当代规范理论语境中的科学实在论

1、当代规范理论语境中的科学实在论    关于物质结构的各种量子场论（包括经典量子场论、规范场论、量子引力），都是量子力学和相对论从不同角度、用不同方法、在不同程度上的结合，其中以杨Mills理论为核心的规范场论是最成功的，以它为基础的粒子物理的标准模型，统一描述了62种基本粒子及其相互之间的强作用、弱作用和电磁作用（描述引力作用的广义相对论是一种不同于杨Mills理论的规范理论）。本文正是要在当代规范理论语境中，通过考察粒子物理的标准模型，直接面对科学实在论和反实在论争论的焦点微观世界中基本粒子是否真实存在的问题，为此要回答基本粒子到底是什么的问题，如果是

2、些理论实体（粒子、场或者弦），那么哪个更基本？如果是些数学结构，那么是些什么样的表象？它们跟经验证据有什么样的关系？最终为科学实在论提供一个很好的案例和论证，说明科学理论能够揭示物质世界的深层结构。一 关于量子场论哲学的研究进展无论在国内还是国外，有关相对论和量子力学的哲学研究都很多，相形之下，关于各种量子场论（包括经典量子场论、规范场论、量子引力乃至弦论）的哲学考察则为数不多。可是，从量子力学和狭义相对论结合产生经典量子场论（量子电动力学）开始，量子场论已成为当代物理学中最基本的部分，成为理解物质世界基本结构的概念框架，并且像物质世界的基本实体问题，以及物理对象、时空、实验、相互作用之间的关

3、系问题等一系列新老问题，只有放在量子场论的统一框架中才可能阐释清楚。同时，自从20世纪60年代逻辑经验主义衰落之后，科学实在论和反实在论之间的争论成为了科学哲学的主战场。但是专门讨论量子场论中的实在论问题的文章为数不多。在国内，由于辩证唯物主义的传统，何祚庥的量子复合场论的哲学思考（1997）、金吾伦的物质可分性新论（1988）总结讨论了物质的层次结构问题。薛晓舟、张会的现代物理学的哲学问题（1996）、洪定国的物理实在论（2001）以及薛晓舟的量子真空物理导引（2005）用了专门的章节讨论量子场论的哲学，加上另外几篇论文，都体现出物理系教授的准确性，但在哲学上的系统研究不够。近几年还出现在物

4、理学背景下讨论时空实在论、结构实在论的几篇论文，比如郭贵春、程瑞的“时空实在论与当代科学实在论”，以及在曹天予影响下对结构实在论的介绍等。但就量子场论哲学来说，国内最新进展是桂起权、高策等人撰写的规范场论的哲学探究它的概念基础、历史发展与哲学意蕴（2008），该书的重点在于规范场论的概念思想史研究，是量子场论的哲学研究的一个亮点，也是国内规范场论哲学研究的新起点，只是该书尚未讨论规范场论以及粒子物理标准模型中的科学实在论。事实上，量子场论中科学实在论（包括本体论）研究是更为基础性的研究，这也可以从国外的研究看出来。在国外，公认的量子场论中的哲学问题研究，肇始于雷德黑德（Michael Redh

5、ead）的两篇论文（1980和1983），尤其是“针对哲学家的量子场论”（1983）这篇论文，提出并试图回答诸如：“能不能给量子场论一种粒子解释；以及能不能确定基本粒子是场还是粒子；”等8个问题。1988年出版第一本会议论文集量子场论的哲学基础,首次明确意识到量子场论的哲学研究滞后的原因主要是复杂的数学形式遮盖了其中的哲学问题。1991年桑德斯和布朗（Simon Saunders，Harvey R. Brown）主编的论文集真空的哲学，12篇论文主要对量子场论中的真空概念进行了本体论方面的研究。20世纪90年代的研究专著只有三本。1995年泰勒（Paul Teller）的量子场论的诠释1和欧阳

