对观测结果造成影响
甚至可以说
在观测之前
粒子根本就不存在速度
位置等客观性质
从人类认知的角度来说
我们看见的一切都是大脑所建立的心理图像
并不是真正的客观对象
在这些科学结论的支撑之下
霍金认为用实在论来认知世界是不靠谱的
既然实在论有问题
那人类到底应该怎么认知世界呢
霍金也给出了自己的观点
那接下来的第二个问题
就来看看霍金提出的依赖模型的实在论到底是怎么一回事
先来听一个很好玩的故事
意大利有个城市叫蒙扎
曾经通过了一项法令
禁止把金鱼养在弯曲的鱼缸里
这个提案的提出者认为
金鱼透过弯曲的鱼缸所看到的世界都是扭曲变形的
并不是这个世界真实的样子
对金鱼来说
这是很残忍的一件事
所以我们不能这么干
霍金在讲完这个故事之后
说
金鱼身处鱼缸中
所以他们眼中的世界和人类看到的世界的确是不同的
比如在我们看来
某个物体沿着直线运动
但在金鱼看来
这个物体就是沿着曲线运动的
但是如果金鱼够聪明的话
他们同样可以总结出一套金鱼界的科学定律
虽然复杂一点
但也是完全成立的
可以精确的预测这个物体的运动状态
所以
我们必须承认
金鱼看到的图像其实也是正确的
霍金是想通过这个故事来表达自己的哲学观点
所有的客观实在
其实都是建立在理论模型的基础之上
我们没有必要去追问一个模型到底是不是真实的
这完全没有意义
只要这个模型能跟观测到的数据相符合就行了
金鱼眼中的图像跟人类眼中的图像其实同样真实
两套不同的理论模型也同样管用
我们只要根据需求
哪个方便用哪个就行了
这就是依赖模型的实在论
这种哲学观听起来很滑头
但实际上
人类对于各种客观事物的认知
本来就是随着模型的改变而改变的
即便是同样的事物
在不同的模型中也会展现出完全不同的特征
举个例子
光
光到底是很多粒子所组成的粒子数
还是像水波一样的电磁波呢
为了这个问题
物理学家整整争论了三个世纪
牛顿认为
光是一个个小粒子组成的
因为这样才能解释光为什么会沿着直线前进
以及光的折射等现象
这种观点就是粒子论
但问题是
光的某些表现又是粒子论所无法解释的
比如
光在某些情况下会呈现出一系列明暗相间的圆环
就好像是水波一样
这种现象只能用波动论来解释
也就是认为光的本质是一种像水波一样的波
到了十九世纪
人们已经广泛接受了波动论
认为光是一种电磁波
这就基本上给粒子论判了死刑
但爱因斯坦对光电效应的解释却证明
光仍然可能是一种粒子
光电效应就是说
当我们使用一个高频率的光去照射特定的金属时
就会从金属的表面打出电子
但如果是低频率的光
无论这束光的强度多高
照射时间多长
都无法打出电子
爱因斯坦对这种现象的解释是
光的频率会影响单个光子的能量大小
所以一束光能不能从金属表面打出电子
只跟光的频率有关
跟其他因素无关
这个解释也让爱因斯坦拿到了一九二一年的诺贝尔奖
这个解释同时也意味着
光有可能是一种粒子
这又让粒子论起死回生了
没有 没有 好
那你来我往争到现在
光到底是粒子还是玻呢
没人说得清
物理学界目前的公认是
光具有波璃二项性
它既具有波的性质
又具有粒子的性质
它既是一种波
也是一种粒子
我们无法确定光的本质
只能说
在不同的模型中
光会呈现出不同的性质
这种说法看起来完全违背常识
但却精准的符合了依赖模型的实在论
在不同的模型中
事物所展现出的性质也不同
基于这些模型得到的现实都是真实的
这个道理其实跟之前人和金鱼的故事是一样的
在依赖模型的实在论中
所有的客观实在都必须依赖于模型才能存在
