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本文为20121130期小红猪抢稿译文

译者:费戈登

校对:朱机

小红花等级:3朵

作者:Eric Scerri

有人说,像原子级别的粒子是真实存在的实体,我们应该接受这一点。另一些人则激烈反对。其实,存在一种解决分歧的方法。

我们是否曾忍不住怀疑着,像电子、黑洞、希格斯粒子之类的实体真的存在吗。作为一个化学家,我为我研究的领域中,什么是真实可靠的东西而担忧。到底是“化学实体”,还是能大致解释元素周期表的“化学理论”和量子力学?我关心这点的另一个原因是,这一切都直指一个古老而重要但未解决的争论——如何看待科学发现。

这场争论有两个主要阵营:科学实在论和反实在论。前者认为,既然科学已经通过激发出电子之类的实体取得了巨大成就,那么我们下一步该做的就是接受它们确实存在的事实,由科学描绘的世界就是“实在的”世界。我们现在拥有的理论体系是很成功的,不可能只是巧合。不知不觉中我们已经掌握了宇宙的蓝图。

这个说法不符合有些人的口味。反实在论者承认科学带来的成就,但仅此而已,拒绝进一步相信他们不能真正看见的物体的物质性。反科学实在论者基本上以如下方式表达他们相反的观点:过去有过那么多理论和理论上的实体(还记得以太和燃素吗),为什么我们要把它们任何一个看作“实在”?很难说每个阵营有多少科学家——再说,你也可能对一些理论持实在论,但对更抽象的一些理论持反实在论,比如量子力学。

【图片出处:http://omartrujillo.tumblr.com/】

反实在论者还表示,他们的认知方法使他们在发现一个特定的实体或理论变得多余的时候更容易接受改变。他们称,不对某个理论投入信念使他们更容易转向接替的新理论 。

实在论者觉得这样的方法定性是漫不经心的,甚至是危险的。科学随着探索世界的真相的深入而进步,如果接连不断地有新理论取代旧理论,那真是奇迹般的进展。这里的担忧是,反实在论可能会让人以为所有的理论都是相对的,这会威胁到对科学进步的观念。你可能会认为这只是“科学哲学家”(研究科学的哲学家)讨论的题目,但是科学家怎样展现自己,以及其他大众怎样看待科学的状态确实是非常重要的。

有没有什么办法打破这个僵局?伦敦经济学院的科学哲学家约翰·沃勒尔在1989年发表了论文《结构实在论:对两个世界都是最佳?》,刊登在期刊《辩证法》上。其中,他概述了结构实在论,并将这种方法追溯到法国数学家亨利·庞加莱等人。在沃勒尔看来,在科学理论变化时,存活下来的东西与其说是内容(实体),不如说是内在的数学结构(形式)。

沃勒尔以19世纪的光学理论为例支持这个观点:1812年,法国工程师奥古斯丁·让·菲涅耳发展了一个描述光性质的理论,它成功地预测了一些现象。菲涅耳确信光波是种存在于无处不在的力学介质中的扰动。但是,这个理论被约翰·克拉克·麦克斯韦的电磁辐射理论赶超,后者认为光是种在电磁场中的扰动。

虽然有这样的失败,沃勒尔和其他一些人认为,菲涅耳对光的“结构”的看法是正确的,如果说“实体”错误的话。因为他的一些等式能被麦克斯韦的理论包含进去,而且在麦氏理论下光的行为模式也遵守菲涅耳的理论中类似的定律。

布里斯托尔大学的哲学家詹姆斯·雷迪曼和物理哲学家利兹大学的史蒂文·弗伦奇、牛津大学的西蒙·桑德斯支持沃勒尔。在他们那里,他们拓展了结构实在论,解释经典物理到相对论的转变,和经典力学到量子力学的转变。粒子不是最终的实体,这个想法并不完全是新的,但一些批评家暗示,弦理论中量子弦的理论化只是用一种实体代替另一种而已。结构实在论去除了对“实体”任何形式的注意而走得更远。

接下来在2007年,雷迪曼和他人出版了一本煽动性的书,叫做《放弃一切》。他们在书中提出要放弃基于诸如粒子的“物体”的科学本体论,而只关注于基础的数学结构。

公平而言,若要说结构实在论提供了严肃的前进方法,它得在其他科学领域也有效才行。所以我一直致力于将它应用在元素周期表上。这张元素构成的表是对所有化学元素以及一些情况下由它们组成的化合物的行为特性进行分类的系统。表上的元素按照原子序数(即质子数)递增顺序排列,在有规律但不同的间隔(2,8,18,32,32,等等)后,元素的性质表现出近似的重复性。