6、（Sunny Y. Auyang）的量子场论是如何可能的？2,分别提出了两个相竞争的基本实体：场量子(field quanta)和场事件(field events)。1997年曹天予的量子场论史专著二十世纪场论的概念发展，在最后一章历史性地总结了，正是规范场纲领中的本体论综合了几何纲领中的本体论和经典量子场纲领中的本体论，才实现概念发展，并为科学实在论做了辩护。随后几年主要是从事物理学哲学的专家跟主流科学家（包括好几位因量子场论而获诺贝尔奖者）就量子场论的基础问题，所进行的相互对话和评论，形成三本会议论文集，量子场论的概念基础（1999）、物理学在普朗克尺度上与哲学遭遇：量子引力的当代理论（2

7、000）和量子场论的本体论方面（2002），对话最多的还是量子场论中的本体论和实在论问题，包括对泰勒的量子场论的诠释做了各种讨论。学术论文也越来越多，综合（Synthese）就量子场论中的结构实在论出了专辑（2003）。近几年来，研究向纵深发展，2006至2008年牛津大学出版社出版的一套书，有一种把量子场论中的哲学研究跟一般的哲学理论研究结合起来的趋势。其中一本希利（Richard Healey）的规范实在当代规范理论的概念基础3（2007），该书第一部分（包括1-4章）从对人类最早发现的规范场电磁场中的电磁势和A-B效应这种实验现象的关系入手，认为规范势表示了一种非定域的结构，该书第二部分

8、（包括5-8章）把第一部分的结论推广到量子化了的规范理论中，试图以圈（代替点）表象来解释规范场论。该书是国外唯一一本专门研究规范理论哲学的专著，是作者多年来研究规范理论的总结，但是其重点还是在解释规范场论本身。总之，人们逐渐认识到量子场论是科学哲学发展的新契机，犹如相对论和量子力学推动科学哲学的发展一样。近几年来在科学实在论和反实在论之争中，国外反实在论阵营更加注重案例分析，发展了本来在反实在论中就很有力的“不充分决定论据”和“悲观的元归纳证据”。面对新的挑战，科学实在论不得不回到科学实在论和反实在论争论的焦点基本粒子的实在性问题。其实，在当代规范理论的框架下讨论科学实在论，正是量子场论的哲学

9、研究不同于相对论哲学和量子力学哲学的特质所在，它的地位类似于相对论中的时空问题和量子力学中的测量问题。二 关于粒子物理的标准模型2008年9月10日，花费20年耗资54.6亿美元的大型强子对撞机（LHC）在著名的欧洲核子中心正式启动，这个有80个国家和地区7000多名科学家和工程师参加的项目，首要任务就是为了证明粒子物理的标准模型中，被喻为“上帝的粒子”的“希格斯玻色子”的存在。（中国也有几百个工程师和科学家参与了LHC对撞机和探测器的设计建造，并将参加物理数据的获取、分析和研究。）希格斯玻色子和标准模型为什么如此重要呢？这跟它在标准模型中的地位、以及标准模型在粒子物理中的意义和地位有关。概括

10、地讲，粒子物理的标准模型是统一描述所有基本粒子、及其相互之间的强相互作用力、弱相互作用力和电磁力的理论。就具体理论而言，粒子物理的标准模型包括电弱统一理论和量子色动力学，它们都是规范场论。在标准模型中，所有基本粒子分成费米子和玻色子，费米子自旋为半整数并且遵守泡利不相容原理，玻色子自旋为整数并且不遵守泡利不相容原理，而费米子之间的相互作用力是通过中介玻色子来传递的，由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。标准模型中规范玻色子包括：8种传递强相互作用的胶子、1种传递电磁相互作用的光子、3种传递弱相互作用的W+、W-和Z0玻色子，这些规范玻色子自旋为

11、1，另外还有玻色子自旋为零的希格斯玻色子，正是它形成的希格斯场，使得在其中运动的夸克和轻子以及传递弱相互作用的W+、W-和Z0玻色子获得质量，可以说希格斯玻色子是质量之源。也正是在此意义上可以说希格斯玻色子是标准模型的拱心石。另外，标准模型所预言的62种基本粒子中，除了13种规范玻色子和希格斯玻色子外的48种费米子，又分成发生强、电弱作用的夸克和只发生电弱作用的轻子。轻子分成6类，分别是电子和电子中微子、子和子中微子、子和子中微子，夸克又分成6味：上和下（u、d）、粲夸克和奇异夸克（c、s）、顶夸克和底夸克（t、b），每味再分成三色共18种夸克，这些轻子和夸克还有其对应的反粒子，总共48种。除