脱离模型谈实在是没有意义的
举个例子
夸克
科学家们基本已经公认了
夸克是宇宙最基础的例子之一
几个夸克结合在一起
就能组成质子和中子
然后再进一步组合成原子核
这是全世界的中学物理课都会教的知识
但霍金说
人类根本就看不见夸克
他只是用来解释原子结构的一个模型而已
而且夸克这个东西很奇怪
夸克之间存在着一种束缚力
而且这种束缚力会随着夸克间距离的增加而增加
所以夸克永远是几个连在一起的
我们不可能观察到一个独立的夸克
所以
在夸克这个概念刚刚被提出来的时候
很多科学家都不认可
你想啊
如果我们永远都无法分离出一个夸克
从理论上都不能观察独立的夸克
那我们凭什么说这个东西是真实存在的呢
但是到今天
夸克已经被作为基本例子之一广为接受了
为什么
因为夸克模型实在太好用了
根据这个模型所做出的一切预测基本都是正确的
所以我们就认为
夸克就是一种确确实实存在的真实物体
所以 霍金说
这些所谓的实在
其实都是依赖于模型的
如果有个外星文明
在他们的科学理论中压根儿就没有夸克模型
那在他们看来
宇宙中就没有夸克这种东西
好 讲到这里
你对霍金所提出的依赖模型的实在论就有所了解了
在这套哲学思想中
人类对客观实在的认知会随着理论模型的变化而发生改变
所有的客观实在都建立在模型的基础之上
因此
追问一个模型是不是真实是没有意义的
只要这个模型跟我们的观测相符就可以了
好
既然霍金自己认为
我们必须要依靠模型才能认识世界
那接下来就来看看
在霍金眼中
如果有一套可以认识世界的终极模型
那他到底应该是什么样子
霍金说
从牛顿开始
尤其是在爱因斯坦之后
物理学家们一直想找到一个可以描述一切的统一理论来解释各种物质和各种力的运行方式
这种理论就叫做万物理论
它就是我们认识世界的终极模型
我们先来看一看
这个万物理论需要满足怎样的要求
目前人类已经发现自然界有四种基本力
就是引力
电磁力
强合力和弱合力
如果存在着一个万物理论的话
那就应该能把这四种力统一起来
用一个框架来描述
此外
现代物理学有两大基本支柱理论
一个是相对论
一个是量子力学
相对论主要管宏观上的物理现象
比如天体之间的引力等等
量子力学主要管微观层面的物理现象
比如粒子的运动等等
如果存在一套万物理论的话
那他还要把这两套理论结合起来
那科学家们对万物理论的追寻到底进行到哪一步了呢
目前精确性最高
跟实验观测符合度最高的理论叫标准模型
标准模型中包含着六十一种基本粒子
以及这些基本粒子构成的物质
还有电磁力
强合力
弱合力三种基本粒
他们的所有行为都跟标准模型的预测几乎完全相符
而且这套理论跟量子力学和狭义相对论
也就是不包含引力的相对论都兼容
可以说是目前精度最高
最成功的理论
但问题是
标准模型并不是万物理论
刚才说了
自然界有四种基本力
但标准模型只能涵盖三种
不能涵盖引力
因此也不能把描述引力的广义相对论和量子力学结合起来
也就算不上是一套万物理论
那到底怎样才能把量子力学和广义相对论结合起来呢
有科学家提出了一种全新的模型
叫弦理论
刚才说到
标准模型中有六十一种基本粒子
在你脑海中
这些粒子肯定就像一个个很小的点
但在弦理论的模型中
这些粒子压根儿就不是点
而是一根根震动的弦
只是这些弦特别特别短
所以看起来就像是一个个点
这些弦具有不同的振动方式
也就对应着不同性质的粒子
弦理论这个模型可以消除广义相对论和量子力学之间的冲突
因此有可能把二者结合起来
