標準模型哲學(xué)之思論文

　　什么是構成宇宙的終極粒子？從古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出原子的存在開(kāi)始，無(wú)數的理論家和實(shí)驗家為解開(kāi)這一謎團已經(jīng)奮斗兩千多年，直到來(lái)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(jiǎn)稱(chēng)LHC）取得了重大進(jìn)展--發(fā)現存在希格斯玻色子的證據。希格斯玻色子的發(fā)現檢驗和發(fā)展了粒子物理的標準模型，我們現在對微觀(guān)世界的理解是按照量子場(chǎng)及其相互作用來(lái)定義的，在現代所有的關(guān)于量子場(chǎng)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(guò)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(jìn)自由”等特殊現象提供說(shuō)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，都證實(shí)了標準模型所預先構想的結構。

　　隨著(zhù)當代科學(xué)前沿的新進(jìn)展，也推動(dòng)著(zhù)物質(zhì)范疇、物質(zhì)世界的起源及構成等哲學(xué)問(wèn)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(shuō)明實(shí)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(shí)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(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 )造了構成世界的新的實(shí)在。

　�。ㄒ唬┙�(jīng)典實(shí)在論，也可以成為“實(shí)體論”，主張實(shí)在就是各種實(shí)體的總和，認為存在一個(gè)真實(shí)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(gè)確定的位置，占據一定的體積，是客觀(guān)存在的，與感知它們的觀(guān)察者無(wú)關(guān)。經(jīng)典實(shí)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(gè)客觀(guān)物體。一棵樹(shù)、一匹馬以至一個(gè)任何物體的概念都是根據經(jīng)驗得來(lái)的創(chuàng )造物�！苯�(jīng)典物理學(xué)以具有不變的屬性規定物體的實(shí)在性。

　�。ǘ�）量子實(shí)在論。

　　隨著(zhù)現代物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典實(shí)在論開(kāi)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(xué)家已經(jīng)不再像十九世紀物理學(xué)家那樣設想把整個(gè)物理學(xué)建筑在純粹實(shí)物的概念基礎上，而是創(chuàng )造了關(guān)于實(shí)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(shí)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(lài)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(shí)測量粒子的位置和速度，只能得到一個(gè)概率，從某種意義上說(shuō)，我們的觀(guān)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)都是由分子構成的，而分子又是由原子所構成，原子再進(jìn)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(gè)類(lèi)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(shí)在與形式的關(guān)系問(wèn)題。經(jīng)典物理學(xué)家一貫希望科學(xué)應該去說(shuō)明我們之外的實(shí)在，實(shí)在不可能依賴(lài)于我們的存在，因此科學(xué)描述實(shí)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(shí)在并不是外在于觀(guān)察者的，而是與觀(guān)測相關(guān)的。

　　由此，量子物理學(xué)所創(chuàng )造的實(shí)在，確實(shí)與經(jīng)典物理學(xué)的實(shí)在大有差別，當基本粒子第一次被發(fā)現提出之后，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(guān)存在性，認為只是觀(guān)察中的感覺(jué)，僅僅是作為數學(xué)關(guān)系的表達符號而已�？梢�(jiàn)這些微觀(guān)世界的基本粒子已然與傳統意義上的物質(zhì)概念有所不同，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實(shí)體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現了內在矛盾�！痹谶@個(gè)“看不見(jiàn)的世界”中，物質(zhì)的實(shí)在性與以往大相徑庭，傳統的實(shí)在論思想已漸人衰勢。

　�。ㄈ�）依賴(lài)模型的實(shí)在論。

　　從牛頓的經(jīng)典理論到量子理論，對于科學(xué)所描繪的實(shí)在一直有著(zhù)反對之聲，長(cháng)期伴隨著(zhù)實(shí)在論與反實(shí)在論之爭，然而宇宙大爆炸之前世界的存在問(wèn)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(lái)“一個(gè)物理理論和世界圖像是一個(gè)模型（通常具有數學(xué)性質(zhì)）以及一組將這個(gè)模型的元素和觀(guān)測相連接的規則的思想�！彼�所理解的“實(shí)在”只是一個(gè)與人們觀(guān)測到的圖像相對應的理論或模型，即依賴(lài)模型的實(shí)在論。