12、了引力子因质量太弱没有观察到外，希格斯玻色子是唯一一个在实验室中还没有找到的基本粒子，而粒子物理的标准模型重点是引力之外的三种基本相互作用力，所以希格斯玻色子的实验验证就更加重要，这也正是LHC的首要目标，对标准模型具有举足轻重的意义。就标准模型对粒子物理的意义而言，自从1932年发现中子之后，新发现的粒子越来越多，在标准模型之前一直无法对它们进行统一描述，相反，自从20世纪60-70年代有标准模型后，粒子物理学从找不到一个理论框架来理解实验数据的局面，转变成如果物理学家提出的理论比标准模型还新，那么就会超出当时的实验技术水平而得不到检验的局面。在实际运用中以及就理论和经验的符合角度而言，标准

13、模型可谓名副其实。按照科学哲学研究的惯例，往往选择成熟理论进行考察，所以粒子物理的标准模型本身就是一个很好的案例。三 基本粒子在当代规范理论的语境下来考察粒子物理标准模型，是想通过回答基本粒子到底是什么的问题，最终为科学实在论辩护。如果基本粒子是些理论实体（entity），那么到底是粒子、场还是弦？如果是些数学结构（结构实在论等结构主义的观点），那么是些什么样的表象（representations）?它们跟经验证据有什么样的关系？在回答这些问题的基础上才能为科学实在论进行论证。 1.理论实体的问题 这是一个典型的物理学中的哲学问题，甚至是一个让物理学家也无可适从的问题。正如因电弱统一理论获得诺

14、贝尔奖的S.温伯格（Steven Weinberg）在其三卷本场的量子理论中所讲的，物理学家并没有把握说场和粒子哪个更基本，甚至认为“新的理论可能不是场或粒子的理论，或是很不一样的东西，比如弦”（2000）。值得一提的是，正如描述引力的广义相对论是一种不同于杨-Mills理论的规范理论一样（后者比前者容易量子化），超弦理论也是一种规范理论，只不过是一种不同于场论的新的规范理论。要看清粒子、场和弦（膜）哪个更基本，就要厘清各种量子场理论中的相对论、量子力学、经典量子场论、规范场论、量子引力以及超弦理论之间的关系，尤其是要看各种量子场论中哪一个把相对论和量子力学结合得更好（理论上和实验上）。比如，

15、如果认为场比粒子更基本，就是认为规范场论已把相对论和量子力学结合得够好，随后就要为量子规范场论中的重整化问题辩护，因为如果重整化只是单纯计算上的约定，跟规范场论内部没有逻辑必然性的话，就不能认为场是最基本的。各种量子场理论之间和每一种量子场论内部都有这种问题，比如，真空的本质、内部空间和现实时空之间的关系问题、规范论证、引力是否必须量子化、弦论中的对偶性问题等等。只有在统一的框架下厘清这些问题，才能回答粒子、场以及弦之间的关系问题以及哪个更基本的问题。从理论和实验综合起来看，目前量子规范场论及其体现在粒子物理中的标准模型，不仅理论上把相对论和量子力学很好地结合起来，而且实验上得到了空前的验证。

16、就相对论的量子力学而言，物质都是以物质场和规范场这两种方式存在的，在粒子物理的标准模型中，不管是物质场还是规范场都是量子场。对于量子场的实质问题，如前所述，泰勒的量子场论的诠释和欧阳的量子场论是如何可能的？,分别提出了两个相竞争的基本实体：场量子(field quanta)和场事件(field events)。引起不少讨论，如有人认为场量子还不够基本，场事件也应当理解为戴维森式事件(Andreas Bartels，1999)。我们认为在标准模型中，理论实体实际上是量子场中的场量子。关于量子场的物理实在性，曹天予曾经把它总结为4：“量子场是一种动力学的整体性基质，它是振荡的、局域可激发的以及在本