在1869年德米特里·门捷列夫发表他的元素周期表时,没人知道原子的基础构造,也不知道原子含有质子、电子和中子。帮助解释周期表机制的知识,是量子理论的产物,后者由尼尔斯·玻尔,沃尔夫冈·泡利和埃尔文·薛定谔在20世纪20年代提出。

大致而言,电子在量子壳中出现。外层壳中的电子数掌握一个元素的化学性质,也决定了它会掉到元素周期表的哪一列。一开始,阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论对化学几乎没什么影响,但现在,化学家已经几乎离不开它,尤其是在对原子和分子各种属性的理论计算时。比如,相对论已被用来解释为什么金有独特的黄色,而不像它周围的其它元素。而且,化学领域应用相对论和量子力学预言了很多化合物,包括新的富勒烯分子WAu12,其中含有钨。

保留下来并且很可能继续保留下去的,是在周期表中体现出的元素间的关系。这完全是化学的结构,或者说建构原则,而不是它的内容。但是这个结构是数学的吗?这点怎么看都还不明确,学界现在正用群论研究周期表中的数学,以此确定这一点。我猜想结果可能是这样,值得留意一下。

再看现代生物学,结构实在论是否有一席之地?在一些层面上,它和化学的发展轨迹相似。查尔斯·达尔文在1859年发表基于自然选择的进化论时,这个理论缺乏实施选择的物理机制。这点最后由DNA的发现所补充,就像电子在化学里一样。

但是DNA只能走到这里,要更深入的话我们要采取一个数学的途径。DNA根据碱基A,T,G,C的顺序决定基因编码。这就变成了数学组合的问题。而这些个计算问题令20世纪90年代进行的人类基因组计划得以结题,现在又轮到了基因组学。

沃勒尔的结构实在论正处于正轨,不仅对物理学行得通,也可以解释化学和生物学。如果我是对的,他和他的同僚应该得到赞誉,因为他们为这场旷日持久的、针对最最基本问题的苦战提供了一条解决方案。

关于本文

Eric Scerri,加州大学洛杉矶分校化学、科学史和科学哲学讲师。他出版了很多有关元素周期表的著作,包括《元素周期表的非常简短的介绍》(牛津大学出版社)。最近一场有关结构实在论的讲演将在不久后发布于www.ericscerri.com。

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35 Responses to “[小红猪]结构实在论:色非空,是数学结构”

  1. 路人甲说道:

    "科学哲学对科学家的作用就像鸟类学对鸟的作用似的“

  2. Sonullx说道:

    翻译略有死板……
    什么东西是真实存在的这个问题仅仅取决于对存在的定义。
    我倒觉得科学从来不研究是什么,只研究有什么性质。

  3. morpheus说道:

    实在是读得艰辛,看到后面就忘了前面。

  4. wb说道:

    1、一个事物存在但不与其他任何事物联系,那么它的存在性就是在我们的系统无法证明的。
    2、一个系统(比如我们的宇宙)的存在性是否可以完全的由其内部所有事物间的相互联系来给出?如果是,我们选科学实在论,否则,反对它。
    3、根据1,我认为事物的实在性是由它与观察者是否互相影响决定的,它的判据由观察者决定。eg:有两个互不关联的世界A和B,A中的观察者认为A是实在的,B中的观察者认为B是实在的,且不存在一个观察者,他能同时观察A和B(否则A与B会产生联系)从而确认A和B同样具有实在性。从而证明了系统的实在性仅对系统中的观察者有意义,系统无法证明自身的存在。这也是对2中问题的回答。
    4、最后问题归结于,观察者如何认识自己所处的系统。

    • wb说道:

      又想到一点,数学里的存在性与物理里的实在性,这俩到底有哪里不一样?
      物理里的实在性是由观察者赋予的,而观察者也是由系统的元素构成的(比如构成人体的元素是由上古时期超新星爆炸等途径产生的),根据事物间普遍联系的哲学原理,观察者可以确认整个系统的实在性(可知论)。
      观察者也是分等级的,等级划分按照观察者改造世界能力的能级层次划分,这种能力的构成是一种结构复杂的系统,但归根到底要看能源使用的等级(化学能、太阳能、电能、核能)和科学发达等级(对物质世界的认识程度)。这说明观察者同时也是世界的改造者,如果把观察者视为一个开放系统的话,观察就是世界对观察者的输入,改造就是观察者对世界的输出,如果在处理器中加载‘生存和发展’程序,就大致可以保证观察的可持续。
      而数学里的存在性则不得不扯到哥德尔不完备性定理了,先来个传送门;
      https://songshuhui.net/archives/20161