但贤理论同样不是一个万物理论
因为随着研究的深入
科学家们发现了一个问题
就是至少有五种不同的显理论都同时成立
这是怎么回事呢
讲到这里
终于可以提到霍金心中的万物理论
也就是m理论了
科学家们认为
这五种显理论虽然表面上看起来好像没有联系
但本质上其实都是等效的
或者说
他们都是同一个基本理论的不同方面
这个基本理论就是m理论
m理论在不同的情形下会有不同的表现
因此产生了五种显理论
这个道理就好像是冰和水
虽然看起来一个是固体
一个是液体
但在本质上其实都是一个东西
只是在不同情况下表现出不同的样子罢了
在霍金看来
m理论就是目前最接近万物理论的模型
也是唯一具备成为万物理论潜力的模型
当然了
霍金也承认
人类对于m理论的了解还很少
在没有弄清理论细节之前
我们还不能宣称m理论就是人类认知世界的最终模型
霍金用了一个很精巧的比喻来描述了目前m理论的发展状况
在他看来
m理论就好像是一张拼图
我们目前发现的几种显理论
就像是把这个拼图的边缘部分给拼了起来
但问题是
这块拼图的中央还留着一个巨大的空洞
我们还不知道它的核心区域到底藏着怎样的秘密
但即使如此
我们目前也对m理论有了基础的了解
比如 霍金说
在m理论中
宇宙时空并不是四维
而是十一维的
其中的三个空间维和一个时间维是展开的
所以我们能感受到
而其他的维度都蜷缩了起来
我们感受不到
但这些维度会影响到弦的振动方式
因此会对宇宙的基本性质产生影响
此外
除了一维的弦以外
m理论中还有点状粒子
三维块状物
甚至许多更高维度的物体
这都是我们目前所难以想象的
所以说
根据m理论所提供的模型
我们眼中的客观实在可能又要被颠覆一次
这又再次印证了依赖模型的实在论
脱离模型谈实在是没有意义的
在霍金看来
如果m理论这样的理论模型能被观测所证实
那将是人类在智力上的重大胜利
我们也就可以说
人类终于找到了宇宙背后的大设计
好 讲到这里
在霍金眼中
人类认识世界的终极模型是什么样
你就已经明白了
万物理论必须能够描述四种基本的自然力
还要把量子力学和相对论结合起来
目前看来
唯一具有成为万物理论潜力的就是m理论
在m理论中
宇宙的基本构成并不是粒子
而是一根根震动的弦
宇宙时空也不是四维
而是十一维
一旦m理论被证实
那将再一次颠覆我们对客观实在的认知
但同时也会是人类理性的重大胜利
说到这儿
大设计这本书中的哲学思想你就大概有所了解了
我再来为你总结一下
首先讲到的第一个问题是霍金为什么认为实在论是不可靠的
因为量子力学的研究发现
我们的观测行为会对客观事物的性质造成影响
观测者和被观测者之间的界限被打破了
也就谈不上什么客观实在了
从脑科学的角度来说
我们所观察到的世界
其实是大脑建立的心理模型
并不等于事物本身
所以霍金才认为实在论是不可靠的
接下来的第二个问题
是关于霍金提到的依赖模型的实在论
霍金提出
当理论模型发生变化的时候
我们眼中的客观实在也就会发生变化
所有的客观实在其实都建立在模型的基础上
我们不用去追问一个模型到底是不是真实的
只要它跟我们的观测相符就可以了
最后一个问题讲到了霍金眼中人类认识世界的终极模型m理论
霍金认为
m理论是目前唯一具备成为万物理论潜质的模型
它有可能统一四种自然力
还能把量子力学和相对论结合起来
当然了
我们目前对m理论的了解还很少
还没有了解其中真正的秘密
如果艾姆理论一旦被证实
势必又将颠覆人们的认知
这同时也是人类智慧的重大胜利