17、质上是量子的。不过，这种基质本身又取决于（或者说在本体论上有赖于）已经存在的背景时空，即具有固定的经典时间几何学结构的四维闵科夫斯基流形。而且就是这种整体性的、有结构的背景时空决定了各种物理性质。”这就涉及数学结构问题。 2.数学结构的问题 这既是一个数学问题，也是一个哲学问题。当代规范理论有一个统一的数学框架是纤维丛理论，简单地说纤维丛由一个底流形及其上每一点的纤维组成，如果每根纤维是一个矢量空间就形成一个矢量丛，如果每根纤维是一个群那么就形成群丛，等等。按照纤维丛理论，标准模型中的基本粒子是作为一些数学对象来表示的，在规范场论中又分为物质场、规范场和相互作用场来表示，物质场可以用时空流形上

18、矢量丛的切面表示，规范力场可以用主丛上的联络表示，物质场和规范场之间的相互作用可以通过相互作用丛和相应的相互作用粒子丛进行研究。在粒子物理的标准模型中，一个基本粒子只能表示成如此这般的数学结构。比如，一个自由粒子对应于局域时空对称群的一个不可约表示，而著名的标准模型中的规范群SU(3)×SU(2)×U(1)，其有限维不可约表示决定了基本粒子的多重态。问题在于这些数学结构和物理内容的对应关系如何？这些能通过规范变换相互联系的数学表象有唯一性吗？也就是说存在一个数学结构是否超出物理内容的问题。事实上，的确有些规范对称只具有形式上意义，在自然界中是没有对应物的，所以规范变换也不是

19、唯一的。也就是说存在一个数学结构是否超出物理内容的问题。按照结构实在论的观点，表示物质场、规范场及其相应粒子的这些数学结构，主要是些纤维丛截面，并且这些纤维丛截面可以视为一些超出经验现象的结构。一方面，这些结构可以表示物质粒子，另一方面，它们又不直接是诸如能量、动量和电荷之类的经验性质，也就是说它们不是直接可观察的。当然，数学结构和物理内容的对应关系，这个问题还是整个粒子物理标准模型内部的理论问题。就理论跟经验的关系而言，就会涉及标准模型的经验证据问题。3.经验证据的问题 这是一个关系到我们支持实在论还是经验主义的问题。在理论实体数学结构物理内容经验数据的关系链中，理论实体对应于相应的理论框架

20、，理论框架中的数学结构和物理内容又不完全一一对应，只有物理内容才能用经验检验。如果强调理论实体和数学结构的根本性，就容易支持实在论，如果强调物理内容和经验证据的优先地位，就容易支持经验主义。而经验证据是不可能在科学理论内部得到解决的。所以，基本粒子的经验证据问题，实际上就是粒子物理标准模型的经验验证问题。其实，标准模型跟经验之间的关系有两方面，一方面是标准模型中有20个参数，包括9个费米子的质量、3个耦合常数、1个CP角及与之混合的3个角、2个玻色子质量、1个希格斯玻色子质量和1个QCD的角,是无法从规范原理这种一般性原理直接推导出来，只能通过实验确定,另一方面，如前所述，标准模型所预言的62

21、种基本粒子几乎全部为实验所证实(除了引力子因质量太弱没有观察到外)，只剩下1个使这些基本粒子产生质量的希格斯玻色子。事实上，希格斯粒子的寻找是LHC建造的最重要动力，LHC上计划开展的四个主要实验就有两个（ATLAS和CMS）是为了探索希格斯机制。比如ATLAS探测器（A Toroidal LHC Apparatus）的直接探测对象主要是光子、轻子和强子，包括对它们的识别以及对它们的能量动量等进行测量，最后通过计算得到希格斯粒子的质量，实现在实验室中证明其存在。事实上，有了标准模型后，所有的实验数据都可以得到解释。在理论实体数学结构物理内容经验数据的关系链中，如果强调理论实体和数学结构的连续性