      • wb说道:

        又查了一遍关于哥德尔思想里数学完备性、一致性、相容性等一系列讨论,不得不感慨一下我又绕晕了。
        叹一句:我们的宇宙无疑是完备的,因为它如此完美的运行着,但它也是充满矛盾的,因为在宇宙的每一个层次和细节都可以普遍的发现矛盾的存在。

        • EntropyAe说道:

          对了,亲,要是亲找不到原文毛病,又忍不住自己想显摆的性格,请亲忍一下。毕竟乱发东西是不好的,会给自己和别人带来身心健康的影响喔,哥德尔的不完备性定理不是用在这的,请亲不要转移原来的话题哟。这个只能证明亲很有幽默感喔…纯属路过,请勿指责… - -

      • EntropyAe说道:

        嘿嘿,我也忍不住了,不记得哪本书里说了,爱因斯坦和庞加莱的对话了,有一句极好的反应了,数学里的存在性与物理里的实在性哟。嘿嘿,亲想转移话题是吧。但是不能臭显摆哟…路过请勿指责… - -

    • EntropyAe说道:

      哈哈哈哈哈…我觉得你很有幽默感哟亲…请亲搜一下什么“奥卡姆剃刀原理”。我纯粹路过,请勿指责喔亲…

  5. wb说道:

    事物之间的关系比事物本身是什么更值得人们相信。

  6. Illusiwind说道:

    此无聊蛋疼文又出来了。
    另外译者也没把那个错改过来。
    “讨论这个完全没意义,在一个理论模型被试验推翻之前就认为它是真实世界的运作方式就行了,质子看不见摸不着,它到底是真实存在的还是只是个模型一点关系都没有。你要能用试验证明质子跟以太或燃素那样完全不存在那当然没问题。
    PS ‘2, 8, 8, 18, 32, 32, and so on’ 中间少了个18.这人明显化学也没学好嘛。”

    • 路人甲说道:

      赞!

    • EntropyAe说道:

      亲装牛逼也不带亲这样的喔,你连为什么电子会出现分层都不懂,敢在这里叫嚷,还成天挑剔人家的毛病。亲都这样说了,原子什么的存在不存在,科学定律的正不正确性全看亲的科学教养和亲的性格了咯,还有看现代科学家努力不努力了咯…哇咔咔…纯属路过,请勿指责… - -

      • Archon说道:

        好吧电子为什么会出现分层的。。。

        • Another说道:

          我也想看看“EntropyAe”这货怎么解释的,这个东西解释就要扯到其他的东西,直接省略普朗克啊,薛定谔啊什么的了,玻尔解释氢原子核周围的电子,因为电子吸收能量,而发生跃迁。然而这个只能用于解释氢原子,对于氢原子以外的就不适用了,好像称为“玻尔对应原理”…高中就学到这里了。

          • EntropyAe说道:

            令人讨厌啊…刚刚睡醒就发这种东西。高中物理学得不错啊,接着量子力学登场,在原子核周围旋转的电子不能单纯的看成粒子,而是波,其波长依赖于它的速度。轨道周期为电子波长的整数倍,通过每次循环波峰和波峰,波谷和波谷都在同一个位置,这样波就相互加强,而形成固定的轨道。不是说好了,路过不找茬的吗… - -

    • EntropyAe说道:

      亲,的确很有幽默感喔,我纯属路过,请勿指责哟… - -

  7. 末法时代说道:

    色法只是五蕴其中之一,和空不空有什么关系???禅宗喜欢搞这些玩意。

    释迦牟尼说色聚是物质的最小单位不可再分,但是又说色聚不是概念法(即是说不是物质性的),但是又不说色聚是究竟法,所以我对色聚还是很迷惑,这种只能在内观中观察到的东西,真是说不清楚

    • 末法时代说道:

      结果后来看了南传的说法,原来色聚还就是概念法,而且还是物质的最小单位,各位物理学家不必再研究了,这种最小单位只能用心识去观察。。。

      • Archon说道:

        我的嘞个擦。。。。心识。。。。。这让吾等凡夫俗子怎么活啊(我就讨厌佛教这点)

    • EntropyAe说道:

      亲,你也很搞幽喔,科学定律是你拜一下佛祖就能知道得吗?构成物质的短程作用力,四力之一叫强力,是构成原子多样性的基础哟亲,请去搜搜量子色动力学吧…比起你那个,我觉得这个更符合本文哟。纯属路过,请勿指责… - -

  8. 旅行者三号说道:

    当哲学遇上科学,纠缠不清的关系从很早的时候就有了,围观这场旷日已久的辩论很有意思。

  9. 飞舞的酸菜缸说道:

    明明是科普文,下面的评论竟然扯到了佛教的“极微论”,要不要我来下一篇关于极微论的“科普文”?

  10. Metaverse说道:

    泛泛而谈地讨论“客观世界”是什么没有什么意义,我们最终能得到的就是不同层次上不同程地度精确的数学模型而已……虽然我还是认为存在有这么一个真正存在的实体世界投射在各人脑子中,因为比起所有这么多不同的人脑子中自行构建出来的世界居然如此相似,这样解释起来要简单经济得多……

    • EntropyAe说道:

      亲,请区分好科幻和科学好么?要是科学家都这样,那就应该是科幻小说家了,虽说幻想很重要,但是亲一味的封闭在自己的世界里什么都了解不了,不是吗?活在自己的世界里没有对错,也不需要对错。确实会存在一个真实的世界,但是请亲努力探索,而探索正是“不同层次上不同程地度精确的数学模型”…看你怎么理解了咯。纯粹路过,请勿指责… - -

  11. 梧桐说道:

    真心觉得不如我翻得好。。。

    • 梧桐说道:

      而且还加了个莫名其妙的色和空的题目,引得讨论都跑到佛学去了

      • Scarlett Suen说道:

        啊拉,“色即是空”,你可以理解为“物质并非是真实存在的”。其实很贴切,就是意义比较生僻了。

        • zzzzf说道:

          没错,我也觉得比较贴切。
          另外,长期以来,我也比较怀疑到底有没有基本粒子,当然,其实不关我事啦,茶余饭后偶尔怀疑一下而已。。。。。

          • Archon说道:

            我一直觉得我的化学不好就是因为这些粒子是不存在的啊!!!!!(额。。。好像是物理额。。。)

          • Another说道:

            原子是化学研究的上的最小单位,化学说白就是应用物理,大家都心照不宣而已。看你这样,多在自己身上找原因吧…不得不说“EntropyAe”这家伙很厉害啊,但是太古怪了点。

      • EntropyAe说道:

        与其说到佛教上,我还是觉得量子色动力学更贴切吧,夸克什么的不是用颜色来区分吗?红色(H)夸克、绿色(G)夸克和蓝色(B)夸克。没有这些颜色,不就空了吗?挺好的啊!纯属路过,请勿指责… - -

  12. EntropyAe说道:

    看完原文,怎么说呢,还算是有点意思吧,但是很多的东西都是照搬旧套的,在很多本的书上都能看到其影子,而且完全不能启发人。你说这个是时代进步脚印还差不多,要是说其实里程碑的话,那就与实不和了。而看到下面一版一版的评论,我只能告诉你:“我笑了。”深深感觉你们没文化得可怕啊,为了体现出你们知道得好像很多,没必要到处乱搜,乱发一下毫无关系的东西。不是上文漏洞百出,而你们发的东西搞幽喔…你们发的东西不仅与上文不搭调,严重偏题就算了吧,重要的是你们自己还不知道…诶!那个叫wb的,你发了那4条东西,其实那4个只会引发一系列无法证明和验证的悖论。请亲看完以下这段:“Entities should not be multiplied unnecessarily”这货叫“奥卡姆剃刀原理”这货就帮助爱因斯坦扒开以太的迷雾,那么请亲抛弃以上4点。看完亲的,我是真的笑了…

    • Another说道:

      说实话,我觉得你才是装B吧,说出一大串,却又没有说出能够解决的方针,还到处评论人家的评论,而且以那种口吻,看着就受不了,是不是嫉妒人家了?我说你的心理是不是没有成熟啊?这点都要评论人家,人家怎么想是人家的事情关你什么事啊孩子,洗洗早点睡觉吧

  13. 圓月彎刀说道:

    空非空,色空不二,都是數學結構

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