　　以金魚(yú)世界中的實(shí)在觀(guān)為例，養在彎曲的魚(yú)缸里的金魚(yú)，由于魚(yú)缸的變形，它所觀(guān)察的外部世界與人類(lèi)所看并不相同。我們觀(guān)測一個(gè)物體的直線(xiàn)運動(dòng)，會(huì )被金魚(yú)觀(guān)察成曲線(xiàn)運動(dòng)。顯而易見(jiàn)，金魚(yú)的視覺(jué)圖像所形成的“實(shí)在”和人類(lèi)認知的“實(shí)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(yú)的物理世界更真實(shí)？霍金對此持否定態(tài)度，他認為金魚(yú)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(jìn)而預測缸外物體的運動(dòng)。如果一個(gè)人處在金魚(yú)缸內，那么金魚(yú)的物理學(xué)定律便會(huì )有用。換言之，金魚(yú)的物理學(xué)定律不僅真實(shí)，而且會(huì )比人類(lèi)參考系中的物理學(xué)定律更為復雜。由此確立了依賴(lài)模型的實(shí)在論的重要觀(guān)點(diǎn)：不存在與圖像或理論無(wú)關(guān)的實(shí)在概念。這為解釋現代科學(xué)提供了框架，尤其為我們看不見(jiàn)的粒子世界提供了合理地說(shuō)明。由于漸進(jìn)自由，我們在自然界中看不到孤立的夸克，也不能在實(shí)驗室制造它們，“對于許多科學(xué)家而言，將實(shí)在性賦予一個(gè)在原則上也許永遠不能被觀(guān)測到的粒子的思想是太過(guò)分了�！钡�是，隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，人們借助不斷提高的實(shí)驗技術(shù)水平掌握了愈來(lái)愈多的觀(guān)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(shí)在性。

　　二、認識論透視下的引導轉向

　　物理理論形成的經(jīng)典過(guò)程是從實(shí)驗到理論，但在現代物理學(xué)的理論形成過(guò)程中，往往先是數學(xué)推理一理論模型，然后再在實(shí)驗中進(jìn)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(fā)現所有基本粒子之后才歸納出來(lái)的，相反根據標準模型幫助我們正確的發(fā)現了許多未知粒子。如此一來(lái)理論和經(jīng)驗之間結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，現象與結論并不存在著(zhù)一種必然的聯(lián)系，從觀(guān)測到的現象出發(fā)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(shí)物理學(xué)家們被淹沒(méi)在沒(méi)有一個(gè)理論框架來(lái)理解它們的實(shí)驗數據當中，九十年代的情形可能相反，實(shí)驗數據全部跟標準模型一致，結果是，沒(méi)有重要線(xiàn)索來(lái)自實(shí)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(shí)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(shí)驗引導理論，而九十年代是理論引導實(shí)驗�！�

　　自從1932年發(fā)現中子，認識到原子由電子、質(zhì)子和中子組成之后，新發(fā)現的粒子越來(lái)越多，而當時(shí)并沒(méi)有一個(gè)理論能夠統一解釋新發(fā)現的粒子，因此物理學(xué)家只得把上百種粒子都稱(chēng)為“基本粒子”，直到粒子物理標準模型建立起來(lái)，才對這些基本粒子進(jìn)行了統一的描述。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。標準模型預言的所有規范玻色子在1983年得以全部發(fā)現，所有三代費米子在2000年全部發(fā)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(gè)被稱(chēng)為“上帝粒子”的希格斯玻色子也在2012年發(fā)現�？梢哉f(shuō)，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(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(méi)有一個(gè)完整的理論框架解釋實(shí)驗數據發(fā)展到提出的新理論因超出目前的實(shí)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(cháng)度（Lp）和普朗克質(zhì)量（Mp）來(lái)代表，而這樣的尺度是現代物理實(shí)驗無(wú)法探測到的。