22、，就容易支持实在论，如果强调物理内容和经验证据的优先地位，就容易支持经验主义。但是，粒子物理的标准模型不是在所有的基本粒子发现之后归纳总结出来的经验模型，相反，许多粒子都是根据标准模型的预言发现的。所以，就理论跟经验的关系来说，我们认为粒子物理的标准模型这个物理理论优先于其物理经验，也就是说我们更强调量子场及其数学结构的优先地位，更倾向于结构实在论。四 科学实在论的论证这是一个真正的哲学论证。目前对反实在论最有利的论据要数“本体论不连续性”、“不充分决定论据”，以及这些证据改进之后的新一轮“组合拳”。2006年斯坦福（P.Kyle Stanford）的超出我们的理解力：科学、历史和没把握的选择

23、问题5一书，根据生物遗传学史的考察，提出一个“没把握的选择问题”，认为科学家们总是无法对当时的理论做出有把握的选择，即使当时这些选择已经有确定证据，并且这些理论已经进入下一步的科学研究之中。“没把握的选择问题”试图说明科学理论没有能力理解世界的深层结构，引起科学实在论和反实在论新一轮论战。就科学实在论来说，目前要做的事情是找到更有力的证据为科学实在论辩护，以便回应反科学实在论的新的反驳证据。在规范理论的语境中考察粒子物理的标准模型，在搞清楚基本粒子到底是什么及其跟经验证据的关系问题基础上，通过回应一些著名的反实在论的论题，来很好地论证科学实在论，提出新的科学实在论证据。理论实体问题所讲的粒子和

24、场可以构成对本体论不连续性论据的反驳，因为规范场中的场实际上指的是场量子，从粒子到场量子是有一定的本体论上的连续性的。甚至从结构主义出发可以提出一种“指向实在论”（不同于收敛实在论和指称实在论），因为在一定的语境中，各种理论框架和科学实践都指向一定的对象，理论实体中粒子和场哪个更基本的问题具有很强的时代性（语境依赖），经典物理中的粒子和场跟量子力学中的粒子和场就有所不同，量子力学中的粒子和场跟量子场论中的又有所不同，各种量子场论中的也有所不同，但是它们都指向同一个研究对象。也正因如此我们认为量子化的场（场量子）比“粒子”更基本。 搞清楚基本粒子物理标准模型中的数学结构和物理内容跟经验证据之间的

25、关系，是足以回应不充分决定论据的，虽然在某些科学领域，经验证据看上去不能决定唯一理论模型，但是在粒子物理的标准模型这种理论中，这些理论模型在结构上具有很好的一致性。而且，通过把理论实体、数学结构、物理内容和经验证据结合起来发展结构实在论，以回击反实在论“没把握的选择问题”这种新的“组合拳”。一方面，从科学史来看，粒子物理的标准模型不仅不是从经验事实归纳总结出来的，而且许多基本粒子及其性质都是由同一个标准模型所预测的，甚至每种基本粒子的经验性质都由同样的数学结构来描述，也就是说，不仅不是同一个经验事实对应着多个理论模型，而且是多个经验事实对应着同一个理论模型，这就直接反击了不充分决定论据。另一方

26、面，如前所述，就粒子物理的标准模型这一具体理论而言，物理学家们花费巨资建造大型强子对撞机LHC, 这一事实本身说明，科学家们在很大程度上是选择了粒子物理的标准模型，而且是在无数次实验中实际选择了标准模型。当然，在多大程度上进行“有把握地”选择，还有待深入研究。另外，规范场论比之前的经典量子场论和之后的弦论有更多的经验证据，这一点更有利于发展“最佳说明推论”和“乐观的元归纳证据”。各种粒子和相互作用都优美地满足同样的理论模型，这不可能仅仅是一种“奇迹”，有利于“奇迹论证”。诸如此类，可以说粒子物理的标准模型是检验科学实在论和反实在论的试金石。结 语当代规范理论语境中的科学实在论问题研究，敢于直面基本粒子到底是否存在这个科学实在论和反实在论争论的焦点，通过对粒子物理标准模型的考察，为旷日持久的科学实在论和反实在论之争，提供了一个不能回避的案例，并且是一个具有普适性的很好例证，有利于对科学实在论进行系统的直接论证。把各种量子场论（包括弦论）看做是相对论和量子力学的各种结合，用科学的形而上学方法，把各种量子场论中的理论实体纳入统一的框架来考察。通过