　　在現代物理學(xué)到來(lái)之前，人們普遍認為，關(guān)于世界的所有知識都能通過(guò)直接的觀(guān)測獲得，事物就是它們表現出來(lái)的樣子，通過(guò)我們的直覺(jué)被我們感知。但是隨著(zhù)現代物理學(xué)的到來(lái)及發(fā)展，我們的研究對象已不單純是由肉眼直接觀(guān)察的事物，而是轉向了只有通過(guò)測量和邏輯推理才能“看見(jiàn)”的事物，使得人們對事物的認識往往更依賴(lài)于理論。1897年英國物理學(xué)家湯姆遜通過(guò)真空玻璃管里的電流實(shí)驗，做出了一個(gè)大膽的結論：管內的射線(xiàn)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(gè)實(shí)驗中湯姆遜并沒(méi)有親眼所見(jiàn)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(jiàn)它們。再比如尋找希格斯粒子，大型強子對撞機（LHC）上的ATLAS實(shí)驗和CMS實(shí)驗就是為了探索希格斯李子。通過(guò)對光子、輕子和強子的探測和識別，包括測量它們的能量動(dòng)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�在亞原子層次的科學(xué)研究上，只能以間接的經(jīng)驗數據為依據。因為大部分的粒子的生命都不到百萬(wàn)分之一，且小得無(wú)法直接觀(guān)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(lái)的。物理理論表達的方法不再是傳統的簡(jiǎn)單的經(jīng)驗描述--從知覺(jué)材料直接到達實(shí)在世界，而是一種理性的概念構造活動(dòng)--邏輯推斷、數學(xué)運算、言語(yǔ)活動(dòng)和思維活動(dòng)�，F代物理學(xué)的構建已然對傳統物理學(xué)描繪的科學(xué)世界圖景帶來(lái)了巨大的沖擊。

　　三、方法論文脈內的實(shí)驗轉向

　　對于物質(zhì)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(zhì)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(lái)解釋?zhuān)�它們通過(guò)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(wàn)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(guān)粒子并不是傳統意義上的物體，“物質(zhì)的概念本身失去了它的實(shí)體性，基本粒子的概念在其身上發(fā)現了內在矛盾�！边@是一個(gè)我們看不見(jiàn)的粒子世界，是從間接的觀(guān)察中推斷出來(lái)，是人類(lèi)無(wú)法直接觀(guān)察到的。

　　LHC上并沒(méi)有真正觀(guān)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(gè)光子，人們只是靠分析與統計衰變后的產(chǎn)物來(lái)推斷它們是從希格斯玻色子生成，而非其它來(lái)源生成；因“夸克禁閉”人們亦無(wú)法獲得一個(gè)自由的夸克，即夸克僅是停留在理論上的存在。連同在宇觀(guān)領(lǐng)域中暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現也一樣：我們不知道宇宙中大部分的能量來(lái)自哪里，也不知道宇宙所包含的大多數物質(zhì)的本質(zhì)是什么，但我們知道宇宙中存在著(zhù)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?chē)�的物質(zhì)有著(zhù)明顯的影響。我們確定暗物質(zhì)、暗能量的存在，只是通過(guò)間接的方式。這些都意味著(zhù)它們是在完全“看不見(jiàn)”的狀態(tài)下，只能作為一種理論實(shí)體而存在。

　　依賴(lài)于物質(zhì)的或直觀(guān)的手段已無(wú)法適應對理論實(shí)體研究的要求，尤其現代科學(xué)研究活動(dòng)中，對于進(jìn)行物質(zhì)實(shí)驗的技術(shù)條件要求越來(lái)越高，進(jìn)而實(shí)驗的展開(kāi)也面臨越來(lái)越大的困難。例如發(fā)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(kāi)始運作，歷時(shí)近30年，耗資數百億美元，有全球五千多名科學(xué)家參與其中。由此可見(jiàn)物質(zhì)實(shí)驗總要受到物質(zhì)條件的約束，科學(xué)每前進(jìn)一步，都會(huì )面臨著(zhù)巨大的挑戰，可以說(shuō)傳統的物理實(shí)驗在粒子世界的研究中遭遇到了難題，科學(xué)研究的常規手段--物質(zhì)實(shí)驗只能在有限的范圍內使用，這就越來(lái)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(shí)驗將更有價(jià)值�；�于現代科學(xué)前沿的發(fā)展，思想實(shí)驗將作為一種優(yōu)越的研究手段發(fā)揮主導作用。

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